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2019-2020年高中物理 《核能來自何方》教案 滬科版選修3-5 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1. 讓學(xué)生知道什么是原子核的人工轉(zhuǎn)變，什么是核反應(yīng)，如何用核反應(yīng)方程表示核反應(yīng)。 2. 知道質(zhì)量虧損的概念并會(huì)計(jì)算。理解愛因斯坦質(zhì)能方程的物理意義，并能計(jì)算核。 3. 培養(yǎng)學(xué)生的理解能力、推理能力及數(shù)學(xué)計(jì)算能力。 4. 通過學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)、抽象概括、推理判斷的基本方法。 5. 培養(yǎng)學(xué)生尊重客觀、熱愛科學(xué)的精神。 6. 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(duì)實(shí)踐有著指導(dǎo)和預(yù)見的作用的觀點(diǎn)。 重點(diǎn)難點(diǎn) 核反應(yīng)方程是本節(jié)課的一個(gè)重點(diǎn)，教師要引導(dǎo)學(xué)生按照質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律以及有關(guān)原子核與粒子的書寫規(guī)則正確的寫出核反應(yīng)方程。在這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生感受查德威克是怎樣發(fā)現(xiàn)中子的。質(zhì)能方程是本節(jié)課的第二個(gè)重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。教師可以讓學(xué)生了解質(zhì)量虧損的概念與計(jì)算方法，然后討論質(zhì)能方程的物理意義，教師對(duì)此應(yīng)當(dāng)作出正確的解釋，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)質(zhì)能方程蘊(yùn)含的物理思想，并通過閱讀與訓(xùn)練，指導(dǎo)學(xué)生掌握計(jì)算核能的基本方法。其中物理單位也屬于一個(gè)相對(duì)難點(diǎn)，應(yīng)讓學(xué)生記住、會(huì)用。 導(dǎo)學(xué)過程 ○問題情景呈現(xiàn)，導(dǎo)入新課 師：播放投影1：大亞灣核電站外觀圖及核反應(yīng)堆；數(shù)據(jù)：1kg鈾235燃燒釋放出的原子核能相當(dāng)于2 500噸優(yōu)質(zhì)煤燃燒時(shí)放出的熱量，只需幾千克鈾235就足夠上海市24小時(shí)的耗能供應(yīng)。 播放投影2：盧瑟福在1919年，首先發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的實(shí)驗(yàn)裝置圖，第一次實(shí)現(xiàn)了原子核的人工轉(zhuǎn)變。在原子核的轉(zhuǎn)變中，遵守哪些規(guī)律？如此巨大的核能是從哪里來的呢？這是我們?cè)诒竟?jié)課將要學(xué)習(xí)和探究的新問題。 師：播放課題名稱：五、核反應(yīng) 核能 ○新課教學(xué) 師：請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材，然后回答以下問題。 師：板書〈一〉核反應(yīng)，投影簡(jiǎn)答題組〈一〉 ⑴ 什么是原子核的人工轉(zhuǎn)變？ ⑵ 什么是核反應(yīng)？為什么說原子核的人工轉(zhuǎn)變是核反應(yīng)的一種？你還知道哪些核反應(yīng)？ ⑶ 如何用核反應(yīng)方程表示核反應(yīng)過程？在核反應(yīng)中遵循哪些規(guī)律？ ⑷ 試背寫出盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程，查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程。 ⑸ 試比較說明核反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)區(qū)別。 生：閱讀有關(guān)內(nèi)容后，先獨(dú)立思考，然后抽查學(xué)生回答問題，互相評(píng)價(jià)，教師傾聽。點(diǎn)拔強(qiáng)調(diào)如下： 核反應(yīng)是一種客觀變化。它遵守電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)守恒兩條規(guī)律。