核力和結(jié)合能教案

普通高中課程原則實(shí)驗(yàn)教科書—物理（選修3－5）[人教版]第十九章原子核新課標(biāo)規(guī)定1．內(nèi)容原則（1）懂得原子核的構(gòu)成。懂得放射性和原子核的衰變。會(huì)用半衰期描述衰變速度，懂得半衰期的統(tǒng)計(jì)意義。（2）理解放射性同位素的應(yīng)用。懂得射線的危害和防護(hù)。例1理解放射性在醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。例2調(diào)查房屋裝修材料和首飾材料中含有的放射性，理解有關(guān)的國標(biāo)。（3）懂得核力的性質(zhì)。能簡樸解釋輕核與重核內(nèi)中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)含有不同比例的因素。會(huì)根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷守恒寫出核反映方程。（4）認(rèn)識(shí)原子核的結(jié)合能。懂得裂變反映和聚變反映。關(guān)注受控聚變反映研究的進(jìn)展。（5）懂得鏈?zhǔn)椒从车陌l(fā)生條件。理解裂變反映堆的工作原理。理解慣用裂變反映堆的類型。懂得核電站的工作模式。（6）通過核能的運(yùn)用，思考科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系。例3思考核能開發(fā)帶來的社會(huì)問題。（7）初步理解恒星的演化。初步理解粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。例4理解加速器在核物理、粒子物理研究中的作用。2．活動(dòng)建議：（1）通過查閱資料，理解慣用的射線檢測辦法。（2）觀看有關(guān)核能運(yùn)用的錄像片。（3）舉辦有關(guān)核能運(yùn)用的科普講座。新課程學(xué)習(xí)19．5核力與結(jié)合能★新課標(biāo)規(guī)定（一）知識(shí)與技能1．懂得核力的概念、特點(diǎn)及自然界存在的四種基本互相作用；2．懂得穩(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，懂得核反映中的質(zhì)量虧損；4．懂得愛因斯坦的質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系。（二）過程與辦法1．會(huì)根據(jù)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念計(jì)算核反映中釋放的核能；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)踐是檢查真理的原則、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)和運(yùn)用核能對(duì)解決人類能源危機(jī)的重要意義?！锝虒W(xué)重點(diǎn)質(zhì)量虧損及愛因斯坦的質(zhì)能方程的理解?！锝虒W(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?！锝虒W(xué)辦法教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流?！锝虒W(xué)用品：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?！飳W(xué)時(shí)安排1學(xué)時(shí)★教學(xué)過程（一）引入新課復(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=1.67×10-27kg，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，那么兩個(gè)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(jì)算回答：兩者相差1036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懂得的力，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．核力與四種基本互相作用(板書)點(diǎn)撥：20世紀(jì)初人們只懂得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)。在相似的距離上，這兩種力的強(qiáng)度差別很大。電磁力大概要比萬有引力強(qiáng)1036倍?；谶@兩種力的性質(zhì)，原子核中的質(zhì)子要靠本身的引力來抗衡互相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互相作用存在，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)證明了科學(xué)家的猜想.問：那么核力有如何特點(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)互相作用(強(qiáng)力)的一種體現(xiàn)。（2）核力是短程力，作用范疇在1.5×10-15m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)了自然界的第四種互相作用—弱互相作用(弱力)，弱互相作用是引發(fā)原子核β衰變的因素，即引發(fā)中子轉(zhuǎn)變質(zhì)子的因素。弱互相作用也是短程力，其力程比強(qiáng)力更短，為10-18m，作用強(qiáng)度則比電磁力小。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)愛好。教師講述：四種基本互相作用力弱力、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（弱互相作用）：弱互相作用是引發(fā)原子核β衰變的因素→短程力②強(qiáng)力（強(qiáng)互相作用）：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?！L程力④引力：引力重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)自然界的四種基本互相作用力及它們的作用范疇。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)不不大于質(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)有如何的關(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)不不大于質(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)不不大于質(zhì)子數(shù)?點(diǎn)評(píng)：提示學(xué)生從電磁力和核力的作用范疇去考慮?？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。因此當(dāng)原子核增大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力局限性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，中子與其它核子沒有庫侖斥力，但有互相吸引的核力，因此有助于維系原子核的穩(wěn)定，因此穩(wěn)定的重原子核中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多。由于核力的作用范疇是有限的，以及核力的飽和性，若再增大原子核，某些核子間的距離會(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多個(gè)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，原子核是一種結(jié)實(shí)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，能夠使它分解為一種質(zhì)子和一種中子。從實(shí)驗(yàn)懂得只有當(dāng)光子能量等于或不不大于2.22MeV時(shí)，這個(gè)反映才會(huì)發(fā)生.相反的過程一種質(zhì)子和一種中子結(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取能量，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,因此故意義的是它的結(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,表達(dá)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，指出了求原子核的結(jié)合能的辦法。4．質(zhì)量虧損（1）質(zhì)量虧損講述：科學(xué)家研究證明在核反映中原子核的總質(zhì)量并不相等，例如精確計(jì)算表明：氘核的質(zhì)量比一種中子和一種質(zhì)子的質(zhì)量之和要小某些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損，質(zhì)量虧損只有在核反映中才干明顯的體現(xiàn)出來.讓學(xué)生回想質(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)量只是物體含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：①質(zhì)量就是能量、能量就是質(zhì)量，質(zhì)量能夠轉(zhuǎn)化能量,能量能夠轉(zhuǎn)化質(zhì)量。②在核反映中不恪守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律;（2）愛因斯坦質(zhì)能方程：E＝mc2講述：相對(duì)論指出，物體的能量（E）和質(zhì)量（m）之間存在著親密的關(guān)系，即E＝mc2式中，c為真空中的光速。愛因斯坦質(zhì)能方程表明：物體所含有的能量跟它的質(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。（3）核反映中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量：△E=△mc2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)能方程同樣能夠得出，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)精確測定。用質(zhì)譜儀或其它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(diǎn)評(píng)：向?qū)W生指出下列幾點(diǎn)：①物體的質(zhì)量涉及靜止質(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在核反映中仍然恪守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律;④質(zhì)量只是物體含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，指出中檔大小的核的比結(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。另首先如果使較重的核分裂成中檔大小的核，或者把較小的核合并成中檔大小的核，核子的比結(jié)合能都會(huì)增加，這樣能夠釋放能量供人使用。（鞏固練習(xí)）已知1個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量mp=1.007277u，1個(gè)中子的質(zhì)量mn=1.008665u.氦核的質(zhì)量為4.001509u.這里u表達(dá)原子質(zhì)量單位，1u=1.660566×10-27kg.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)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：E=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。人類以前運(yùn)用的是燃料燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能。在發(fā)生化學(xué)反映時(shí)，是原子外層電子的得失，這種狀況下人類獲取的能量能夠說屬于原子的“皮能”。在核反映時(shí)，能夠產(chǎn)生較大某些的質(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，對(duì)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，人類所運(yùn)用的能量還只是很小的一部分，如果人類