2022年高中物理 第四章4.4 《核力與結合能》教案 粵教版選修3-5

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1、2022年高中物理 第四章4.4 核力與結合能教案 粵教版選修3-5新課標要求（一）知識與技能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知道穩(wěn)定原子核中質子與中子的比例隨著原子序數(shù)的增大而減??；3理解結合能的概念，知道核反應中的質量虧損；4知道愛因斯坦的質能方程，理解質量與能量的關系。（二）過程與方法1會根據(jù)質能方程和質量虧損的概念計算核反應中釋放的核能；2培養(yǎng)學生的理解能力、推理能力、及數(shù)學計算能力。（三）情感、態(tài)度與價值觀1使學生樹立起實踐是檢驗真理的標準、科學理論對實踐有著指導和預見作用的能力；2認識開發(fā)和利用核能對解決人類能源危機的重要意義。教學重點質量虧損及愛因斯坦的質

2、能方程的理解。教學難點結合能的概念、愛因斯坦的質能方程、質量與能量的關系。教學方法教師啟發(fā)、引導，學生討論、交流教學用具：多媒體教學設備一套：可供實物投影、放像、課件播放等。課時安排1 課時教學過程（一）引入新課復習提問：氦原子核中有兩個質子，質子質量為mp=1.6710-27kg，帶電量為元電荷e=1.610-19C，原子核的直徑的數(shù)量級為10-15m，那么兩個質子之間的庫侖斥力與萬有引力兩者相差多少倍?學生通過計算回答：兩者相差1036倍問：在原子核那樣狹小的空間里，帶正電的質子之間的庫侖斥力為萬有引力的1036倍，那么質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

3、核子束縛在一起了呢?今天就來學習這方面的內(nèi)容，也就是第五節(jié)：核力與結合能(板書)點評：讓學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子之間的庫侖斥力與萬有引力的大小，產(chǎn)生強烈的認知沖突,進而引入核力的概念。（二）進行新課1核力與四種基本相互作用(板書)點撥：20世紀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，這兩種力的強度差別很大。電磁力大約要比萬有引力強1036倍?；谶@兩種力的性質，原子核中的質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

4、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家的猜測. 問：那么核力有怎樣特點呢?學生：閱讀教材核力的特點部分，討論、總結并回答核力特點：（1）核力是強相互作用(強力)的一種表現(xiàn)。（2）核力是短程力，作用范圍在1.510-15 m之內(nèi)。（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，這種性質稱為核力的飽和性。教師總結：除核力外，核物理學家還在原子核內(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，即引起中子轉變質子的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比強力更短，為10-18m，作用強度則比電磁力小。點評：通過學生自主學習培養(yǎng)

5、學生的自學能力，同時通過討論激發(fā)學習興趣。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：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力（強相互作用）：在原子核內(nèi)，強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，使原了結合成分子，使分子結合成液體和固體。長程力引力：引力主要在宏觀和宇觀尺度上“獨領風騷”。是引力使行星繞著恒星轉，并且聯(lián)系著星系團，決定著宇宙的現(xiàn)狀。長程力 學生：閱讀課本左邊的閱讀內(nèi)容總結自然界的四種基本相互作用力及它們的作用范圍。2原子核中質子與中子的比例教師：隨著原子序數(shù)的增加，穩(wěn)定原子

6、核中的中子數(shù)大于質子數(shù)。引導學生閱讀教材原子核中質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)定原子核中的質子數(shù)和中子數(shù)有怎樣的關系？學生回答：隨著原子序數(shù)的增加，較輕的原子核質子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對于較重的原子核中子數(shù)大于質子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多。引導學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)大于質子數(shù)?點評：提示學生從電磁力和核力的作用范圍去考慮?？偨Y：若質子與中子成對地人工構建原子核，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。所以當原子核增大到一定程度時，相距較遠的質子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這

7、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)要比質子數(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200多種穩(wěn)定的原子核長久地留了下來。3結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。例如用強大的光子照射氘核，可以使它分解為一個質子和一個中子。 從實驗知道只有當光子能量等于或大于2.22MeV時，這個反應才

