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文檔簡介

1、19 5 核力與結(jié)合能 新課標(biāo)要求一)知識(shí)與技能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)的增大而減小;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。(二)過程與方法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。 (三)情感、態(tài)度與價(jià)值觀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(duì)實(shí)踐有著指導(dǎo)和預(yù)見作用的能 力;2認(rèn)識(shí)開發(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) 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

2、念、愛因斯坦的質(zhì)能方程、質(zhì)量與能量的關(guān)系。 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)備一套:可供實(shí)物投影、放像、課件播放等。課時(shí)安排1 課時(shí) 教學(xué)過程(一)引入新課m p=1.67-27 kg ,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 ×1036e=1.6 ×10-19 C ,原子核的直徑的數(shù)量級(jí)為 力兩者相差多少倍 ?10 -15 m ,那么兩個(gè)質(zhì)子之間的庫侖斥力與萬有引學(xué)生通過計(jì)算回答:兩者相差103610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

3、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(píng):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36萬有引力強(qiáng) 10 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

4、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 m 之內(nèi)。 ( 2 )核力是短程力,作用范圍在 1.5×10( 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 衰變的原因, 即引起中子轉(zhuǎn)變質(zhì)子的原因。 -

5、18m ,作用強(qiáng)度則比電磁力小。 弱相互作用也是短程力,其力程比強(qiáng)力更短,為10 點(diǎn)評(píng):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: 弱力(弱相互作用) :弱相互作用是引起原子核 衰變的原因 短程力 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 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

6、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(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。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(píng):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(duì)地人工構(gòu)建原子核,隨原子核

7、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

8、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 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(duì)論得出了物體能量與它的質(zhì)量的關(guān)系,指出了求原

9、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(píng):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: 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。 在核反應(yīng)中不遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律;

10、2( 2)愛因斯坦質(zhì)能方程:E mc講述: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E2 式中, c 為真空中的光速。mc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 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( 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: 2. E= mc 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核的質(zhì) 量,與同等數(shù)量的質(zhì)子、中

11、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(píng):向?qū)W生指出以下幾點(diǎn): 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。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。 在核反應(yīng)中仍然遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律 ; 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,

12、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. -27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 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(duì)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)E=mc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(duì)應(yīng)關(guān)系: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

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