植物吸氣呼氣實驗指導及活動紀錄
- 1. 全球暖化教學模組─生物篇-教師手冊
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(三) 子活動 3 植物的光合作用教學示例
活動目標
一、藉由實驗驗證植物行光合作用可呼出氧氣。
二、比較植物的不同部位(花、葉)的光合作用情形。
三、經由實作熟練科學方法。
四、了解植物植物與全球暖化的關係。
活動準備
一、配置 BTB 液(請參考實驗指導)
二、教師可先準備實驗活動所需的器材,如:燒杯、錐形瓶、燒杯、量筒、錐形瓶、膠帶、鋁箔
紙、BTB 液、植物(水蘊草、翠蘆麗、酢漿草……等);或指導學生收集身邊可取得的器材(如
玻璃瓶等)取代。
三、若以「分組教學」方式進行時,須先進行學生的分組。
使用說明與注意事項
一、本活動所需之先備知識如「光合作用」、「氧氣、二氧化碳的特性」等,可經由閱讀「知識加
油站──光合作用篇」獲得補充。
二、本活動有關實驗設計及實驗步驟,有「實驗活動指導」可供參考,教師可決定此手冊是否印
製給學生。
三、建議本活動搭配子活動 2(生物的呼吸作用)進行,若學生已進行子活動 2,知道 BTB 液變
色情形,則可不必再重複此部分的教學。
四、本活動因操縱變因的處理方式,而出現三種不同版本的實驗設計,每個版本有 AB 二種版本
的活動記錄(A 版為指導式,提供所有實驗步驟。B 版為半開放式,教師寫出實驗步驟,但
留下關鍵處的空格,讓學生以填充方式寫出實驗步驟)及一種完全由學生自己設計書寫實驗
步驟的活動記錄──開放式(C 版),教師可視實際需求選用。
教學示例
教學活動流程 説明
【協助學生確定問題】
師:我們常說「植物可以吸收二氧化碳」、「植物是
地球的空氣清淨機」,我們要如何證實光合作用可
以吸收二氧化碳?如何算出植物吸收二氧化碳的
量或速率?請同學參考知識加油站,及活動 2(生
物的呼吸作用),討論以下問題
1. 如何利用 BTB 液來檢測植物進行光作用所減少
的二氧化碳或增加的氧氣?
2. 改變哪些因素可以讓植物無法進行光合作用?
3. 使用哪些植物作材料(水生或陸生)?
4. 不同種植物吸收二氧化碳速率是否不同?
5. 植物不同的部位(葉和花)是否都能吸收二氧
化碳?
1. 整株植物在實驗操作上較困難,可以
引導學生取新鮮葉片、花等,也有相
同的效果!
2. 一次可多做幾種植物比較光合速率的
差異。
- 2. 全球暖化教學模組─生物篇-教師手冊
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【協助學生獲取資料】
1. 請同學參考知識加油站中──光合作用單元
2. 和學生進行實驗原理探討:
(1) 「BTB 的變色情形」及「植物呼出的氣體」。
(2) 引導學生做出推論以進行實驗設計。
※實驗設計:
一、假設與預測:
此研究的假設與預測是:
1. 「若有光合作用發生,則會使黃色 BTB 液變成
藍色」。
二、確定變因:
1. 操縱變因與應變變因分別是什麼?如何操作?
操縱變因可能是有無光照或有無植物葉片,可
以有不同的設計方式。如:
A:植物葉片、照光 / 無植物葉片、照光(此
方式較簡單,只要選定植物種類,另設一個
沒有植物的空白組做對照即可)
B:植物葉片、照光 / 植物葉片、不照光(此
方式每一種葉片都須加一個不照光的組做
對照)
C:植物葉片、花(或果實、種子、根、莖)、
照光 / 葉片、不照光(此為綜合的做法,
即選定各種植物葉片、花、果實等為實驗
組,再加葉片不照光組做為對照)
2. 控制變因:以上實驗設計中,除了操縱變因外,
實驗組與對照組需維持相同處置的變因,如 A
組中溫度、瓶子的大小、瓶內水的量…等皆須
維持相同稱為控制變因。
3. 應變變因:觀察記錄 BTB 液變色的時間、情形。
記錄方式:紀錄變色情形(文字+拍照),變色
的時間。最好鼓勵學生採取 2 種以上的記錄方
法,能加以量化則更好。
三、實驗設計與步驟
1. 老師先示範一種植物(如酢漿草)的實驗裝置,
請同學依這種方法設計其他材料及對照組。
2. 因操縱變因的操作方式不同,而可能有不同的
實驗組對照組(如上述的 A、B、C)。
3. 教師可參看實驗指導中的實驗裝置及步驟,決
定指導的程度。
1. 實驗原理探討部分可經由學生閱讀或
教師講解或師生討論的方式來學習,
BTB的變色情形可以用示範實驗方式
進行。若學生已做過子活動 2 生物的
呼吸,用 BTB 液測呼氣的活動,則此
步驟可跳過!
