《第1節(jié)核力與核能》教學(xué)設(shè)計(jì)(福建省市級(jí)優(yōu)課)-物理教案

§4.1核力與核能三維教學(xué)目標(biāo)1、知識(shí)與技能（1）知道核力的概念、特點(diǎn)；（2）知道穩(wěn)定原子核中質(zhì)子與中子的比例隨著原子序數(shù)的增大而減??；（3）理解結(jié)合能、平均結(jié)合能的概念；（4）知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，知道愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系。2、過(guò)程與方法（1）會(huì)根據(jù)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念計(jì)算核反應(yīng)中釋放的核能；（2）培養(yǎng)學(xué)生的理解能力、推理能力、及數(shù)學(xué)計(jì)算能力。3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀（1）使學(xué)生樹(shù)立起實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)理論對(duì)實(shí)踐有著指導(dǎo)和預(yù)見(jiàn)作用的能力；（2）認(rèn)識(shí)開(kāi)發(fā)和利用核能對(duì)解決人類能源危機(jī)的重要意義。教學(xué)重點(diǎn)：核力、結(jié)合能和平均結(jié)合能、質(zhì)量虧損及愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程的理解與應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)：結(jié)合能和平均結(jié)合能、愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程的理解與應(yīng)用。教學(xué)方法：教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。教學(xué)用具：多媒體教學(xué)設(shè)備、課件、原子核模型等。引入新課為什么原子核可以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)？核子能夠穩(wěn)定結(jié)合在一起，一定存在的兩種力是萬(wàn)有引力和庫(kù)侖斥力，若原子核要穩(wěn)定，則這兩種力應(yīng)該能夠平衡，那實(shí)際是這樣嗎？提問(wèn)1：氦原子核中有兩個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子質(zhì)量為mp=1.67×10-27kg，帶電量為元電荷e=1.6×10-19C，原子核的直徑的數(shù)量級(jí)為10-15m，那么估算兩個(gè)質(zhì)子之間的庫(kù)侖斥力與萬(wàn)有引力兩者相差多少倍?（已知G=6.67×10-11N·m2/kg2，k=9.0×109N·m2/C2）提問(wèn)2：在原子核那樣狹小的空間里，帶正電的質(zhì)子之間的庫(kù)侖斥力為萬(wàn)有引力的1036倍，那么質(zhì)子為什么能擠在一起而不飛散？會(huì)不會(huì)在原子核中有一種過(guò)去不知道的力，把核子束縛在一起了呢？（二）進(jìn)行新課一、核力核子間一定存在著兩種力：一種是萬(wàn)有引力，另一種是庫(kù)侖力。在相同的距離上，這兩種力的強(qiáng)度差別很大。電磁力大約要比萬(wàn)有引力強(qiáng)1036倍。1、概念基于這兩種力的性質(zhì)，原子核中的質(zhì)子要靠自身的引力來(lái)抗衡相互間的庫(kù)侖斥力是不可能的。核物理學(xué)家猜想，原子核里的核子間有第三種相互作用存在，即存在著一種核力，是核力把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核，后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了科學(xué)家的猜測(cè)。提問(wèn)3：那么核力有怎樣特點(diǎn)呢？2、核力特點(diǎn)：第一、合力的存在與電荷性質(zhì)無(wú)關(guān)第二、核力是強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)的一種表現(xiàn)。第三、核力是短程力，作用范圍在1.5×10-15m之內(nèi)，每個(gè)核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱為核力的飽和性。二、核素圖提問(wèn)4：隨著原子序數(shù)的增加，穩(wěn)定原子核中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有怎樣的關(guān)系？隨著原子序數(shù)的增加，較輕的原子核質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對(duì)于較重的原子核中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多。提問(wèn)5：為什么隨著原子序數(shù)的增加，穩(wěn)定原子核中的中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)？提示：學(xué)生從電磁力和核力的作用范圍去考慮?？偨Y(jié)：若質(zhì)子與中子成對(duì)地人工構(gòu)建原子核，隨原子核的增大，核子間的距離增大，核力和電磁力都會(huì)減小，但核力減小得更快。所以當(dāng)原子核增大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫(kù)侖力，這個(gè)原子核就不穩(wěn)定了；若只增加中子，中子與其他核子沒(méi)有庫(kù)侖斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定，所以穩(wěn)定的重原子核中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，若再增大原子核，一些核子間的距離會(huì)大到其間根本沒(méi)有核力的作用，這時(shí)候再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的。因此只有200多種穩(wěn)定的原子核長(zhǎng)久地留了下來(lái)。三、結(jié)合能提問(wèn)6：為什么和反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生巨大的能量？由于核子間存在著強(qiáng)大的核力，原子核是一個(gè)堅(jiān)固的集合體。要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，或者需要巨大的能量。例如用強(qiáng)大的γ光子照射氘核，可以使它分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。1、結(jié)合能從實(shí)驗(yàn)知道只有當(dāng)光子能量等于或大于2.22MeV時(shí)，這個(gè)反應(yīng)才會(huì)發(fā)生。相反的過(guò)程一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核，要放出2.22MeV的能量。這表明要把原子核分開(kāi)成核子要吸收能量，核子結(jié)合成原子核要放出能量，這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能。