物理第4章核能4.1核力與核能教案魯科版選修

1、第1節(jié)核力與核能課標要求知識與技能1.知道什么是核力，了解核力的特點2認識原子核的結合能和質(zhì)量虧損3能應用質(zhì)能方程進行計算過程與方法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.課標解讀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了解核素的核素圖，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了解結合能平均結合能的概念，知道兩種釋放核能的方式，知道核反應中的質(zhì)量虧損4知道愛因

2、斯坦的質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量是“對應”關系而不是“轉(zhuǎn)化”關系教學地位本節(jié)是本章的第一節(jié)內(nèi)容，可先通過有關核能的新聞報道或太陽中核反應對地球的作用，以及原子彈、核電站對人類生活的影響等激發(fā)學生的興趣告訴學生核能的兩種釋放方法，從而導入核力概念，講解核素、結合能、平均結合能，掌握愛因斯坦質(zhì)能方程并能進行計算告訴學生全章結構以及本節(jié)和其他章節(jié)的關系通過對核素圖的分析，讓學生掌握核素圖的特點，了解輕核聚變和重核裂變都是核能的釋放方式，并使學生建立物理學習和研究科學的方法.新課導入建議問題導入提問1：氦原子核中有兩個質(zhì)子，質(zhì)子質(zhì)量為mp1.671027kg，帶電量為元電荷e1.61019C，原子核的直

3、徑的數(shù)量級為1015 m，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？今天就來學習這方面的內(nèi)容教學流程設計eq x(課前預習安排：1.看教材2.填寫【課前自主導學】同學之間可進行討論)eq x(步驟1：導入新課，本節(jié)教學地位分析)eq x(步驟2：老師提問，檢查預習效果可多提問幾個學生)eq x(步驟3：師生互動完成“探究1”除例1外可再變換命題角度，補充一個例題以拓展學生思路)eq x(

4、步驟7：指導學生完成【當堂雙基達標】，驗證學習情況)eq x(步驟6：完成“探究3”重在講解規(guī)律方法技巧)eq x(步驟5：師生互動完成“探究2”方式同完成探究1相同)eq x(步驟4：讓學生完成【遷移應用】，檢查完成情況并點評)步驟8：先由學生自己總結本節(jié)的主要知識，教師點評，安排學生課下完成【課后知能檢測】課標解讀重點難點1.知道什么是核力，了解核力的特點2認識核素圖及原子核的結合能和質(zhì)量虧損3能應用質(zhì)能方程進行計算.1.核素圖的物理意義(重點)2核能的計算(重點)3. 對結合能、平均結合能的理解(難點)核力與核的穩(wěn)定性1.基本知識(1)核力把原子核中的核子維系在一起的力(2)核力特點核力

5、是短程力，作用范圍在2_fm(1 fm1015 m)左右，它不能延伸到3_fm以外當兩核子間距離減小時，核力也迅速減小，至一定值時，核力表現(xiàn)為斥力核力是一種強相互作用，若兩質(zhì)子之間的距離為1 fm，庫侖力是200_N左右，核力必須非常強才能抵消所有質(zhì)子庫侖力的作用(3)核素具有一定數(shù)目質(zhì)子和一定數(shù)目中子的一種原子(4)核素圖用橫坐標表示質(zhì)子數(shù)，縱坐標表示中子數(shù)，每一種核素用一小方塊表示，所得到的圖象(5)核的穩(wěn)定性核素的穩(wěn)定區(qū)：幾乎全落在一條曲線上，或緊靠曲線的兩側區(qū)域穩(wěn)定核素的中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)的關系：隨著Z的增加，穩(wěn)定核素的中子數(shù)越來越大于質(zhì)子數(shù)2思考判斷(1)原子核內(nèi)的質(zhì)子間均存在核力和庫侖

6、力()(2)穩(wěn)定原子核的質(zhì)子數(shù)總是與中子數(shù)相等()(3)對質(zhì)子數(shù)較多的原子核，其中的中子數(shù)起到增加核力、維系原子核穩(wěn)定的作用()3探究交流原子核是由中子和質(zhì)子組成的，在原子核狹小的空間里，帶正電的質(zhì)子為什么能擠在一起而不飛散？【提示】組成原子核的相鄰的核子間存在核力結合能與質(zhì)量虧損1.基本知識(1)結合能核子結合成原子核所釋放的能量(2)平均結合能定義：平均每個核子的結合能意義：平均結合能越大，原子核越難分離成單個核子(3)質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損：任何一個原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和，這一差值稱為質(zhì)量虧損能量計算：質(zhì)量虧損說明核子組成原子核放出能量，其大小為Emc2.2思考判斷(1

