核力与结合能教学设计2.doc

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1、广东省2010年普通高中物理课堂教学设计参评课例 核力与结合能 粤教版教材选修3-5模块 第四章第四节作者姓名：庞康碌 陈林波 工作单位： 广东省湛江市坡头区第一中学联系号码：陈林波13434624550 邮箱： 280428543 庞康碌15360701282 核力与结合能【课题】核力与结合能 （1课时）【教学内容分析】1. 课程标准对本节课的要求：知道核力、结合能、平均结合能等概念，理解原子核的稳定性与质量数关系，并掌握结合能、平均结合能的计算及应用。2. 教材的地位和作用：本节内容是在学习了核子结构、核衰变与核反应、核放射等基础上进一步深入研究原子核的相关知识，与上几节的知识构成一个知识

2、的体系，但具有高度的概括性，是对前三节知识的综合与应用，对准确理解原子核具有重要性，也为下一节的裂变与聚变做准备。让学生体会到力的多样性、联系性、统一性，并知道可以通过对力的研究去探索未知。也让学生初步知道核能的威力，并掌握其相关知识。3. 教材的编写思路：教材基于学生已有的知识和经验，以一个引导性的问题直接引入核力概念。然后通过核力这种强相互作用力的介绍帮助学生正确回答上述的问题，同时也给出些前沿性的课题让学生思考。接着结合元素周期表介绍了原子核的中子与质子随着质量数的变化关系。再就核反应方程对应实验的实验数据引出核反应释放了能量，以便学习结合能的概念。在“讨论与交流中”按照科学研究方法的思

3、路安排，以便教师和学生能顺利地通过数据处理等方法并由质能方程得出释放的能量与质量差的关系，导出结合能的概念和计算结合能的一般方法。再通过图线的插图让学生知道平均结合能的概念。在课后习题中还针对性地安排了两道习题加强巩固学习，让学生知道相关的解题特点。4. 教材的特点：一 利用已知引出新知；二 体现出知识的迁移与交叉，有意引导教师和学生利用化学的知识学习物理；三 重视事实数据并重视培养学生的科学探究能力；四 暗示了知识应用时的技巧，兼顾了学生的差异性。缺点是大部分学生在没有教师的指导下不能独立自学本节内容，不利于学生自主学习。5. 教材的处理：1鉴于本节内容的抽象性、费理解性、联系多边性、重要性

4、，同时考虑学生的可接受性，本节三部分处理：一 从力的作用效果来引出核力的概念和四种相互作用力；二 结合元素周期表阐述元素的中子数与质子数随质量数变化的规律，引导学生理解重核的不稳性。三 鉴于科学研究方法，由学生运用已有的知识计算质量差与变化能量的关系，探究中得到结合能概念与计算结合能的方法，并对相关概念与公式的理解。最后总结下解题的技巧。2 在教学中针对没有电脑的多媒体辅助情况，准备了相关的挂图、小黑板等资源，适当的补充些教具。3 适当的就科学史抒情下，让学生得到些探究科学过程的体会。【教学对象分析】1. 学生的兴趣：高二学生普遍对物理的充满敬畏与好奇，具有好奇性和初步的探究能力，想以科学的角

5、度看世界，又因为这节是核能知识，出于对核子武器的好奇，很有利教学的开展。2. 学生的知识基础：学生已经学过了能量与质量关系（质能方程）、电离能、能量与质量守恒、万有引力、库伦力、原子核结构等相关知识，在教学中可充分利用学生已有的知识经验，使得学生可以积极主动参与教学过程。3. 学生的认识特点：学生已经具备了一些相关力理解及计算和原子核结构的理解，以及对质能方程的认识。在理解原子核内部结构为什么是坚固还存在疑惑与好奇，有利于调动积极性，但也存在对原子质量及原子核质量的理解与计算误解；对质能方程的质量与能量关系有可能存在误解或不清。同时学生们普遍对原子能存在较大的好奇心，可以利用好元素周期表的知识

6、引导学生再深人学习微观世界的物理知识。鉴于不可能做实验的条件，可以结合学生已掌握的科学探究方法通过数据的及表格的处理来参与科学实验中去，并在经历知识的构建中获得知识、启迪思维、体会科学的美。【教学目标】1 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力；（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、平均结合能的概念及其计算方法，（4）知道核反应中的质量亏损与你能量的关系；（5）知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。2 过程与方法（1）通过引力及库伦力的计算和迁移认识了核力概念提出的过程并知道四种相互作用力的概念 ，体会知识的构建

