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核力與核能教案

時(shí)間:2020-12-29 11:20:13 教案 我要投稿

核力與核能教案

  作為一名教師,就有可能用到教案,編寫教案助于積累教學(xué)經(jīng)驗(yàn),不斷提高教學(xué)質(zhì)量。那要怎么寫好教案呢?下面是小編整理的核力與核能教案,供大家參考借鑒,希望可以幫助到有需要的朋友。

核力與核能教案

  三維教學(xué)目標(biāo)

  1、知識與技能

  (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)的增大而減小;

  (3)理解結(jié)合能的概念,知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損;

  (4)知道愛因斯坦的質(zhì)能方程,理解質(zhì)量與能量的關(guān)系。

  2、過程與方法

  (1)會根據(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、及物理計(jì)算能力。

  3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀

  (1)使學(xué)生樹立起實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)理論對實(shí)踐有著指導(dǎo)和預(yù)見作用的能力;

  (2)認(rèn)識開發(fā)和利用核能對解決人類能源危機(jī)的重要意義。

  教學(xué)重點(diǎn):質(zhì)量虧損及愛因斯坦的質(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。

  (一)引入新課

  提問1:氦原子核中有兩個質(zhì)子,質(zhì)子質(zhì)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(zhì)子之間的庫侖斥力與萬有引力兩者相差多少倍?(兩者相差1036倍)

  提問2: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?會不會在原子核中有一種過去不知道的力,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。

  (二)進(jìn)行新課

  1、核力與四種基本相互作用

  提示:20世紀(jì)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(qiáng)度差別很大。電磁力大約要比萬有引力強(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抗衡相互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,后來的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了科學(xué)家的猜測。

  提問1:那么核力有怎樣特點(diǎn)呢?

  (1)核力特點(diǎn):

  第一、核力是強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)的一種表現(xiàn)。

  第二、核力是短程力,作用范圍在1.510-15 m之內(nèi)。

  第三、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(zhì)稱為核力的飽和性。

  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。

  (2)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:

  ①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;

  ②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;

 、垭姶帕Γ弘姶帕υ谠雍送,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 體和固體長程力;

 、芤Γ阂χ饕诤暧^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 。

  2、原子核中質(zhì)子與中子的比例

  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)。

  思考: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?(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)

  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)?

  提示:學(xué)生從電磁力和核力的作用范圍去考慮。

  總結(jié):

  若質(zhì)子與中子成對地人工構(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侖力,這個原子核就不穩(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(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多種穩(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,原子核是一個堅(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質(zhì)子和一個中子。

  從實(shí)驗(yàn)知道只有當(dāng)光子能量等于或大于2.22MeV時(shí),這個反應(yīng)才會發(fā)生。相反的過程一個質(zhì)子和一個中子結(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收能量,核子結(jié)合成原子核要放出能量,這個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。

  那么如何求原子核的結(jié)合能呢?愛因斯坦從相對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

  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)量比一個中子和一個質(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。

  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。

  (2)愛因斯坦質(zhì)能方程: E=mc2

  相對論指出,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:物體所具有的能量跟它的質(zhì)量成正比。由于c2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(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量:△E=△m c2

  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

  單個的質(zhì)子、中子的質(zhì)量已經(jīng)精確測定。用質(zhì)譜儀或其他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。

  說明:

  ①物體的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動質(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,只是靜止質(zhì)量的減少。

 、墼诤朔磻(yīng)中仍然遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律。

 、苜|(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。

  閱讀原子核的比結(jié)合能,指出中等大小的核的比結(jié)合能最大(平均每個核子的質(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)合能都會增加,這樣可以釋放能量供人使用。

  鞏固練習(xí)

  已知:1個質(zhì)子的質(zhì)量mp=1.007 277u,1個中子的質(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 56610-27 kg. 由上述數(shù)值,計(jì)算2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成氦核時(shí)釋放的能量。(28.3MeV)

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