2. 引導學生作出:「如果瓶中有進行光合
作用,則會使黃色 BTB 液變成藍色」
的假設。
3. 做出假設及預測,是科學方法中很重
要的一步,探究時是根據假設設計實
驗及決定要測量及記錄的項目方式,
所以不應忽略此步驟。
4. 實作能增進「科學方法」和「過程技
能」等能力,避免只是讓學生按照老
師設計好的方式進行操作。
5. 實驗設計大約可分為三類(參看實驗
指導手冊),教師可視情形決定哪一種
版本或加以改變!
6. 學生實驗設計的能力較不足,教師可
以先示範(如先示範一個實驗組的裝
置情形)或做初步規畫,再教導學生
進行細部的改變。
7. 關於實驗步驟可依學生程度、時間
等,決定使用不同策略,如 A:由教
師提供學生操作,B:老師可列出實
驗步驟,讓學生填寫其中的空格,C:
完全開放由學生自行寫出。
8. 討論及進行實驗操作約須一節課時
間,所以之後的觀察、記錄須利用課
後時間進行。
9. 多久記錄一次必須看當時的日照而
定,若日照充足可能在半小時內即變
色,否則可能需 2-3 小時。
10. 若學生程度不足或時間不夠,老師可
以直接將紀錄表格設計成活動記錄
單的一部分供學生填寫。
- 3. 全球暖化教學模組─生物篇-教師手冊
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4. 實驗中應注意事項:
(1) 容器以錐形瓶較佳(試管的空間較小,葉片
不易展開,受光面積不足),內裝的 BTB 液
約 75 mL(太少時不易看出顏色變化)。
(2) 植物的選擇──最好包含有水生、陸生,陸
生植物以校園身邊易取得為佳。綜合版──
多加了植物的花或果實等,花、果實和葉子
最好來自同一種植物。
(3) 實驗裝置最好放在窗臺,避免強烈日曬也不
要太靠近日光燈,因溫度過高時,二氧化碳
的溶解量會降低,影響實驗結果。
四、實驗操作
指導學生依實驗設計進行實驗裝置,當學生在器材
取得有困難時老師可加以協助!
五、紀錄
師:請同學討論以下事情
1. 要記錄什麼項目?用什麼方式記錄(文字或照
相…等)?
2. 多久記錄一次?
3. 讓學生自行設計表格以方便記錄
【鼓勵學生提出想法】
教師鼓勵學生,依據實驗結果討論以下問題
1 實驗中哪些設計為對照組?
2. 實驗結果是否支持假設?
3. 根據實驗結果可以做出何種推論?
4. 本實驗可以如何改進?
5. 如果在甲~戊的水中分別加入數隻螺,你推測
會有何改變?
6. 如果將甲~戊放置在黑暗中(夜晚不照光),推
測會有何改變?
7. 放置花、果實或種子的意義為何?
8. 根據實驗結果推論:植物與全球暖化間的可能
關連是什麼?
1. 討論的問題可依據上課情形選擇其中
幾題,不一定全部題目都要進行討論。
【激勵學生推廣應用】
教師鼓勵學生,討論以下問題
1. 如何算出哪一種植物「吸收二氧化碳的能力最
好」?(二氧化碳的定量問題)
2. 如何利用植物的光合作用,設計一個不需要打
氣的水族箱?
3. 實驗裝置若隔夜(放在黑暗中)會有什麼改變?
1. 若進一步進行科展或深入探究時,可
利用酸鹼滴定法或光電比色計來定量
二氧化碳的吸收速率!