7、)原子核的核子數(shù)越多，平均結合能越大()(2)質(zhì)量虧損是因為這部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量()3探究交流有人認為質(zhì)量虧損就是核子的個數(shù)變少了，這種認識對不對？【提示】不對在核反應中質(zhì)量數(shù)守恒即核子的個數(shù)不變，只是核子組成原子核時，仿佛變“輕”了一些，原子核的質(zhì)量總是小于其全部核子質(zhì)量之和，即發(fā)生了質(zhì)量虧損，核子的個數(shù)并沒有變化.對結合能與平均結合能的理解【問題導思】1原子核越大越穩(wěn)定嗎？2結合能是原子核具有的能量嗎？3平均結合能和結合能存在什么關系？1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

8、使它分解為一個質(zhì)子和一個中子從實驗知道只有當光子能量等于或大于2.19 MeV時，這個反應才會發(fā)生同樣，一個質(zhì)子和一個中子結合成氘核，要放出2.19 MeV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2結合能和平均結合能原子核是核子結合在一起構成的，要把核子分開，就需要能量，這就是原子核的結合能結合能的大小可以用Emc2進行計算對某種原子核，平均每個核子的結合能就是平均結合能平均結合能的大小可以用eq f(E,N)得到(1)平均結合能的大小反映核的穩(wěn)定程度，平均結合能越大，原子核就越難拆開，表示原子核越穩(wěn)定(2)核子數(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大

9、的重核，平均結合能都比較小，中等核子數(shù)的原子核平均結合能較大(3)平均結合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成平均結合能較大的原子核時要釋放能量原子核越大，它的結合能越高，有意義的是它的結合能與核子數(shù)之比，稱為平均結合能，平均結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定下列關于結合能和平均結合能的說法中，正確的是()A核子結合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結合能B平均結合能越大的原子核越穩(wěn)定，因此它的結合能也越大C重核與中等質(zhì)量原子核相比較，重核的結合能和平均結合能都大D中等質(zhì)量的原子核的結合能和平均結合能均比輕核的要大【解析】核子結合成原子核所釋放的能量叫做原子核的結合能，故A

10、選項錯誤；核結合能除以質(zhì)量數(shù)稱為平均結合能，核結合能和平均結合能都是原子核穩(wěn)定程度的量度，平均結合能越大，核越穩(wěn)定但不一定平均結合能越大，故B選項錯誤；質(zhì)量中等的核，平均結合能最大約8.6 MeV，它們最為穩(wěn)定，重核的平均結合能要小些，約7.6 MeV，故C選項錯誤，D選項正確【答案】D1下列關于平均結合能的說法正確的是()A核子數(shù)越多，平均結合能越大B核子數(shù)越多，平均結合能越小C結合能越大，平均結合能越大D平均結合能越大，原子核越穩(wěn)定【解析】中等質(zhì)量核的平均結合能比輕核和重核的平均結合能都大，故A、B、C均不正確平均結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，故D正確【答案】D核

11、能的計算【問題導思】1質(zhì)量為m kg的物體具有mc2的能量嗎？2質(zhì)量和能量在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化嗎？3質(zhì)量虧損是質(zhì)量真正減少了嗎？1質(zhì)量虧損科學家研究證明原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和，例如精確計算表明：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中才能明顯地表現(xiàn)出來2質(zhì)能方程Emc2愛因斯坦指出，物體的能量(E)和質(zhì)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(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核能的計算(1)核反應中釋放或吸收的能量，可

12、以先計算反應物和生成物的質(zhì)量差，再用Emc2進行計算(2)運用Emc2時要注意統(tǒng)一單位(3)m是核反應前與核反應后的質(zhì)量之差物體的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運動質(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?，只是靜止質(zhì)量的減少減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量有關的運動質(zhì)量，在核反應中仍然遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律已知氮核質(zhì)量mN14.007 53 u，氧核質(zhì)量mO17.004 54 u，氦核質(zhì)量mHe4.003 87 u，質(zhì)子質(zhì)量mH1.008 15 u，試判斷核反應eq oal(14,7)Neq oal(4,2)Heeq oal(17,8)Oeq oal(1,1)H是吸能反應，還是放能反應？能量變

13、化多少？【審題指導】由反應物和生成物的質(zhì)量大小關系來判斷反應是吸能反應還是放能反應，能量的多少可以用Emc2來計算【解析】先計算出質(zhì)量虧損m，然后由1 u相當于931.5 MeV能量代入計算即可反應前總質(zhì)量為mNmHe18.011 40 u，反應后總質(zhì)量為mOmH18.012 69 u.因為反應中質(zhì)量增加，所以此反應為吸能反應，所吸收的能量為Emc2(18.012 6918.011 40)931.5 MeV1.2 MeV.【答案】吸能反應1.2 MeV1根據(jù)Emc2進行計算一般有以下兩種方法：m的單位用千克，c3108 m/s，此時能量E的單位為焦耳；m的單位為原子質(zhì)量單位(u)，此時Em93

