高三物理教案：《核力與核能》教學設計

　　核力與核能

　　1、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)知道穩定原子核中質子與中子的比例隨著原子序數的增大而減小;

　　(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。

　　2、過程與方法

　　(1)會根據質能方程和質量虧損的概念計算核反應中釋放的核能;

　　(2)培養學生的理解能力、推理能力、及數學計算能力。

　　3、情感、態度與價值觀

　　(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、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。

　　(一)引入新課

　　提問1：氦原子核中有兩個質子，質子質量為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?(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，把核子束縛在一起了呢?今天就來學習這方面的內容。

　　(二)進行新課

　　1、核力與四種基本相互作用

　　提示：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。

　　基于這兩種力的性質，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，是核力把核子緊緊地束縛在核內，形成穩定的原子核，后來的實驗證實了科學家的猜測。

　　提問1：那么核力有怎樣特點呢?

　　(1)核力特點：

　　第一、核力是強相互作用(強力)的一種表現。

　　第二、核力是短程力，作用范圍在1.5×10-15 m之內。

　　第三、核力存在于核子之間，每個核子只跟相鄰的核子發生核力作用，這種性質稱為核力的飽和性。

　　總結：除核力外，核物理學家還在原子核內發現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β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。

　　(2)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揮作用：

　　①弱力(弱相互作用)：弱相互作用是引起原子核β衰變的原因→短程力;

　　②強力(強相互作用)：在原子核內，強力將核子束縛在一起→短程力;

　　③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;

　　④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，并且聯系著星系團，決定著宇宙的現狀→長程力 。

　　2、原子核中質子與中子的比例

　　隨著原子序數的增加，穩定原子核中的中子數大于質子數。

　　思考：隨著原子序數的增加，穩定原子核中的質子數和中子數有怎樣的關系?(隨著原子序數的增加，較輕的原子核質子數與中子數大致相等，但對于較重的原子核中子數大于質子數，越重的元素，兩者相差越多)

　　思考：為什么隨著原子序數的增加，穩定原子核中的中子數大于質子數?

　　提示：學生從電磁力和核力的作用范圍去考慮。

　　總結：

　　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，這個原子核就不穩定了;

　　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定，所以穩定的重原子核中子數要比質子數多。

　　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定的。因此只有200多種穩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γ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，這個反應才會發生。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,原子核越穩定。

　　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

　　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，這種現象叫做質量虧損，質量虧損只有在核反應中才能明顯的表現出來。

　　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。

　　(2)愛因斯坦質能方程： E=mc2

　　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E=mc2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這個數值十分巨大，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

　　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=Δmc2

　　單個的質子、中子的質量已經精確測定。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。

　　說明：

　　①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。

　　②質量虧損并不是這部分質量消失或轉變為能量，只是靜止質量的減少。

　　③在核反應中仍然遵守質量守恒定律、能量守恒定律。

　　④質量只是物體具有能量多少及能量轉變多少的一種量度。

　　閱讀原子核的比結合能，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=1.660 566×10-27 kg. 由上述數值，計算2個質子和2個中子結合成氦核時釋放的能量。(28.3MeV)