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子活動 3 教師用附檔 3-1「植物的光合作用」實驗指導手冊
壹、BTB 液的配製
一、BTB 酸鹼指示劑是「溴瑞香草酚藍(Bromothymol Blue)試劑」的簡稱,分子式 C27H28Br2O5S,
分子量 624.38。
二、別名:「溴麝香草酚蘭」試劑,溴麝香草酚藍,溴百里香酚蘭;3,3’一二溴麝香草酚磺酰酞,
3,3’-Dibromothymothymolsulfonphthalein。
三、BTB 酸鹼指示劑中性時是綠色的,遇到鹼性溶液會形成藍色溶液,遇到酸性溶液會形成黃色
溶液。
四、調配方法
一般 BTB 指示劑的濃度為 0.1 %,故可取 0.1 克的 BTB 粉末,溶於約 50 %的 100 mL 酒
精中即可。或先將其溶於酒精中,再加水至 100 mL。此時的 BTB 溶液為橘黃色的,須用濃
度 1 M 的氫氧化鈉(NaOH)來調配,使其顏色變成草綠色即可。
貳、實驗指導
一、實驗原理
1. BTB 液的變色情形
(1) BTB 液是「溴瑞香草酚藍(Bromothymol Blue)」的簡稱,常被作為酸鹼指示劑,它在中性
環境中呈藍綠色,遇到鹼性會呈藍色,遇到酸性會呈黃色。另外當 BTB 液遇氧氣則因氧化
作用而呈藍色。
(2) 二氧化碳可溶於水中,使溶液呈現酸性。
向 BTB 液中呼氣,BTB 液呈黃色 向 BTB 液中打入空氣,BTB 液呈藍色
2. 植物呼出的氣體
植物呼出的氣體以氧氣或二氧化碳為主,光合作用產生氧氣,呼吸作用則產生二氧化碳。
當植物只進行呼吸作用而無光合作用時,呼出的氣體以二氧化碳較多;當植物同時進行光合與
呼吸作用時,則呼出的氣體以氧氣為主。
3. 根據 BTB 液變色的情形及植物呼出的氣體,可以做出推論:「若植物在光合作用的條件下,可以
使 BTB 液變成藍色,則說明光合作用呼出氧氣」;「若植物在缺少光合作用的條件下,可以使 BTB
液變成黃色,則說明呼吸作用呼出二氧化碳」。
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二、假設及變因
1. 假設及預測:「若有光合作用發生,則會使黃色 BTB 液變藍色。」
2. 操縱變因:植物能不能行光合作用,操縱的方法包括:
A:植物葉片、照光 / 植物葉片、不照光。
B:植物葉片、照光 / 無植物葉片、照光
C:植物葉片、花(或果實、種子、根、莖)、照光 / 葉片+不照光
3. 操縱變因列表
A:
編號 甲 乙 丙 其他
功能 實驗組 實驗組 對照組
操縱變因
(有無葉片)
水蘊草 酢漿草 無植物
BTB 液(75 mL) 黃色 黃色 黃色
照光 有 有 有
B:
編號 甲 乙 丙 丁 戊 己 其他
功能 實驗組 對照組 實驗組 對照組 實驗組 對照組
操縱變因
(有無照光)
水蘊草 水蘊草 酢漿草 酢漿草 無植物 無植物
BTB 液(75 mL) 黃色 黃色 黃色 黃色 黃色 黃色
照光 有 無 有 無 有 無
C:
編號 甲 乙 丙 丁 戊 其他
功能 實驗組 實驗組 實驗組 對照組 對照組
操縱變因
(有無光合作用)
水蘊草 植物葉 植物花 植物葉 無植物
BTB 液(75 mL) 黃色 黃色 黃色 黃色 黃色
照光 有 有 有 無 有
三、器材
1. 器材:燒杯、量筒、錐形瓶、膠帶、鋁箔紙、BTB 液、植物(水蘊草、翠蘆麗、酢漿草…等)
2. 使用說明:
(1) 容器以錐形瓶較佳(試管的空間較小,葉片不易展開,受光面積不足),內裝的 BTB 液約
75 mL(太少時不易看出顏色變化)。
(2) 學生也可以收集透明的牛奶瓶、飲料瓶來使用(約 250 mL、透明、廣口為佳)
(3) 植物的選擇──最好包含有水生、陸生,陸生植物以校園身邊易取得為佳。綜合版──多
加了植物的花或果實等,花、果實和葉子最好來自同一種植物。
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四、實驗步驟
※綜合版的做法(以下作法僅供參考,請依各別的設計選擇適當材料及作法):
1. 取大燒杯裝自來水 1000mL,滴入 1mL BTB 液。
