教案第195678jie.docx
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教案第195678jie
第19．5节核力与结合能
教学目标
（一）知识与技能
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；
2．知道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．理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损；
4．知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。
（二）过程与方法
1．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；
2．培养学生的理解能力、推理能力、及数学计算能力。
（三）情感、态度与价值观
1．使学生树立起实践是检验真理的标准、科学理论对实践有着指导和预见作用的能力；
2．认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。
教学重点、难点、教学方法
★教学重点
质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解。
★教学难点
结合能的概念、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系。
★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。
★课时安排
1课时
教学过程
教师活动
（一）引入新课
复习提问：
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?
今天就来学习这方面的内容，也就是第五节：
核力与结合能（板书）
点评：
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）
点拨：
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。
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.
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1.5×10-15m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。
教师总结：
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。
点评：
通过学生自主学习培养学生的自学能力，同时通过讨论激发学习兴趣。
教师讲述：
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
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
教师：
随着原子序数的增加，稳定原子核中的中子数大于质子数。
引导学生阅读教材原子核中质子与中子的比例部分及挂图，思考两个问题：
随着原子序数的增加，稳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。
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?
点评：
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。
3．结合能
由于核子间存在着强大的核力，原子核是一个坚固的集合体。
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。
例如用强大的γ光子照射氘核，可以使它分解为一个质子和一个中子。
从实验知道只有当光子能量等于或大于2.22MeV时，这个反应才会发生.
相反的过程一个质子和一个中子结合成氘核，要放出2.22MeV的能量。
这表明要把原子核分开成核子要吸收能量，核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫做原子核的结合能.
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.
点拨：
那么如何求原子核的结合能呢?
爱因斯坦从相对论得出了物体能量与它的质量的关系，指出了求原子核的结合能的方法。
4．质量亏损
（1）质量亏损
讲述：
科学家研究证明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.
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。
点评：
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：
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
讲述：
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=△mc2
讲述：
物体贮藏着巨大的能量是不容置疑的，但是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。
点评：
向学生指出以下几点：
①物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量。
②质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质量的减少。
③在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律;
④质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。
点拨：
师生共同阅读原子核的比结合能挂图，指出中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。
另一方面如果使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，这样可以释放能量供人使用。
（巩固练习）已知1个质子的质量mp=1.007277u，1个中子的质量mn=1.008665u.氦核的质量为4.001509u.这里u表示原子质量单位，1u=1.660566×10-27kg.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
（三）课堂小结
根据爱因斯坦质能方程自然界中物体的质量和能量间存在着一定对应关系：
E=mc2，可见物质世界贮藏着巨大能量，问题是如何使贮藏的能量释放出来。
人类以前利用的是燃料燃烧时释放的化学能。
在发生化学反应时，是原子外层电子的得失，这种情况下人类获取的能量可以说属于原子的“皮能”。
在核反应时，可以产生较大一些的质量亏损，从而使人类获得了大得多的能量，这里的变化属于原子核的变化，相应的能量称作原子核能。
换句话说，即物体贮藏的能量是巨大的。
迄今为止，人类所利用的能量还只是很小的一部分，如果人类在探索中能掌握新的方式，以产生更大的质量亏损，也就必然能够获得更为可观的能量，这对解决人类的能源危机具有重要意义。
（四）作业：
教学反思：
板书设计：
学生活动：
.
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。
学生素质的培养就成了镜中花，水中月。
个性教案
第19．6节重核的裂变
（一）知识与技能