8、會發(fā)生.相反的過程一個質子和一個中子結合成氘核，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，核子結合成原子核要放出能量，這個能量叫做原子核的結合能.原子核越大，它的結合能越高,因此有意義的是它的結合能與核子數(shù)之比，稱做比結合能，也叫平均結合能。比結合能越大,表示原子核中核子結合得越牢固,原子核越穩(wěn)定.點撥：那么如何求原子核的結合能呢?愛因斯坦從相對論得出了物體能量與它的質量的關系，指出了求原子核的結合能的方法。4質量虧損（1）質量虧損講述：科學家研究證明在核反應中原子核的總質量并不相等，例如精確計算表明：氘核的質量比一個中子和一個質子的質量之和要小一些，這種現(xiàn)象叫做質量虧

9、損，質量虧損只有在核反應中才能明顯的表現(xiàn)出來. 讓學生回顧質量、能量的定義、單位，向學生指出質量不是能量、能量也不是質量，質量不能轉化能量，能量也不能轉化質量，質量只是物體具有能量多少及能量轉變多少的一種量度。點評：質量虧損與質量與能量的關系是本節(jié)的難點。學生很容易從字面上得出錯誤結論：質量就是能量、能量就是質量，質量可以轉化能量, 能量可以轉化質量。在核反應中不遵守質量守恒定律、能量守恒定律;（2）愛因斯坦質能方程： Emc2講述：相對論指出，物體的能量（E）和質量（m）之間存在著密切的關系，即Emc2式中， c為真空中的光速。愛因斯坦質能方程表明：物體所具有的能量跟它的質量成正比。由于c2

10、這個數(shù)值十分巨大，因而物體的能量是十分可觀的。 （3）核反應中由于質量虧損而釋放的能量：E=m c2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？從愛因斯坦質能方程同樣可以得出，物體的能量變化E與物體的質量變化m的關系：E=mc2.單個的質子、中子的質量已經(jīng)精確測定。用質譜儀或其他儀器測定某種原子核的質量，與同等數(shù)量的質子、中子的質量之和相比較，看一看兩條途徑得到的質量之差，就能推知原子核的結合能。點評：向學生指出以下幾點：物體的質量包括靜止質量和運動質量，質量虧損指的是靜止質量的減少，減少的靜止質量轉化為和輻射能量有關的運動質量。質量虧損并不是這部分質量消失或轉變

11、為能量，只是靜止質量的減少。在核反應中仍然遵守質量守恒定律、能量守恒定律;質量只是物體具有能量多少及能量轉變多少的一種量度。點撥：師生共同閱讀原子核的比結合能掛圖，指出中等大小的核的比結合能最大(平均每個核子的質量虧損最大)，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，核子的比結合能都會增加，這樣可以釋放能量供人使用。 （鞏固練習）已知1個質子的質量mp=1.007 277u，1個中子的質量mn=1.008 665u.氦核的質量為4.001 509 u. 這里u表示原子質量單位，1 u=1.660 56610-27 kg. 由上述數(shù)值，計算2個質子

12、和2個中子結合成氦核時釋放的能量。（28.3MeV）學生：學習課本例題，做鞏固練習，加深對質量虧損、原子核的結合能及比結合能的理解（三）課堂小結根據(jù)愛因斯坦質能方程自然界中物體的質量和能量間存在著一定對應關系：E=mc2，可見物質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能。在發(fā)生化學反應時，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”。在核反應時，可以產(chǎn)生較大一些的質量虧損，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具有重要意義。（四）作業(yè)：1、理解原子核的結合能的概念；理解質量與能量的區(qū)別及它們之間的對應關系；2、完成課本后面的練習1、2、3、4教學體會思維方法是解決問題的靈魂，是物理教學的根本；親自實踐參與知識的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學生能力的關鍵，離開了思維方法和實踐活動，物理教學就成了無源之水、無本之木。學生素質的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月。