7、过程。（2）通过对结合能的探究，经历了科学研究方法并知道了结合能的计算方法，体 会到质能方程和质量亏损的概念及科学规律的美。（3）培养学生的理解能力、推理能力、及数学计算能力。3 情感、态度与价值观（1）让学生体会到探究知识的乐趣与艰辛，使学生树立起实践是检验真理的标准的观念，科学理论对实践有着指导和预见作用；（2）体会到核能的威力，理解到核武器的危害，认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要性。【教学重点】质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解，结合能与平均结合能的计算。【教学难点】结合能与平均结合能的概念、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系【教学策略设计】基于没多媒体的情况下的在教学思想上

8、，以“教师为辅，学生为主”的原则，通过创设情境和有效的设问引导，让学生亲历物理知识的构建过程；在教学方法和手段上，综合观察、讲授、提问、讨论等多种方法，并以挂图、小黑板等形式让学生在创设的情景中引出思考并在老师的指导下进行观察、思考，并从中获得知识；在学法指导上，让学生尝试观察思考、分析实验的数据、得出自己的结论，经历猜想、假设、设计方案、分析总结等科学研究方法过程，体会探究的方法及过程；【教学用具】挂图、 小黑板、或者多媒体【教学流程图】创设情境，引入课题：计算原子核中质子之间的库伦力与引力 （学生阅读课本） 引出核力概念1核力与四种基本相互作用：历史上科学家的猜想 （学生阅读课本与笔记）讲

9、述并板书四种相互作用力 2原子核中质子与中子的比例：学生阅读教材原子核中质子与中子的比例部分及挂图 （学生观察与交流）原子序数增加，中子数大于质子数 3结合能：宏观物体的结合及电子的电离等过程中能量的变化 （学生阅读及听）引出结合能的概念4 质量亏损：挂出小黑板让学生计算核反应的质量差 （学生计算及思考）引出规律 5 Emc2和E=m c2的理解：简单介绍公式并抒情下 （学生思考与笔记 ）强调公式的理解 6 质量亏损与质量与能量的关系：回顾质量、能量的定义、单位 （学生思考与笔记、回答） 7 平均结合能：观察平均结合能图 （学生观察与思考并回答）平均结合能大的核稳定 8 巩固练习：巩固练习 预

10、先准备好 （学生练习） 强调下解题注意细节 9 小结：总结概念及规律 人类在探索中寻找能源 （思考） 能源危机感 10 思考与作业【教学过程设计】教学环节和教学内容教师活动学生活动设计意图【创设情境，引入课题】原子核中的质子和中子挤在这么小的空间中，他们之间有没有库伦力或是万有引力呢？ 如果有是多大呢？1 复习提问：氦原子核中有两个质子，质子质量为mp=1.6710-27kg，带电量为元电荷e=1.610-19C，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?2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，原子核中的质

11、子要靠自身的万有引力来抗衡相互间的库仑力是不可能的。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)1 计算：学生通过计算回答：两者相差1036倍。2 阅读并回答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。【进行新课】1核力与四种基本相互作用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)。 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

12、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.1 问：那么核力有怎样特点呢? 2 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。3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：弱力（弱相互作用）：弱相互作用是引起原子核衰变的原因短程力强力（强相互作用）：在原子

13、核内，强力将核子束缚在一起短程力电磁力：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 板书：四种力学生：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1.510-15 m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。2原子核中质子与中子的比

14、例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，1教师：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？ 2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?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

15、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。1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。 2观察与交流1培养学生看图理解能力和推理能力。2 让学生体会到用理论来解释现象的魅力与乐趣 。3 特破难点3结合能宏观模型：相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大，引力势能转化为动能最后撞在一起，动能变成它们的内能散失掉了。两个物体为了结合而付

16、出了代价失去了一些能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们这份能量。 类比分析：要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等某种途径让它得到13.6eV 的能量。这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不过通常把它叫做氢原子的电离能，而结合能一词只用在原子核中。 微观模型：原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。 (1)学生读教材(2)读后，教师把要点梳理一下。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. 注意：结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把

17、核子分开而需要的能量。 3那么如何求原子核的结合能呢?阅读听讲与思考从学生所熟悉的知识迁移到思考中，让学生既复习已学的知识，又容易理解概念，体会到科学规律的相互联系及乐趣。4 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，挂出课前准备好的小黑板：例题：请计算一下方程左右的质量中子的质量 =1.67491027Kg 质子的质量 = 1.67261027Kg 中子和质子的质量和 = 3.34751027Kg 氘核的质量 = 3.34361027Kg 质量差 = 0.00391027Kg（结合讨论交流）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