1．知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量。
2．知道什么是链式反应。
3．会计算重核裂变过程中释放出的能量。
4．知道什么是核反应堆。
了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点。
（二）过程与方法
1．通过对核子平均质量与原子序数关系的理解，培养学生的逻辑推理能力及应用
教学图像处理物理问题的能力。
2．通过让学生自己阅读课本，查阅资料，培养学生归纳与概括知识的能力和提出问题的能力。
（三）情感、态度与价值观
1．激发学生热爱科学、探求真理的激情，树立实事求是的科学态度，培养学生基本的科学素养，通过核能的利用，思考科学与社会的关系。
2．通过教学，让学生认识到和平利用核能及开发新能源的重要性。
3．确立世界是物质的，物质是运动变化的，而变化过程必然遵循能量守恒的观点。
★教学重点
1．链式反应及其释放核能的计算。
2．重核裂变的核反应方程式的书写。
★教学难点
通过核子平均质量与原子序数的关系，推理得出由质量数较大的原子核分裂成质量数较小的原子核释放能量这一结论。
★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。
★课时安排
1课时
★教学过程
学生活动：
个性教案
一）引入新课
教师：
大家都知道在第二次世界大战即将结束的时候，美国于1945年8月6日、9日先后在日本的广岛、长崎上空投下了两颗原子弹，刹那间，这两座曾经十分美丽的城市变成一片废墟．大家还知道目前世界上有少数国家建成了许多核电站，我国也相继建成了浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站等。
我想，现在大家一定想知道原子弹爆炸及核发电的原理，那么，我们这节课就来学习裂变，通过学习，大家就会对上述问题有初步的了解。
播放VCD光碟，展示原子弹爆炸的过程及原子弹爆炸后形成的惨景的片段。
学生：
观看原子弹爆炸的过程，并形成裂变能放出巨大能量的初步认识。
点评：
激发起学生主动探求知识的欲望，从而为下一步进行教学活动奠定一个良好的基础。
（二）进行新课
1．核裂变（fission）
提问：
核裂变的特点是什么？
让学生阅读课本核裂变部分内容，分小组讨论。
每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。
学生回答：
重核分裂成质量较小的核的反应，称为裂变。
教师总结：
重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变。
提问：
是不是所有的核裂变都能放出核能？
让学生阅读有关核子平均质量有补充材料。
分小组讨论。
每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。
学生回答：
只有核子平均质量减小的核反应才能放出核能。
点评：
有利于培养学生合作式学习的能力。
知识总结：
不是所有的核反应都能放出核能，有的核反应，反应后生成物的质量比反应前的质量大，这样的核反应不放出能量，反而在反应过程中要吸收大量的能量。
只有重核裂变和轻核聚变能放出大量的能量。
点评：
个人及小组的竞争，活跃课堂气氛，激活学生思维，增加学习的趣味性。
2、铀核的裂变
（1）铀核的裂变的一种典型反应。
提问：
铀核的裂变的产物是多样的，最典型的一种核反应方程式是什么样的？
让学生阅读课本核裂变部分内容
分小组讨论
每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。
学生回答：
（2）链式反应：
提问：
链式反应〔chainreaction〕是怎样进行的？
学生回答：
这种由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。
点评：
学生用自己的语言叙述，基本正确即可。
（3）临界体积（临界质量）：
提问：
什么是临界体积（临界质量）？
学生回答：
通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。
（4）裂变反应中的能量的计算。
裂变前的质量：
kg，
kg
裂变后的质量：
kg，
kg，
kg，
学生计算：
质量亏损：
kg，
J=201MeV
知识总结：
由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。
裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积。
铀核裂变的产物不同，释放的能量也不同。
3、核电站
提问：
核核反应堆各组成部分在核反应中起什么作用？
让学生阅读课本核电站部分内容，分小组讨论。
每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。
学生回答：
铀棒由浓缩铀制成，作为核燃料。
学生回答：
控制棒由镉做成，用来控制反应速度。
学生回答：
减速剂由石墨、重水或普通水（有时叫轻水）做成，用来跟快中子碰撞，使快中子能量减少，变成慢中子，以便让U235俘获。
学生回答：
冷却剂由水或液态的金属钠等流体做成，在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出，确保反应堆的安全。
学生回答：
水泥防护层用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，防止核辐射。
教师（提问）：
核能发电的优点、缺点？
学生回答：
优点：
①污染小；②可采储量大；③比较经济。
缺点：
①一旦核泄漏会造成严重的核污染；②核废料处理困难。
点评：
学生用自己的语言叙述，基本正确即可。
教师（补充）：
了解常用裂变反应堆的类型：
秦山二期、大亚湾二期是压水堆，秦山三期是沸水堆。
4、例题
例题1、下列核反应中，表示核裂变的是（）
A、
B、
C、
D、
分析：
核反应中有四种不同类型的核反应，它们分别是衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变。
其中衰变中有
衰变、
衰变等。
是
衰变，
是
衰变，
是人工转变，只的C选项是重核裂变。
学生回答：
解：
表示核裂变的是C
点评：
培养学生的扩散散性思维。
例题2、秦山核电站第一期工程装机容量为30万kW，如果1g铀235完全裂变时产生的能量为8.2
1010J，并且假定产生的能量都变成了电能，那么，每年要消耗多少铀235?
（一年按365天计算）
学生回答：
解：
核电站每天的发电量为W=Pt=3×108×24×3600J=2.592×1013J.
每年的发电量W总=365W=9.46×1015J而1g铀完全裂变时产生的能量为
8.2×1010J.
所以，每年消耗的铀的量为
点评：
培养学生推理及公式演算的能力。
注意速度单位的换算，运算过程中带单位运算。
适当进行爱国主义教育。
（三）课堂小结
通过本堂课的学习，主要让学生知道核裂变的概念，知道什么是链式反应，会计算重核裂变过程中释放出的能量，知道什么是核反应堆，了解核电站及核能发电的优缺点。
本堂课的学习主要采用让学生自学阅读、小组相互交流、师生共同概括，学生讨论等方式来组织教学，主要培养学生合作式学习的能力，自主学习的能力和习惯。
让学生树立实事求是的科学态度，培养学生基本的科学素养。
（四）作业：
★教学体会：
板书设计：
回顾已有的知识。
为新知识的生成做好准备。
.
通过实验观察和实验探究，理解
本节内容比较抽象，应让学生多思考、多总结、多归纳，体验知识的获得过程，加强对知识的理解。
让学生树立实事求是的科学态度，培养学生严谨、踏实的科学素养，通过核能的利用，思考科学与社会的关系。
。
引导学生根据理解自己做总结。
第19.7节核聚变
教学目标
（一）知识与技能
1．了解聚变反应的特点及其条件.
