光合作用吸收二氧化碳释放氧气：原料、产物与实质

揭开绿色的天机：植物究竟以什么为食？

上节课我们通过天竺葵实验，确凿无疑地证明了：绿色植物在光下制造出了淀粉这种有机物。

但这立刻引发了科学家们更深入的追问： 既然植物制造出了庞大复杂的淀粉有机物，那它制造淀粉的“原材料”是从哪里搬来的？植物难道只是单纯地制造淀粉，没有伴随产生其他神奇的物质吗？

这节课，我们将跟随科学史上的先驱们，一步步揭开光合作用吸收二氧化碳、释放氧气的全貌！

一、光合作用的科学探索历程

人类认识光合作用，经历了几百年的科学接力：

1. 17 世纪比利时科学家海尔蒙特的柳树实验

• 实验设计：海尔蒙特把一棵重 2.3 千克的柳树苗种在盛有 90 千克干燥土壤的木桶里，只用纯净的雨水浇灌了 5 年；
• 5 年后的测量结果：
  • 柳树长成了大树，体重增加了 80 多千克！
  • 而木桶里的土壤烘干称重，仅仅减少了不到 0.1 千克！
• 科学贡献：海尔蒙特由此得出结论——建造柳树身体的物质主要是水，水是光合作用的重要原料！（但他当时还不知道空气中的二氧化碳也是原料）。

2. 18 世纪英国科学家普利斯特利的密闭钟罩实验

• 普利斯特利把一支点燃的蜡烛和一只小白鼠分别放在密闭的玻璃罩里，蜡烛很快熄灭，小白鼠很快窒息死亡；
• 随后，他把一盆生长旺盛的绿色植物和点燃的蜡烛（或小白鼠）一起放在密闭玻璃罩中；
• 惊人的现象：蜡烛没有熄灭，小白鼠也一直健康活泼地活着！
• 科学贡献：证明了植物能够更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊的空气！（后来科学家证实，动物呼吸消耗了氧气产生二氧化碳，而植物吸收了二氧化碳并释放了氧气）。

二、核心演示实验：光合作用产生氧气

植物在光下释放出的能够使小白鼠存活的气体，到底是不是我们赖以生存的氧气？

教材第 123 页为我们展示了一个极其精妙的演示实验：

flowchart TD
    A[将新鲜的金鱼藻放在盛有清水的大烧杯中] --> B[上面倒扣一个短颈玻璃漏斗]
    B --> C[在漏斗颈上倒扣一支装满清水的玻璃试管]
    C --> D[移到阳光充足的地方照射一段时间]
    D --> E[金鱼藻表面冒出一串串微小的气泡，试管内气体增加，水面逐渐下降]
    E --> F[试管内收集到气体后，在水下用拇指按住试管口，取出试管并直立倒转]
    F --> G[⚠️ 核心检验操作：将带火星的卫生香或细木条迅速伸入试管口！]
    G --> H[【现象】带火星的木条立刻猛烈地复燃！发出明亮火焰！]
    H --> I[【结论】绿色植物在光下光合作用释放出了【氧气】！]

为什么用“带火星的木条复燃”来检验？

• 化学特异性：氧气具有强烈的助燃性！ 哪怕是一根没有明火、只有一点点暗红火星的细木条，只要一接触到高浓度的纯氧气，就会瞬间爆发出明亮的火焰（猛烈复燃）！这是检验氧气最经典、最权威的方法。

三、探究实验：二氧化碳是光合作用必需的原料吗？

植物制造有机物，除了水，还需要空气中的二氧化碳吗？

教材第 122 页指导我们设计了一组巧妙的对照实验：

1. 实验装置准备：
   • 取两盆同样经过暗处理的天竺葵，分别罩在两个密闭的玻璃钟罩内，标为甲组和乙组；
   • 甲组装置内：放置一烧杯 澄清的石灰水或氢氧化钠溶液（化学常识：氢氧化钠溶液能够极其高效地吸收空气中的二氧化碳！ 因此甲钟罩内几乎没有二氧化碳）；
   • 乙组装置内：放置等量的清水（乙钟罩内有正常的二氧化碳，作为对照组）；
2. 光照与检验：
   • 移到阳光下照射数小时后，各取一片叶子，经过酒精脱色、漂洗、滴加碘液；
3. 实验现象与结论：
   • 甲组叶片（无二氧化碳）：滴碘液不变蓝（无法制造淀粉！）；
   • 乙组叶片（有二氧化碳）：滴碘液变蓝色！
   • 科学结论：二氧化碳是绿色植物进行光合作用不可缺少的原料！

四、光合作用的反应式与实质

把前面所有的实验发现汇聚在一起，我们便能写出初中生物学最著名的光合作用全景反应式：

二氧化碳 + 水 —(光能 / 叶绿体) $\rightarrow$ 有机物（储存着能量，主要是淀粉） + 氧气

• 光合作用的四大要素：
  • 原料：二氧化碳、水；
  • 产物：有机物（淀粉等）、氧气；
  • 场所：叶绿体；
  • 条件：光照。

光合作用的两大科学实质：

1. 物质转化实质：把简单的无机物（二氧化碳和水）合成了复杂的有机物（淀粉等），并且释放出氧气；
2. 能量转化实质：把光能转化成储存在有机物中的化学能！

五、光合作用原理在农业生产中的应用

懂得了光合作用的规律，农民伯伯就可以指挥植物多产粮食、瓜果飘香：

1. 合理密植（充分利用光能）：
   • 播种或移栽庄稼时，植株之间既不能过稀（浪费土地和光照），也不能过密（叶片相互重叠遮挡阳光，通风不良，减产）；
   • 必须做到合理密植，让每一片绿叶都能最大程度接受阳光照射，提高光能利用率。
2. 温室大棚增施“气肥”（增加原料）：
   • 二氧化碳是光合作用的原料。在寒冬封闭的温室大棚里，植物光合作用会很快消耗掉棚内有限的二氧化碳；
   • 种植草莓、番茄的现代化大棚里，常常通过放置干冰或点燃二氧化碳发生器，人为增加大棚内的二氧化碳浓度，光合作用成倍增强，果实大幅度提前成熟且产量显著提高！
3. 延长光照时间、增强光照强度：在温室里安装大功率植物补光灯。

六、写给家长（伴读锦囊）

• 对应哪一节：第三单元 第五章 第一节《光合作用吸收二氧化碳释放氧气》（教材第 121–126 页）。
• 在家可以问什么或看什么：
  1. 看教材第 123 页金鱼藻实验图，问孩子：“金鱼藻在水里冒出来的小气泡是什么气体？怎样用一根只剩火星的小木条来检验它？（将带火星的木条伸入试管，木条立刻复燃，证明是氧气）”。
  2. 问问孩子：“做实验证明植物需要二氧化碳时，杯子里放的氢氧化钠溶液有什么特殊本领？（能吸收二氧化碳，制造没有二氧化碳的对照环境）”。
  3. 考考孩子：“光合作用的原料、产物、场所和条件分别是什么？能背出反应公式吗？大棚里加二氧化碳气肥为什么能让黄瓜草莓多结果？”
• 怎样算学完：
  1. 孩子能完整默写光合作用的文字反应式；
  2. 孩子能清晰描述金鱼藻释放氧气与检验方法（带火星木条复燃）；
  3. 孩子能解释合理密植和补充二氧化碳气肥的增产道理。