14、1.56 MeV.21 u1.66061027 kg，常用于質(zhì)量的單位換算2一個鋰核(eq oal(7,3)Li)受到一個質(zhì)子的轟擊，變成兩個粒子已知質(zhì)子的質(zhì)量是1.673 61027 kg，鋰核的質(zhì)量是11.650 51027 kg，氦核的質(zhì)量是6.646 61027 kg.(1)寫出上述核反應的方程；(2)計算上述核反應釋放出的能量(保留3位有效數(shù)字)【解析】(1)由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得eq oal(7,3)Lieq oal(1,1)H2eq oal(4,2)He.(2)核反應的質(zhì)量虧損mmLimp2m(11.650 510271.673 6102726.646 61027) kg3.0

15、91029 kg.釋放的能量Emc23.091029(3108)2 J2.781012 J.【答案】(1)eq oal(7,3)Lieq oal(1,1)H2eq oal(4,2)He(2)2.781012 J綜合解題方略結合能和平均結合能關于原子核的結合能與平均結合能，下列說法中正確的是() A原子核的結合能等于核子與核子之間結合成原子核時核力做的功B原子核的結合能等于核子從原子核中分離，外力克服核力做的功C平均結合能是核子與核子結合成原子核時平均每個核子放出的能量D不同原子核的平均結合能不同，重核的平均結合能比輕核的平均結合能大【規(guī)范解答】原子核中，核子與核子之間存在核力，要將核子從原子核

16、中分離，需要外力克服核力做功當自由核子結合成原子核時，核力將做功，釋放能量對某種原子核，平均每個核子的結合能稱為平均結合能不同原子核的平均結合能不同重核的平均結合能比中等質(zhì)量核的平均結合能要小，輕核的平均結合能比稍重的核的平均結合能要小綜上所述，正確選項為A、B、C.【答案】ABC以氘核為例辨析結合能與平均結合能1結合能的理解一個中子和一個質(zhì)子結合為一個氘核，會釋放3.511013 J能量，意味著將氘核內(nèi)的中子和質(zhì)子分開，必須克服核力做功3.511013 J，這就是氘核的結合能2平均結合能的理解氘核內(nèi)部的核子數(shù)N2，所以氘核的平均結合能為eq f(E,2).【備課資源】(教師用書獨具)粒子間的

17、相互作用物質(zhì)世界運動變化多樣性的根源在于自然界存在著四種基本相互作用，即強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用強相互作用存在于重子、介子等強子之間的基本相互作用核子之間的核力是它的一個典型實例強相互作用是一種短程力，作用范圍為1015 m量級，作用強度約為電磁相互作用的102倍目前，對強相互作用的機制還不清楚近年來發(fā)展的量子色動力學(QCD)能解釋強相互作用的一些問題這個理論認為強相互作用是通過膠子傳遞的實驗上已觀察到膠子存在的跡象，但還沒有直接的證據(jù)證明膠子的存在電磁相互作用 這是目前了解得最清楚的一種相互作用，量子電動力學(QED)可以對它進行精確的計算電磁相互作用是一種長程力

18、，作用于所有微觀或宏觀帶電或帶磁矩的物體之間大到天體，小到1018 m范圍內(nèi)，理論計算都跟實驗事實符合得很好量子電動力學認為，電磁相互作用是由電磁場的量子光子傳遞的弱相互作用 廣泛存在于輕子和輕子間、輕子和強子間、強子與強子間的一種基本相互作用原子核的衰變是它的一個實例弱相互作用也是一種短程力，作用范圍比強相互作用還要短，作用強度約為強相互作用的1012倍弱相互作用是通過質(zhì)量很重的中間玻色子W和Z0傳遞的，它們的質(zhì)量分別為：meq oal(,W)(80.91.5) GeV，meq oal(0,Z)(95.61.4) GeV.引力相互作用支配著宏觀物體運動變化，例如，天體運動規(guī)律的一種長程力在微

19、觀領域里，引力相互作用遠遠弱于其他三種相互作用，以致實際上無法檢驗在微觀領域里萬有引力定律是否仍然正確例如，根據(jù)萬有引力定律考慮兩個質(zhì)子間的引力相互作用與它們間的強相互作用的強度之比僅為1038.理論上，傳遞引力相互作用的量子是引力子目前，實驗上尚未發(fā)現(xiàn)引力子的存在.1下列說法中正確的是()A質(zhì)子與中子的質(zhì)量不等，但質(zhì)量數(shù)相等B兩個質(zhì)子之間，不管距離如何，核力總是大于庫侖力C同一種元素的原子核有相同的質(zhì)量數(shù)，但中子數(shù)可以不同D除萬有引力外，兩個中子之間不存在其他相互作用力【解析】質(zhì)子和中子的質(zhì)量不相等，但差別不大，質(zhì)量數(shù)相等，故A對核子之間的核力隨距離變化而變化，并不總大于庫侖力，故B錯同位素之間核電荷數(shù)相同，中子數(shù)不同，質(zhì)量數(shù)也不同，故C錯核子之間除萬有引力外，還可能存在核力、庫侖力，故D錯【答案】A2核子結合成原子核或原子核分解為核子時，都伴