2. 用吸管將呼氣吹入上述燒杯中,直到 BTB 液變( 黃 )色。
黃色(有二氧化碳)和藍色(有氧氣)
的 BTB 液
3. 將黃色 BTB 液分裝到 5 個 125 mL 的錐形瓶中(每瓶 75 mL),貼標籤甲~戊
4. 在甲瓶中裝入水蘊草,在乙~丁瓶中以懸掛方式(以線綁住葉柄,用膠帶貼在瓶子邊緣),裝入
實驗用的葉片或花;乙瓶裝入植物葉片,丙瓶裝入植物的花,丁瓶裝入植物葉片,而戊則不加
植物。5 組皆用膠布將瓶口密封。丁瓶另用鋁箔紙包住。
五組裝置
5. 將所有裝置放在陽光下(最好放在陽台上),或放在日光燈下(避免太靠近而使溫度過高)
6. 每隔(10 或 45)分鐘紀錄顏色變化直到變為( 藍 )色
五、紀錄與結果
1. 紀錄表格──以文字、圖片紀錄 BTB 液顏色的變化情形,如:
甲= 乙= 丙= 丁= 戊=
第( )分鐘
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子活動 3 教師用附檔 3-4「植物的光合作用」活動記錄單(綜合教用版)
一、活動目的
1. 經由實驗驗證植物進行光合作用可產生氧氣,若無光合作用則產生二氧化碳。
2. 能分辨實驗中的各種變因。
3. 能設計實驗中的實驗組與對照組。
4. 能熟練實驗操作的技巧。
二、實驗原理
1. BTB 液的變色情形
(1) BTB 液是「溴瑞香草酚藍(Bromothymol Blue)」的簡稱,常被作為酸鹼指示劑,它在中性
環境中呈藍綠色,遇到鹼性會呈藍色,遇到酸性會呈黃色。另外當 BTB 液遇氧氣則因氧化
作用而呈藍色。
(2) 二氧化碳可溶於水中,使溶液呈現酸性。
向 BTB 液中呼氣,BTB 液呈黃色 向 BTB 液中打入空氣,BTB 液呈藍色
2. 植物呼出的氣體
植物呼出的氣體以氧氣或二氧化碳為主,光合作用產生氧氣,呼吸作用則產生二氧化碳。
當植物只進行呼吸作用而無光合作用時,呼出的氣體以二氧化碳較多;當植物同時進行光合與
呼吸作用時,則呼出的氣體以氧氣為主。
3. 根據 BTB 液變色的情形及植物呼出的氣體,可以做出推論:「若植物在光合作用的條件下,可以
使 BTB 液變成藍色,則說明光合作用呼出氧氣」;「若植物在缺少光合作用的條件下,可以使 BTB
液變成黃色,則說明呼吸作用呼出二氧化碳」。
4. 請和同學討論後,寫下這次探究的假設與預測(如果……則……):
答:如果有進行光合作用,則會使黃綠色 BTB 液變成藍色,無光合作用則黃綠色 BTB 液變黃
色。
三、實驗設計
1. 材料:葉片數種
2. 器材:燒杯、量筒、錐形瓶、膠帶、鋁箔紙、BTB 液、植物(水蘊草、翠蘆麗、酢漿草…等)
3. 變因:
(1) 操縱變因及操作方式:有無光合作用
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(2) 應變變因及操作方式:觀察記錄 BTB 液的變色情形
(3) 控制變因:水量、溫度、BTB 液濃度、二氧化碳量……
4. 實驗步驟:根據討論結果填寫以下步驟中的空格
(1) 取大燒杯裝自來水 1000 mL,滴入 1 mL BTB 液。
(2) 用吸管將呼氣吹入上述燒杯中,直到 BTB 液變( 黃 )色。
(3) 將黃色 BTB 液分裝至 5 個 125 mL 的錐形瓶中(每瓶 75 mL),貼標籤甲~戊。
(4) 在甲瓶中裝入水蘊草,在乙~丁瓶中以懸掛方式(以線綁住葉柄,用膠帶貼在瓶子邊緣),
裝入實驗用的葉片或花;乙瓶裝入植物葉片,丙瓶裝入植物的花,丁瓶裝入植物葉片,而
戊則不加植物。
(5) 將 5 組皆用膠布將瓶口密封。丁瓶另用鋁箔紙包住。
(6) 實驗組與對照組表格
編號 甲 乙 丙 丁 戊
功能 實驗組 實驗組 實驗組 對照組 對照組
操縱變因
有無光合作用
水蘊草 植物葉 植物花 植物葉 無植物
BTB 液(75 mL) 黃色 黃色 黃色 黃色 黃色
照光 有 有 有 無 有
(依實際實驗結果記錄,甲、乙組約 1~3 小時內可出現藍色)
四、紀錄與結果
1. 紀錄表格──記錄 BTB 液的顏色
甲 乙 丙 丁 戊
第( )分鐘
第( )分鐘
第( )分鐘
五、問題討論
1. 實驗結果是否支持假設?