2．了解可控热核反应及其研究和发展.
3．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。
（二）过程与方法
通过让学生自己阅读课本，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力
（三）情感、态度与价值观
1．通过学习，使学生进一步认识导科学技术的重要性，更加热爱科学、勇于献身科学。
2．认识核能的和平利用能为人类造福，但若用于战争目的将给人类带来灾难，希望同学们努力学习，为人类早日和平利用核聚变能而作出自己的努力。
教学重点、难点、教学方法
★教学重点
聚变核反应的特点。
聚变反应的条件。
★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。
★课时安排
1课时
教学过程
教师活动
学生活动：
个性教案
（一）引入新课
教师：
1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功。
从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，我国仅用了两年零八个月。
前苏联用了四年，美国用了7年。
氢弹爆炸释放核能是通过轻核的聚变来实现的。
这节课我们就来研究聚变的问题.
学生：
学生认真仔细地听课
点评：
通过介绍我国第一氢弹爆炸，激发同学们的爱国热情。
（二）进行新课
1．聚变及其条件
提问：
请同学们阅读课本第一段，回答什么叫轻核的聚变？
学生仔细阅读课文
学生回答：
两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变。
投影材料一：
核聚变发展的历史进程［1］
提问：
请同学们再看看比结合能曲线（图19.5-3），想一想为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？
让学生了解聚变的发展历史进程。
学生思考并分组讨论、归纳总结。
学生回答：
因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大
点评：
学生阅读课本，回答问题，有助于培养学生的自学能力。
教师归纳补充：
（1）氢的聚变反应：
21H+21H→31He+11H+4MeV、
21H+31H→42He+10n+17.6MeV
（2）释放能量：
ΔE＝Δmc2＝17.6MeV，平均每个核子释放能量3MeV以上，约为裂变反应释放能量的3～4倍
提问：
请同学们试从微观和宏观两个角度说明核聚变发生的条件？
学生阅读教材，分析思考、归纳总结并分组讨论。
得出结论
微观上：
参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。
宏观上：
要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温。
点评：
从宏观和微观两个角度来考虑核聚变的条件，有助于加深理解。
教师说强调：
聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去，在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。
教师补充说明：
（1）热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。
太阳每秒释放的能量约为3.8×1026J，地球只接受了其中的二十亿分之一。
太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。
它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。
科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。
当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！
教师：
希望同学们课后查阅资料，了解更多的太阳能有关方面的知识及其应用。
（2）上世纪四十年代，人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹，氢弹是利用热核反应制造的一种在规模杀伤武器，在其中进行的是不可控热核反应，它的威力是原子弹的十几倍。
提问：
氢弹爆炸原理是什么？
学生阅读教材：
课本图19.7-1是氢弹原理图，它需要用原子炸药来引爆，以获得热核反应所需要的高温，而这些原子炸药又要用普通炸药来点燃。
［教师点拨］
［录像］氢弹的构造简介及其爆炸情况。
根据你收集的资料，还能通过什么方法实现核聚变？
学生回答：
日英开发出激光核聚变新方法、有人提出利用电解重水的方法实现低温核聚变。
点评：
学生自学看书，自己归纳总结，
有助于培养学生分析问题、解决问题的能力，逐步提高学生的归纳总结能力。
2．可控热核反应
（1）聚变与裂变相比有很多优点
提问：
目前，人们还不能控制核聚变的速度，但科学家们正在努力研究和尝试可控热核反应，以使核聚变造福于人类。
我国在这方面的研究和实验也处于世界领先水平。
请同学们自学教材，了解聚变与裂变相比有哪些优点？
投影材料二[2]：
可控热核反应发展进程
例：
一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是21H+31H→42He+10n，其中氘核的质量：
mD=2.014102u、氚核的质量：
mT=3.016050u、氦核的质量：
mα=4.002603u、中子的质量：
mn=1.008665u、1u=1.6606×10-27kg，e=1.6022×10-19C，请同学们求出该核反应所释放出来的能量。
学生计算：
根据质能方程，释放出的能量为：
教师点拔：
平均每个核子放出的能量约为3.3MeV，而铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。
总结：
聚变与裂变相比，这是优点之一，即轻核聚变产能效率高。
教师点拔：
常见的聚变反应：
21H+21H→31He+11H+4MeV、21H+31H→42He+10n+17.6MeV。
在这两个反应中，前一反应的材料是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反应的产物，所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成部分，在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的。
从这个意义上讲，轻核聚变是能源危机的终结者。
总结：
聚变与裂变相比，这是优点之二，即地球上聚变燃料的储量丰富。
如1L海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L汽油。
聚变与裂变相比，优点之三，是轻核聚变反应更为安全、清洁。
实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。
另外，氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂就所生成的废物的数量少，容易处理。
（2）我国在可控热核反应方面的研究和实验发展情况。
EAST全超导托卡马克实验装置以探索无限而清洁的核聚变能源为目标，这个装置也被通称为“人造太阳”，能够像太阳一样给人类提供无限清洁的能源。
目前，由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置大部件已安装完毕，进入抽真空降温试
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