【教學(xué)設(shè)計】《核力與結(jié)合能》(人教版)

1、普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理選修選修3-5人民救有出鷲社 噪程貌材研剜i i輪著詢購課理敕材研究幵發(fā)中心核力與結(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) 子和中子可以有機地組成一個穩(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，注意引導(dǎo)學(xué)生物理必修 1 1第三章第 1 1 節(jié)的知識，同時突出科學(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，首先注意讀懂教科書圖19.5-219.5-2 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)典的動力學(xué)理論

2、，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，“結(jié)合能”的教學(xué)實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，也是重點，注意結(jié)合教科書的例題和教科書圖 19.5-319.5-3 講清楚其物理意義。教學(xué)目標(biāo) 【知識與能力目標(biāo)】1 1 知道核力的概念、特點及自然界存在的四種基本相互作用；2 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 3 理解結(jié)合能的概念，知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損；4 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?！具^程與方法目標(biāo)】1 1 會根據(jù)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念計算核反應(yīng)中釋放的核能；2 2 培養(yǎng)學(xué)生

3、的理解能力、推理能力、及數(shù)學(xué)計算能力?！厩楦袘B(tài)度價值觀目標(biāo)】1 1 使學(xué)生樹立起實踐是檢驗真理的標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)理論對實踐有著指導(dǎo)和預(yù)見作用的能力；2 2 認(rèn)識開發(fā)和利用核能對解決人類能源危機的重要意義。教學(xué)重難點-【教學(xué)重點】質(zhì)量虧損及愛因斯坦的質(zhì)能方程的理解?！窘虒W(xué)難點】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：可供實物投影、放像、課件播放等。教學(xué)過程JJ（一）引入新課復(fù)習(xí)提問：氦原子核中有兩個質(zhì)子，質(zhì)子質(zhì)量為m mp=1.67=1.67 0 0-27kgkg，帶電量為元電荷e=1.6e=1.6 1010-19C C,原子核的直徑的數(shù)量級為1010-15m

4、m，那么兩個質(zhì)子之間的庫侖斥力與萬有引力兩者相差多少倍？學(xué)生通過計算回答：兩者相差 101036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101036倍，那么質(zhì)子為什么能擠在一起而不飛散? ?會不會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質(zhì)子之間的庫侖斥力與萬有引力的大小，產(chǎn)生強烈的認(rèn)知沖突, ,進而引入核力的概念。（二）進行新課1 1核力與四種基本相互作用 （板書 ）點撥：2020 世紀(jì)初人們只知道自然界存在著兩種

5、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，這兩種力的強度差別很大。電磁力大約要比萬有引 力強 101036倍?；谶@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, ,后來的實驗證實了科學(xué)家的猜測 . .問：那么核力有怎樣特點呢 ? ? 學(xué)生：閱讀教材核力的特點部分，討論、總結(jié)并回答核力特點：（1 1）核力是強相互作用 （強力 ）的一種表現(xiàn)。（2 2）核力是短程力，作用范圍在1.51.5 XI0XI

6、0-15m m 之內(nèi)。（ 3 3）核力存在于核子之間，每個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3衰變的原因，即引起中子轉(zhuǎn)變質(zhì)子的原因。弱相 互作用也是短程力，其力程比強力更短，為1010-18m m，作用強度則比電磁力小。點評：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子核3衰變的原因T短程力2強力（強相互作用

7、）：在原子核內(nèi)，強力將核子束縛在一起T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。T長程力4引力：引力主要在宏觀和宇觀尺度上“獨領(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，決定著宇宙的現(xiàn)狀。T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 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，思考兩個問題： 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)

8、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)? ?點評：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， 相距較遠的質(zhì) 子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定了；若只增加中子， 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

9、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 離會大到其間恨本沒有核力的作用， 這時候再增加中子， 形成的核也一定是不穩(wěn)定的。 因此 只有 200200 多種穩(wěn)定的原子核長久地留了下來。3 3結(jié)合能 由于核子間存在著強大的核力，原子核是一個堅固的集合體。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。 例如用強大的丫光子照射氘核，可以使 它分解為一個質(zhì)子和一個中子。從實驗知道只有當(dāng)光子能量等于或大于 2.22MeV2.22MeV 時，這個反應(yīng)才會發(fā)生 . . 相反的過程一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成氘核，要放出 2.22MeV2.22

10、MeV 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 4質(zhì)量虧損（ 1 1）質(zhì)量虧損講述：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，例如精確計算表明： 氘核的質(zhì)量比一個中子和一個質(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)

11、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。點評：質(zhì)量虧損與質(zhì)量與能量的關(guān)系是本節(jié)的難點。 學(xué)生很容易從字面上得出錯誤結(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）愛因斯坦質(zhì)能方程：E=mC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

12、正比。由于 巨大，因而物體的能量是十分可觀的。（3 3）核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而 釋放的能量：= =m m c 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= =mc.單個的質(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。點評：向?qū)W生指出以下幾點：1物體的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運動質(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)的運動質(zhì)量。2質(zhì)量虧損并不是

13、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。點撥：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)合能都會增加，這樣可以釋放能量供人使用。（鞏固練習(xí)）已知 1 1 個質(zhì)子的質(zhì)量 m mp=l.007=l.007 277u277u, 1 1 個中子的質(zhì)量 m mn=1.008=1.008 665u.665u.氦核 的質(zhì)量為 4.0014.001

14、 509509 u.u.這里 u u 表示原子質(zhì)量單位，1 1 u=1.660u=1.660 566566X1010-27kg.kg.由上述數(shù)值，計 算 2 2 個質(zhì)子和 2 2 個中子結(jié)合成氦核時釋放的能量。（28.3MeV28.3MeV ）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質(zhì)量和能量間存在著一定對應(yīng)關(guān)系：E=mcE=mc2，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釋放的化學(xué)能。在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，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，可以產(chǎn)生較大一些的質(zhì)量虧損，從而使人類獲 得