课题研究第二课时教案

第19【教学目标】

章核能及其转化专题

1．知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用；能用已学的力学知识理解核力；

2．知道并理解稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小；

3．理解结合能、比结合能的概念，会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能；

4．知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。

5．能从比结合能和质量亏损来理解核反应过程中核能的变化，理解与解释核裂变和聚变过程能量的释放。

【教学重点】1、理解核力及原子核的稳定性；

2、质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解。

3、核能转化原理及方法

【教学难点】

1、比结合能的概念；

2、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系；

3、核反应过程中核能的变化；

【教学方法】教师启发、引导，学生讨论、交流

【教学用具】多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。

【教学设计及说明】

巧设问题，体现物理思维，追求实效，提升核心素养

本节课整体设计是以三个问题为线索而展开教学的，全节为此分为三个阶段。

第一阶段以氢弹、原子弹爆炸的视频及相关图片引出整节课的核能的课题，激发学生的兴趣。继而通过对前面核反应的复习，引出本节要解决的第一个问题，即“在原子核狭小的空间里，带正电的质子为什么能挤在一起而不飞散？或者说：核子靠什么力结合成原子核？”。通过提供相关数据引导学生对库仑力的大小进行计算和讨论，得出核子之间必然存在另外一个强大的短距力---核力。继而又通过提供相关核力的相关特点、原子核中质子与中子的比例（见附图1）等材料后，抛出要提升应用能力的两个问题：一稳定核的质子与中了数的关系有什么特点？二为什么会这样，怎样解释？学生通过识图获得信息，通过分组思考讨论提升对核力特点的认识和理解，通过这样一个过程使学生真正认识和理解核力这样一个全新的强相互作用力的特点。更重要的是通过设疑既掌握了教材中核力这样一个抽象难懂的物理知识，又提升学生获取图

1稳定核的质子数与中信息，抽象分析，综合应用等物理核心素养。

子数的关系

第二阶段以问题二“原子核的巨大能量哪里来？”设问，第1页

提供相关的三个材料:1.质能方程；2.质量亏损；3.力做功和能的关系？引导学生通过独立思考、小组合作，讨论分享，解决本节的第二个难点问题---核能、结合能、比结合能三个概念。使学生理解核反应过程中由于核力做功，出现质量亏损，必然伴随能量的转化，这就是核反应能量的来源，进一步提炼出结合能和比结合能等核心概念。同时为提升课堂上的高效性，实用性，期间贯穿了相关例题的计算，通过具体的数据使学生有一些感性的认识，提升物理必要的核心计算能力。

之后，抛出第三个问题“怎样使原子核能量释放出来呢？”仍旧提供两组材料：一是原子核的比结合能图象（如图19-5-3）；二是各元素核子平均质量的图象（如图3）。再从通过思考、分析，讨论，小组协作从材料中发现规律，结合比结合能和质量亏损知识，从二个角度提炼出实现核能转化的二种方式：重核裂变和轻核的聚变，使这两个反应的学习水到渠成，了势如破竹，实现对这两种转变实质的高效学习及相关知识的了解。

三个问题的设计以经典力学为主要依据，层层推进，环环相扣的，改变死记硬背的学习方式，渗透思维学习，体现出物理的思维之美，逻辑之美，对于较难但要求不太高的近代物理学的学习，我认为是有效的，也比较符合学生物理思维实际的。

从教学方式上是以学生独立思考，小组讨论，合作分享为主要活动方式，充分发挥学生的主体作用，也是有积极意义的。

从内容上看，整合了教材中三节的教学内容，重点核力和结合能，但重要的围绕核能的而转开，为后面的核聚变和核裂变打下了扎实基础，因此应该是适合高三理科选修内容的大容量的，是高效的学习目标的。其中现代多媒体的运用也功不可没，要发挥较大作用。

【教学过程】

（一）

引入新课

1、

播放原子弹、氢弹的视频和图片；

2、

复习提问：1、已经学过的核反应有哪些类型？

1、核反应基本上可分为两大类：

一是自然衰变（天然放射性衰变），

238

921474U234Th902He

94121Be4HeC260n

二是人工衰变（人工转变）

171N4HeO281H2、原子核是由哪些组成？

原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子

3、

设疑：

问题一：在原子核狭小的空间里，带正电的质子为什么能挤在第2页

一起而不飞散？或者说：核子靠什么力结合成原子核？

相关数据信息：氦原子核中有两个质子，质子质量为mp=1.67×10-27kg，带电量为元电荷e=1.6×10-19C，原子核的直径的数量级为10-15m，那么两个质子之间的库仑斥力与万有引力两者相差多少倍? 学生通过计算回答：两者相差1036倍