18、损，质量亏损只有在核反应中才能明显的表现出来. 1 亏损的质量与释放出的能量有何关系？2 根据爱因斯坦的质能方程 Emc2大家来算算：质量 m= 0.00391027Kg对应多少能量？3 同学们你们觉得计算的结果与实验得出的2.2 MeV是不是有着惊人的接近啊，可以得出什么样的看法呢？4 能否归纳出计算核反应中所释放或吸收能量的一般方法呢？1回答2计算E= mc2=0.003910273.01083.0108/1.610-19MeV=2.19375MeV3回答4（学生不懂时做适当的引导）核子在结合成原子核时出现的质量亏损m，正表明它们在互相结合过程中放出了能量E=mc2学生能够在计算的过程中参

19、与到科学规律的发现中，激发兴趣，加深对规律的理解及相关概念的掌握。特出重点 5 Emc2和E=m c2的理解（简单点就得了）抒情：这些公式在物理学家的心中是那么简单、漂亮。形式简单不需说，这个能量是所有形式能的总和，内涵多么丰富啊!可以说是完美。1 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。强调：E是质量为m的物体所有形式的能量的总和2 物体的能量变化E与物体的质量变化m的关系：E=mc2.思考与笔记1 体会科学规律的美 2 纠正学生对质能方程中的能量的理解 。3 为了突破难点、重点。6 质量亏损与质量与能量的关系让学生回顾质量、能量的定义、单位，1向学生指出质量不是能量、能量也

20、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。2 向学生指出以下几点：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。（视情况）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。在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律;质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。 1 思考 回答 2 笔记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：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。在核反应中不遵守质量守恒定律、能量守

21、恒定律;7 平均结合能1 师生共同阅读原子核的比结合能挂图，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。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。 2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。1 学生观察图像2 让学生相互交流1学生可能不会看图，要引导他们看懂2 为下节的裂变和聚变准备。8 巩固练习

22、（预先准备好）已知1个质子的质量mp=1.007 277u，1个中子的质量mn=1.008 665u.氦核的质量为4.001 509 u. 这里u表示原子质量单位，1 u=1.660 56610-27 kg. 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）1 强调 u和单位J与MeV的换算关系2 指明 1u对应931.5 MeV的能量计算和记笔记1 巩固 应用2.学生自己可能没注意到这些细节和这些细节在解题中的重要性。9 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

23、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。有关问题的理解和注意事项（是时间及学生的学习程度来决定，最好是留到下节习题课再讲授，要不会因学生的短时消化不了从而打击其信心及兴趣）第一.核反应

24、过程中: 核子结合成原子核时,新核质量小于核子的质量(质量亏损),同时释放核能; 原子核分解为核子时,需要吸收一定能量,核子的总质量大于原原子核的质量.第二.核反应过程中,质量亏损时,核子个数不亏损(即质量数守恒),可理解为组成原子核后,核内每个核第三.质量亏损并非质量消失,而是减少的质量Dm以能量形式辐射(动质量),因此质量守恒定律不被破坏.子仿佛“瘦了”一些.第四.公式E=mc2 的单位问题 Dm用“u(原子质量单位)” 1u=1.66056610-27kg E用“uc2” 1uc2=931MeV (表示1u 的质量变化相当于931Me V的能量改变)第五.核反应中释放或吸收的能量比化学反

25、应中释放或吸收的能量大好几个数量级. 10 思考与作业 作业课后习题 1，2学生思考 (1)E=mc2，有些能量如动能与参考系有关，但上式与参考系无关，如何理解？ (2)原子核的质量是否可以这样计算？ 中子数一个中子质量+质子数一个质子质量加深对质量与能量的关系理解，提高理解与计算能力【板书设计】核力与结合能一 四种相互作用力：万有引力（短程力）、 电磁力（短程力） 、强相互作用力（短程力）、 弱力相互作用力（短程力）核力是强相互作用(强力)的一种表现二 随着原子序数的增加，稳定原子核中的中子数大于质子数三 结合能：结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量。 平均结合能：中等大小的核的平均结合能最大(平均每个核子的质量亏损最大)四 Emc2 E是质量为m的物体所有形式的能量的总和 E=m c2 物体的能量变化E与物体的质量变化m的关系五 质量亏损与质量与能量的关系