2022年高中物理 第四章4.4 《核力與結(jié)合能》教案 粵教版選修3-5

2022年高中物理 第四章4.4 核力與結(jié)合能教案 粵教版選修3-5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?。?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(ài)因斯坦的質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系。（二）過(guò)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(shù)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(jiàn)作用的能力；2認(rèn)識(shí)開(kāi)發(fā)和利用核能對(duì)解決人類(lèi)能源危機(jī)的重要意義。教學(xué)重點(diǎn)質(zhì)量虧損及愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程的理解。教學(xué)難點(diǎn)結(jié)合能的概念、愛(ài)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(guò)程（一）引入新課復(fù)習(xí)提問(wèn)：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(kù)侖斥力與萬(wàn)有引力兩者相差多少倍?學(xué)生通過(guò)計(jì)算回答：兩者相差1036倍問(wèn)：在原子核那樣狹小的空間里，帶正電的質(zhì)子之間的庫(kù)侖斥力為萬(wàn)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(guò)去不知道的力，把核子束縛在一起了呢?今天就來(lái)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(shū))點(diǎn)評(píng)：讓學(xué)生從熟悉的庫(kù)侖定律和萬(wàn)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(kù)侖斥力與萬(wàn)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(shū))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(wàn)有引力，另一種是電磁力(庫(kù)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。電磁力大約要比萬(wàn)有引力強(qiáng)1036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(lái)抗衡相互間的庫(kù)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(lái)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了科學(xué)家的猜測(cè). 問(wèn)：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)。（2）核力是短程力，作用范圍在1.5×10-15 m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。弱相互作用也是短程力，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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(wèn)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?？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。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(kù)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(méi)有庫(kù)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(méi)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(zhǎng)久地留了下來(lái)。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(guò)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(kāi)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(ài)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(lái). 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;（2）愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程： Emc2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Emc2式中， c為真空中的光速。愛(ài)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。 （3）核反應(yīng)中由于質(zhì)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(lái)？從愛(ài)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=mc2.單個(gè)的質(zhì)子、中子的質(zhì)量已經(jīng)精確測(cè)定。用質(zhì)譜儀或其他儀器測(cè)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)槟芰浚皇庆o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，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.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=1.660 566×10-27 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)根據(jù)愛(ài)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(jiàn)物質(zhì)世界貯藏著巨大能量，問(wèn)題是如何使貯藏的能量釋放出來(lái)。人類(lèi)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(lèi)獲取的能量可以說(shuō)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(lèi)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(shuō)，即物體貯藏的能量是巨大的。迄今為止，人類(lèi)所利用的能量還只是很小的一部分，如果人類(lèi)在探索中能掌握新的方式，以產(chǎn)生更大的質(zhì)量虧損，也就必然能夠獲得更為可觀的能量， 這對(duì)解決人類(lèi)的能源危機(jī)具有重要意義。（四）作業(yè)：1、理解原子核的結(jié)合能的概念；理解質(zhì)量與能量的區(qū)別及它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；2、完成課本后面的練習(xí)1、2、3、4教學(xué)體會(huì)思維方法是解決問(wèn)題的靈魂，是物理教學(xué)的根本；親自實(shí)踐參與知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵，離開(kāi)了思維方法和實(shí)踐活動(dòng)，物理教學(xué)就成了無(wú)源之水、無(wú)本之木。學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月。