答:有植物的組約 1~3 小時內可出現藍色,故支持假設。
2. 根據實驗結果可以做出何種推論?
答:植物進行光合作用會吸收二氧化碳釋放出氧氣,植物可以減少空氣或水中二氧化碳的量!
3. 本實驗可以如何改進?
答:植物葉片大小盡量相同、測 BTB 液酸鹼度的實際值……。
4. 放置花、果實或種子的意義為何?
答:花、果實等部位不具葉綠素,無法進行光合作用,而是進行呼吸作用。可用來說明只有光
合作用可吸收二氧化碳排出氧氣。
5. 如果在甲~戊的水中分別加入數隻螺,你推測會有何改變?
答:因為有螺在水中進行呼吸作用,呼出二氧化碳使水中的酸性增加,所以甲~乙變成藍色的
時間會變慢,甚至可能不會變藍色。丙~戊的酸性增加,BTB 液維持黃色或變成更淡。
6. 如果將甲~戊放置在黑暗中(夜晚不照光),你推測會有何改變?
答:黑暗中植物不進行光合作用但仍進行呼吸作用呼出二氧化碳,故甲~乙會變成黃色。丙~
戊仍維持黃色。
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進行各種活動,以表現正常的生命現象。除了能量之外,『呼吸作用』也生成二氧化碳、水及其
他廢物。生物的『呼吸作用』主要在活細胞中的「粒線體」內進行,其過程如(圖 2)所示。
圖 2 細胞進行呼吸作用產生能量的示意圖
『呼吸』作用的化學反應結果雖與物質燃燒相類似(圖 3),例如:都需要消耗氧、都會放出
能量、二氧化碳和水;但兩者間仍有許多差異,如:呼吸作用會在較低的溫度(如動物體溫)下
經由一連串代謝作用,緩慢的將能量釋出,而不會像燃燒反應那樣的快速、劇烈,而且呼吸作用
是將原本儲藏在養分內的能量,轉換成細胞活動所需的能量形式,但物質燃燒主要是將物質內所
含能量轉變成光能和熱能的形式釋出。
圖 3 食物養分與氧作用產生能量的示意圖
呼吸作用與呼吸運動
『呼吸作用』專指細胞藉氧和養分進行化學反應,釋放出能量的過程,而有別於呼氣、吸氣
的『呼吸運動』。人體藉由胸腔的擴大、縮小,可使肺完成吸氣、呼氣動作,稱為『呼吸運動』。
口、鼻吸入的空氣會經由喉、氣管、支氣管到達肺,空氣中所含的氧由肺表面的微血管進入血液,
再由血液運送給細胞進行『呼吸作用』,而同時細胞也將『呼吸作用』產生的二氧化碳經由血液
運送到肺後排出體外。透過『呼吸運動』,血液不斷與外界進行氣體交換,不但能補充體內細胞
需要的氧,也可排出全身細胞產生的二氧化碳。
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圖 8 細胞內光合作用與呼吸作用關係示意圖
『光合作用』是生命世界的基石。通過『光合作用』,綠色植物捕捉太陽能量、吸收 CO2 和
水轉換成養分和 O2,而養分中所含的能量又成為所有生物維持生存的能量來源。由此可知,如果
沒有光合生物,其他生物也將難以生存。
討論教室:
1. 二氧化碳如何轉變為澱粉和蛋白質?又如何成為你身體細胞的一部分?
2. 右圖表示植物個體在白天和夜晚時,經由氣孔與空氣交
換氣體的種類,圖中箭頭粗、細代表氣體量。圖中 A、
B 分別為何種代謝反應?請解釋為何會產生如右圖所示
現象。
3. 英國化學家卜利士力(L.Priestley 1733-1804)1711 年時
做了如下實驗:它將一根點燃蠟燭放進玻璃鐘罩裡,直
到蠟燭熄滅,接著把一盆植物放進鐘罩內,在有光環境
下放置數天後,再把點燃蠟燭放入鐘罩內,結果發現蠟
燭又可燃燒一陣子,另外,將小沙鼠放入鐘罩內,也可
以存活一段時間。你如何解釋這樣的實驗結果?
1-3 分解者的作用
生產者、消費者、分解者
植物、藻類…等生物能行『光合作用』自製養分,這些養分又是所有生物賴以維生的能源和
物質,故被稱為生命世界的『生產者』,而其它無法自製養分,只能依賴生產者為生的生物,則又