问：在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子之间的库仑斥力为万有引力的1036倍，那么质子为什么能挤在一起而不飞散?会不会在原子核中有一种过去不知道的力，把核子束缚在一起了呢? 让学生从熟悉的库仑定律和万有引力定律出发，比较氦原子核中两个质子之间的库仑斥力与万有引力的大小，产生强烈的认知冲突,进而引入核力的概念。

（二）进行新课

1．核力与四种基本相互作用(板书) 学生分组讨论：20世纪初人们只知道自然界存在着两种力：一种是万有引力，另一种是电磁力(库仑力是一种电磁力)。在相同的距离上，这两种力的强度差别很大。电磁力大约要比万有引力强1036倍。基于这两种力的性质，原子核中的质子要靠自身的引力来抗衡相互间的库仑斥力是不可能的。

学生阅读部分教材，然后教师引导并归纳：总结核物理学家猜想，原子核里的核子间有第三种相互作用存在，即存在着一种核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核,后来的实验证实了科学家的猜测.

1、

核力：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力．

问：那么核力有怎样特点呢? 学生：阅读教材核力的特点部分，讨论、总结并回答

2、

核力特点：

（1）核力是强相互作用(强力)的一种表现。

（2）核力是短程力，作用范围在1.5×10-15 m之内。

（3）核力存在于核子之间，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。

教师介绍：除核力外，核物理学家还在原子核内发现了自然界的第四种相互作用—弱相互作用(弱力)，弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子转变质子的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10-18m，作用强度则比电磁力小。

教师简单讲述：（适当拓展关于夸克知识）

3、四种基本相互作用力；

弱力、强力、电磁力、引力和分别在不同的尺度上发挥作用：

①弱力（弱相互作用）：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因→短程力

②强力（强相互作用）：在原子核内，强力将核子束缚在一起→短程力

第3页

③电磁力：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原了结合成分子，使分子结合成液体和固体。→长程力

④引力：引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状。→长程力

学生：阅读课本左边的阅读内容总结自然界的四种基本相互作用力及它们的作用范围。

2．原子核中质子与中子的比例

资料1、原子核中质子与中子的比例

教师：随着原子序数的增加，稳定原子核中的子数大于质子数。

引导学生阅读教材原子核中质子与中子的比部分及挂图，思考两个问题：随着原子序数的增加，定原子核中的质子数和中子数有怎样的关系？

学生回答：随着原子序数的增加，较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多

问：为什么会这样呢？

引导学生阅读教材思考为什么随着原子序数的增加，稳定原子核中的中子数大于质子数?学生分组讨论然后总结得出解释：

原子核中的质子数又称为原子序数，这是因为它与元素周期表中元素的排列序号一致。排在周期表比较靠后的元素对应的原子核叫重核，排在比较靠前的叫轻核。

一般排在周期表最前面的轻核的质子和中子数相等(N=Z)。

例如：氦4的原子核有2个质子和2个中子，硅28各有14个质子和中子。

但是大多数重核是中子多于质子。

例如，金197有79个质子和108个中子，铀的238有92个质子和146个中子，排在83号元素铋之后的原子核都不稳定，它们自动分解或衰变成更轻的原子核。

排在第92号元素铀之后的原子核十分不稳定，无法在自然状态下存在。如第94号元素钚是人工制造出来的，主要用于核武器，在宇宙中尚无法找到。自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。

提示：提示学生从电磁力和核力的作用范围去考虑。

总结：若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快。所以当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了；

若只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多。

由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距例稳中第4页

离会大到其间恨本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。因此只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。

问：前面的视频和图片显示，无论是原子弹还氢弹都释放出巨大的能量那么

问题二：原子核的巨大能量哪里来？

材料1、1、质量亏损

中子的质量

=1.6749×10－27Kg

质子的质量

= 1.6726×10－27Kg

中子和质子的质量和

= 3.3475×10－27Kg

氘核的质量

= 3.3436×10－27Kg

质量差

= 0.0039×10－27Kg 材料2、质能方程

爱因斯坦质能方程

E=mc2

式中c是真空中的光速，m是物体的质量，E是物体的能量。

材料3、力、功与能

由于核子间存在着强大的核力，所以核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化

下结论。

3．结合能

1、要把原子核分开成（此过程中核力做负功）核子要吸收能量，核子结合成原子核（此过程核力做正功）要放出能量，我们称之为原子核的结合能

2、原子核越大，它的结合能越高,因此有意义的是它的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定. 4．质量亏损

（1）质量亏损

在核反应中原子核的总质量并不相等，例如精确计算表明：氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫做质量亏损，

质量亏损只有在核反应中才能明显的表现出来.

