【教學(xué)設(shè)計(jì)】《核力與結(jié)合能》人教版

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1、《核力與結(jié)合能》 ◆ 教材分析 本節(jié)教材是在學(xué)生已經(jīng)掌握了原子核是由質(zhì)子和中子組成的基礎(chǔ)上， 探究是什么作用使得質(zhì) 子和中子可以有機(jī)地組成一個(gè)穩(wěn)定的整體。 為此， 教材首先安排了 “核力與四種基本相互作 用”，在教授這部分內(nèi)容時(shí)，注意引導(dǎo)學(xué)生《物理必修 1》第三章第 1 節(jié)的知識，同時(shí)突出 科學(xué)家的大膽“猜想”在研究中的作用。 再利用核力的性質(zhì)解釋“原子核中質(zhì)子與中子的比 例”時(shí)，首先注意讀懂教科書圖 19.5-2 所揭示的穩(wěn)定核中核子的組成情況，再結(jié)合核力和 電磁里的共同作用， 借鑒經(jīng)典的動(dòng)力學(xué)理論， 尋求穩(wěn)定原子核中核子按不同比例組成的原因。 從力的角度認(rèn)識了原子核后， “

2、結(jié)合能”的教學(xué)實(shí)際上是從能量的角度再次認(rèn)識原子核，結(jié) 合能和比結(jié)合能的教學(xué)， 是本節(jié)的難點(diǎn)， 也是重點(diǎn)，注意結(jié)合教科書的例題和教科書圖 19.5-3 講清楚其物理意義。 ◆ 教學(xué)目標(biāo) 【知識與能力目標(biāo)】 1．知道核力的概念、特點(diǎn)及自然界存在的四種基本相互作用； 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)合能的概念，知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損； 4．知道愛因斯坦的質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系。 【過程與方法目標(biāo)】 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。 【情感態(tài)度價(jià)值觀目

3、標(biāo)】 1．使學(xué)生樹立起實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)理論對實(shí)踐有著指導(dǎo)和預(yù)見作用的能力； 2．認(rèn)識開發(fā)和利用核能對解決人類能源危機(jī)的重要意義。 ◆ 教學(xué)重難點(diǎn) ◆ 【教學(xué)重點(diǎn)】 質(zhì)量虧損及愛因斯坦的質(zhì)能方程的理解。 【教學(xué)難點(diǎn)】 結(jié)合能的概念、愛因斯坦的質(zhì)能方程、質(zhì)量與能量的關(guān)系 ◆ 課前準(zhǔn)備 ◆ 多媒體教學(xué)設(shè)備一套：可供實(shí)物投影、放像、課件播放等。 ◆ 教學(xué)過程 （一）引入新課 -27kg，帶電量為元電荷 復(fù)習(xí)提問：氦原子核中有兩個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子質(zhì)量為 mp=1.67 ×10 e=1.6 ×10 -19C，原子核的直徑的數(shù)量級為 10-15m，那么兩個(gè)質(zhì)子之間的庫侖斥

4、力與萬有引力 兩者相差多少倍 ? 學(xué)生通過計(jì)算回答：兩者相差 10 36 倍 問：在原子核那樣狹小的空間里， 帶正電的質(zhì)子之間的庫侖斥力為萬有引力的 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去不知道的力，把核子束 縛在一起了呢 ?今天就來學(xué)習(xí)這方面的內(nèi)容，也就是第五節(jié)：核力與結(jié)合能 (板書) 點(diǎn)評：讓學(xué)生從熟悉的庫侖定律和萬有引力定律出發(fā)， 比較氦原子核中兩個(gè)質(zhì)子之間的 庫侖斥力與萬有引力的大小，產(chǎn)生強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突 ,進(jìn)而引入核力的概念。 （二）進(jìn)行新課 1．核力與四種基本相互作用 (板書 ) 點(diǎn)撥：20 世紀(jì)初人們只知道自然界存在著兩

5、種力： 一種是萬有引力， 另一種是電磁力 (庫 侖力是一種電磁力 )。在相同的距離上，這兩種力的強(qiáng)度差別很大。電磁力大約要比萬有引 力強(qiáng) 10 36 倍。 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抗衡相互間的庫侖斥力是不可 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 ,后來的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了科學(xué)家的猜測 . 問：那么核力有怎樣特點(diǎn)呢 ? 學(xué)生：閱讀教材核力的特點(diǎn)部分，討論、總結(jié)并回答核力特點(diǎn)： （1）核力是強(qiáng)相互作用 (強(qiáng)力)的一種表現(xiàn)。 -15 （2）核力是短程力，作用范圍

6、在 1.5 ×10 m 之內(nèi)。 （3）核力存在于核子之間，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。 教師總結(jié)： 除核力外， 核物理學(xué)家還在原子核內(nèi)發(fā)現(xiàn)了自然界的第四種相互作用 —弱相 互作用 (弱力)，弱相互作用是引起原子核 β 衰變的原因，即引起中子轉(zhuǎn)變質(zhì)子的原因。弱相 -18m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。 互作用也是短程力，其力程比強(qiáng)力更短，為 10 點(diǎn)評：通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，同時(shí)通過討論激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。 教師講述：四種基本相互作用力 弱力、強(qiáng)力、電磁力、引力和分別在不同的尺度上發(fā)揮作用： ①弱力（弱相互作用） ：弱相互作用是引起原