2、比結(jié)合能原子核越大，結(jié)合能越大，沒(méi)有可比性，但是不同原子核的核子數(shù)不同，質(zhì)子與中子數(shù)的比例不同，每一個(gè)核子的結(jié)合能也不同，則每個(gè)核子的結(jié)合能具有可比性，它反映了原子核的穩(wěn)定程度或分裂的難易程度，所以計(jì)算每個(gè)核子的結(jié)合能更有意義。我們把原子核平均每個(gè)核子的結(jié)合能叫做平均結(jié)合能，也叫做比結(jié)合能。定義：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，即：理解：核子結(jié)合成原子核時(shí)，平均每個(gè)核子所釋放的能量，它也等于把原子核拆散成每個(gè)核子時(shí)，平均每個(gè)核子吸收的能量意義：它反映了一個(gè)原子核穩(wěn)定程度，平均結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定較輕核和較重核的核子平均結(jié)合能較小，穩(wěn)定性較差；中等質(zhì)量核的平均結(jié)合能較大，穩(wěn)定性較好。重核變成中等核或者輕核變成中等核都需要釋放能量。例1、一個(gè)氘核和一個(gè)氚核的核反應(yīng)為，已知的平均結(jié)合能是2.78MeV，的平均結(jié)合能是1.09MeV，的平均結(jié)合能是7.03MeV，問(wèn)：（1）這個(gè)核反應(yīng)是吸收還是釋放能量？能量是多少？（2）產(chǎn)生1mol的所釋放的能量可以把一個(gè)6噸重的火箭發(fā)射到多少米的高空？（NA=6×1023）四、質(zhì)量虧損由例題可知，核反應(yīng)的核能是巨大的，那么如何計(jì)算原子核的結(jié)合能呢？愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論的前提下，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出了物體能量與它的質(zhì)量的關(guān)系，指出了求原子核的結(jié)合能的方法。1、愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程：E＝mc2相對(duì)論指出，物體的能量（E）和質(zhì)量（m）之間存在著密切的關(guān)系，即E＝mc2式中，c為真空中的光速。愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程表明：物體所具有的能量跟它的質(zhì)量成正比。由于c2這個(gè)數(shù)值十分巨大，因而物體的能量是十分可觀的。2、質(zhì)量虧損科學(xué)家研究證明在核反應(yīng)中原子核的總質(zhì)量并不相等，例如精確計(jì)算表明：氘核的質(zhì)量比一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損只有在核反應(yīng)中才能明顯的表現(xiàn)出來(lái)?；仡欃|(zhì)量、能量的定義、單位，向?qū)W生指出質(zhì)量不是能量、能量也不是質(zhì)量，質(zhì)量不能轉(zhuǎn)化能量，能量也不能轉(zhuǎn)化質(zhì)量，質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度。3、核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量：△E=△mc2物體貯藏著巨大的能量是不容置疑的，但是如何使這樣巨大的能量釋放出來(lái)？從愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出，物體的能量變化△E與物體的質(zhì)量變化△m的關(guān)系：△E=Δmc2單個(gè)的質(zhì)子、中子的質(zhì)量已經(jīng)精確測(cè)定。用質(zhì)譜儀或其他儀器測(cè)定某種原子核的質(zhì)量，與同等數(shù)量的質(zhì)子、中子的質(zhì)量之和相比較，看一看兩條途徑得到的質(zhì)量之差，就能推知原子核的結(jié)合能。例2、下列說(shuō)法中，正確的是（）A.愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程反映了物體的質(zhì)量就是能量，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化。B.由E=mc2可知能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系C.核反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)的“質(zhì)量虧損”是消失的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成為能量D.因?yàn)樵诤朔磻?yīng)中能產(chǎn)生能量，有質(zhì)量的轉(zhuǎn)化，所以系統(tǒng)只有質(zhì)量數(shù)守恒，系統(tǒng)的總能量和總質(zhì)量不守恒。分析：①物體的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，質(zhì)量虧損指的是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量有關(guān)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。②質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?，只是靜止質(zhì)量的減少。③在核反應(yīng)中仍然遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律。④質(zhì)量只是物體具有能量多少及能量轉(zhuǎn)變多少的一種量度。閱讀原子核的比結(jié)合能，指出中等大小的核的比結(jié)合能最大(平均每個(gè)核子的質(zhì)量虧損最大)，這些核最穩(wěn)定。另一方面如果使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等大小的核，核子的比結(jié)合能都會(huì)增加，這樣可以釋放能量供人使用。例3、取質(zhì)子的質(zhì)量mp=1.6726×10-27kg，中子的質(zhì)量mn=1.6749×10-27kg，α粒子的質(zhì)mα=6.6467×10-27kg，光速c=3×108m/s，（1）寫(xiě)出核反應(yīng)方程（2）求α粒子的結(jié)合能及平均結(jié)合能五、作業(yè)：書(shū)本65頁(yè)1、2、3、4題六、板書(shū)設(shè)計(jì)§4.1核力與核能核力§4.1核力與核能核力概念特點(diǎn)核素圖結(jié)合能結(jié)合能平均結(jié)合能（比結(jié)合能）愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程1、愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程：E＝mc22、質(zhì)量虧損△m3、核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量：△E=△mc2本節(jié)內(nèi)容理論性比較強(qiáng)，特別是對(duì)于核力、結(jié)合能的理解，為后兩節(jié)的內(nèi)容可以打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有助于