提示：让学生回顾质量、能量的定义、单位，向学生指出质量不是能量、能量也不是质量，质量不能转化能量，能量也不能转化质量，质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。质量亏损与质量与能量的关系是本节的难点。

学生很容易从字面上得出错误结论，注意辨析，引导学生讨论否则之：

例如：102112n1H1H1H11H0n师生通过阅读以上相关材料，结合已有力学概念核力要做功的相关知识推理，获得以第5页

①质量就是能量、能量就是质量，质量可以转化能量, 能量可以转化质量。

②在核反应中不遵守质量守恒定律、能量守恒定律; （2）爱因斯坦质能方程：

E＝mc2

相对论指出，物体的能量（E）和质量（m）之间存在着密切的关系，即E＝mc2式中，

c为真空中的光速。

爱因斯坦质能方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c2这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的。

（3）核反应中由于质量亏损而释放的能量：△E=△m c2 问：如何使这样巨大的能量释放出来？

从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化△E与物体的质量变化△m的关系：△E=Δmc2.

单个的质子、中子的质量已经精确测定。用质谱仪或其他仪器测定某种原子核的质量，与同等数量的质子、中子的质量之和相比较，看一看两条途径得到的质量之差，就能推知原子核的结合能。

思考讨论：

第一、能量以什么形式释放？

第二、质量守恒还是质量数守恒？

第三、质量亏损了，到哪去了？

第四、核反应释放的能量有多大？

第五、与化学能相比呢？

讨论得出：

（4）注意事项：

第一.核反应过程中:

核子结合成原子核时，新核质量小于核子的质量(质量亏损)，同时以光子形式

释放核能；原子核分解为核子时，需要吸收一定能量，核子的总质量大于原原子核的质量. 第二核反应过程中，质量亏损时，核子个数不亏损(即质量数守恒)，可理解为组成原子核后，核内每个核子仿佛“瘦了”一些。

第三.质量亏损并非质量消失，而是减少的质量守恒定律不被破坏。

第四.公式ΔE=Δm·c2 的单位问题

1、国际单位：2、常用单位：用“kg” C用“m/s”

ΔE用“J”

用“u(原子质量单位)”

以能量形式辐射(动质量)，因此质量

1u=1.660566×10-27kg

ΔE用“uc2”

ΔE =1uc2=931MeV

(表示1u 的质量变化相当于931Me V的能量改变) 第6页

第五.核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸收的能量大好几个数量级。

当然，2.19MeV的能量的绝对数量并不算大，但这只是组成1个氘核所放出的能量。如果组成的是6.02×1023个氘核时，放出的能量就十分可观了。与之相对照的是，使1摩的碳完全燃烧放出的能量为393.5×103J. 折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过4eV。若跟上述核反应中每个原子可能放出的能量相比，两者相差数十万倍。

巩固练习）已知1个质子的质量mp=1.007 277u，1个中子的质量mn=1.008 665u.氦核的质量为4.001 509 u. 这里u表示原子质量单位，1 u=1.660 566×10-27 kg. 由上述数值，计算2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量。（28.3MeV）

学生：学习课本例题，做巩固练习，加深对质量亏损、原子核的结合能及比结合能的理解

问题三：怎样使原子核能量释放出来呢？

分析以下资料得出，核反应释放能量的两种方式。

材料1：原子核的比结合能

材料2：研究表明：原子核的质量虽然随着原子序数的增大而增大，但是二者之间并不成正比关系，其核子的平均质量与原子序数有如图的关系：

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资料3：核反应

材料4、铀核的裂变

材料5、链式反应

第8页

重核裂变可以从两个数据分析得出为什么会获得强大能量；从核子的平均质量来看，裂变过程中存在质量亏损，可以用质能方程理解；另一个角度可以从比结合能的角度看，重核的比结合能较小，当分裂为中等核时比结合能变大，会释放新的能量；

轻核聚变同样可以从两个数据分析得出为什么会获得强大能量；从核子的平均质量来第9页

看，聚变过程中存在质量亏损，可以用质能方程理解；另一个角度可以从比结合能的角度看轻核的比结合能较小，当分裂为中等核时比结合能变大，会释放新的能量；

（三）课堂小结

（四）作业

1、阅读后面重核裂变和氢核的聚变等教材；

2、完成课本后面的练习1、2、3、4

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