7、子核 β 衰變的原因 → 短程力 ②強(qiáng)力（強(qiáng)相互作用） ：在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在一起 →短程力 ③電磁力： 電磁力在原子核外， 電磁力使電子不脫離原子核而形成原子， 使原了結(jié)合成 分子，使分子結(jié)合成液體和固體。 → 長程力 ④引力：引力主要在宏觀和宇觀尺度上“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷” 。是引力使行星繞著恒星轉(zhuǎn)，并且 聯(lián)系著星系團(tuán)，決定著宇宙的現(xiàn)狀。 → 長程力 學(xué)生：閱讀課本左邊的閱讀內(nèi)容總結(jié)自然界的四種基本相互作用力及它們的作用范圍。 2．原子核中質(zhì)子與中子的比例 教師：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)。 引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材原子核中質(zhì)子與中子的比例部分及掛圖， 思考

8、兩個(gè)問題： 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？ 學(xué)生回答： 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。 引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材思考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)? 點(diǎn)評：提示學(xué)生從電磁力和核力的作用范圍去考慮。 總結(jié)： 若質(zhì)子與中子成對地人工構(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侖力，這個(gè)原子核就不穩(wěn)定了； 若

9、只增加中子， 中子與其他核子沒有庫侖斥力， 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)大到其間恨本沒有核力的作用， 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)定的原子核長久地留了下來。 3．結(jié)合能 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。 從實(shí)驗(yàn)知道只

10、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 . 原子核越大，它的結(jié)合能越高 , 因此有意義的是它的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合 能，也叫平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大 , 表示原子核中核子結(jié)合得越牢固 , 原子核越穩(wěn)定 . 點(diǎn)撥：那么如何求原子核的結(jié)合能呢 ?愛因斯坦從相對論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。 4．質(zhì)量虧損 （1）質(zhì)量虧損 講述： 科學(xué)家研

11、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 . 讓學(xué)生回顧質(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。 點(diǎn)評：質(zhì)量虧損與質(zhì)量與能量的關(guān)系是本節(jié)的難點(diǎn)。 學(xué)生很容易從字面上得出錯(cuò)誤結(jié)論： ①質(zhì)量就是能量、能量就是質(zhì)量，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化能量 , 能量可以轉(zhuǎn)化質(zhì)量。 ②在核反應(yīng)中不遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律 ; 2 （2）愛因斯

12、坦質(zhì)能方程： E＝mc 2 講述：相對論指出，物體的能量（ E）和質(zhì)量（ m）之間存在著密切的關(guān)系，即 E＝mc 式中， c 為真空中的光速。 愛因斯坦質(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 c 2 這個(gè)數(shù)值十分 巨大，因而物體的能量是十分可觀的。 2 （3）核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而 釋放 的能量： △E=△m c 講述：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？從 愛因斯坦質(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= 2. Δmc 單個(gè)的質(zhì)子、中子的質(zhì)量已經(jīng)精確測定。用質(zhì)譜儀或其他儀器測定某種原子

13、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。 點(diǎn)評：向?qū)W生指出以下幾點(diǎn)： 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)槟芰浚皇庆o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。 點(diǎn)撥：師生共同閱讀原子核的比結(jié)合能掛圖，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

14、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。 （ 鞏固練習(xí) ）已知 1 個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量 mp=1.007 277u，1 個(gè)中子的質(zhì)量 mn=1.008 665u.氦核 的質(zhì)量為 4.001 509 u. 這里 u 表示原子質(zhì)量單位， 1 u=1.660 566 × 10-27 kg. 由上述數(shù)值，計(jì) 算 2 個(gè)質(zhì)子和 2 個(gè)中子結(jié)合成氦核時(shí)釋放的能量。 （28.3MeV ） 學(xué)生： 學(xué)習(xí)課本例題，做鞏固練習(xí)， 加深對質(zhì)量虧損、原子核的結(jié)合能及比結(jié)合能的理 解 （三）課堂小結(jié) 根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程自然界中物體的

15、質(zhì)量和能量間存在著一定對應(yīng)關(guān)系： E=mc 2，可 見物質(zhì)世界貯藏著巨大能量， 問題是如何使貯藏的能量釋放出來。 人類以前利用的是燃料燃 燒時(shí)釋放的化學(xué)能。 在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)， 是原子外層電子的得失， 這種情況下人類獲取的能 量可以說屬于原子的“皮能” 。在核反應(yīng)時(shí)，可以產(chǎn)生較大一些的質(zhì)量虧損，從而使人類獲 得了大得多的能量，這里的變化屬于原子核的變化，相應(yīng)的能量稱作原子核能。換句話說， 即物體貯藏的能量是巨大的。 迄今為止， 人類所利用的能量還只是很小的一部分， 如果人類 在探索中能掌握新的方式， 以產(chǎn)生更大的質(zhì)量虧損， 也就必然能夠獲得更為可觀的能量， 這 對解決人類的能源危機(jī)具有重要意義。 （四）作業(yè)： 1、理解原子核的結(jié)合能的概念；理解質(zhì)量與能量的區(qū)別及它們之間的對應(yīng)關(guān)系； 2、完成課本后面的練習(xí) 1、2、3、4 ◆ 教學(xué)反思 略