核反應(yīng)方程是對(duì)核反應(yīng)過程的抽象表達(dá)。核反應(yīng)是原子核的變化，結(jié)果是產(chǎn)生了新的元素，“點(diǎn)石問金”的夢(mèng)想在核反應(yīng)中得以實(shí)現(xiàn)；而化學(xué)反應(yīng)且是原子的重組，原子外層電子的得失，結(jié)果是生成了新的分子，并無新元素的產(chǎn)生。 師；投影練習(xí)題組<二>。請(qǐng)同學(xué)們指出下列核反應(yīng)方程的真?zhèn)危e(cuò)誤的加以糾正。 A. N + α→O +質(zhì)子 B. C +He →O +H C. Be +He →C + γ（光子） D. H +n →H +γ（光子） 學(xué)生觀察，相互討論，指出真?zhèn)渭板e(cuò)誤所在。同時(shí)，請(qǐng)四位不同能力的學(xué)生上講臺(tái)改正并講述理由。 師：質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒是判斷核反應(yīng)方程正確與否的必要條件。但是，人們是否可以用這兩個(gè)條件來編寫核反應(yīng)方程呢？如果不可以的話，應(yīng)該采用什么辦法來確定核反應(yīng)的產(chǎn)物，檢驗(yàn)核反應(yīng)的真?zhèn)文?？下面我們一起體驗(yàn)查德威克（英）在1832年是如何發(fā)現(xiàn)并確定“中子”的。（學(xué)生激起懸念，試目以待。） 師：投影幻燈片——中子是怎樣發(fā)現(xiàn)的？ Po α粒子 Be 圖22-9 石蠟 質(zhì)子 未知射線 天然放射性元素Po放出α粒子，轟擊鈹（Be）原子核時(shí)，發(fā)出了一種未知射線，這種未知射線可以從石蠟（含碳）中打出質(zhì)子（H）。那么我們?nèi)绾未_定這種未知射線的本質(zhì)特征呢？即確定它是否帶電？如果帶電的話，帶的是正電還是負(fù)電？電荷數(shù)如何？質(zhì)量數(shù)如何？ 學(xué)生分組討論，提出初步的設(shè)想及根據(jù)，然后全班同學(xué)共同交流和比較，形成一個(gè)或幾個(gè)科學(xué)而又可行的方案。最后，教師評(píng)價(jià)，肯定、鼓勵(lì)同學(xué)們表現(xiàn)出的熱情和智慧。對(duì)不足之處加以引導(dǎo)、點(diǎn)撥、糾正。 教師歸納同學(xué)的設(shè)計(jì)并板書如下內(nèi)容： 這種未知射線： ① 在空氣中的速度小于光速c的1/10不是光子； ② 在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中不會(huì)偏轉(zhuǎn)不帶電； ③ 與碳核和氫核（或其它核）發(fā)生彈性正碰，一定符合動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。 最終結(jié)論：未知射線是質(zhì)量近似等于質(zhì)子質(zhì)量但不帶電的基本粒子——“中子”。 剛才我們研究了核反應(yīng)中生成新元素和粒子的確定方法及表達(dá)形式，下面，我們從能量的角度來分析核反應(yīng)現(xiàn)象。教師板書： <二>核能的釋放及計(jì)算 師：朗讀教材，板書： 1. 核能——核反應(yīng)中釋放的能量。核能是從哪里來的？ 學(xué)生閱讀教材后，獨(dú)立思考上述問題，教師傾聽、詢問、了解學(xué)生提出的各種疑問，然后啟發(fā)講解，投影如下內(nèi)容： 愛因斯坦質(zhì)能方程：E=mc2中，E表示物體的能量，m表示物體的質(zhì)量，c表示真空中的光速。 ① 物體具有的能量與它的質(zhì)量成正比，物體的能量增大了，質(zhì)量也增大；能量減小了，質(zhì)量也減小。 ② 任何質(zhì)量為m的物體都具有大小相當(dāng)于mc2的能量。由于c2非常大（91016m2/s2），所以對(duì)質(zhì)量很小的物體所包含（或具有）的能量是非常巨大的。對(duì)此，愛因斯坦說過：“把任何慣性質(zhì)量理解為能量的一種貯藏，看來要自然得多。”所以質(zhì)量于能量實(shí)質(zhì)上是相象的，它們只不過是同一事物的不同表示。 ③ 在國(guó)際單位制中，E、m、c的單位分別取J、kg和m/s。 ④ 由E=mc2得△E=△mc2，其蘊(yùn)含著怎樣的意義？△m表示物體的質(zhì)量虧損，△E表示與△m相當(dāng)?shù)哪芰?。如果物體的能量減小了△E，即向外釋放△E的能量，它的質(zhì)量就會(huì)虧損△m =。理論和實(shí)驗(yàn)都表明，只有在核反應(yīng)中，才可能發(fā)生質(zhì)量虧損，因而伴隨著巨大的能量向外輻射。例如，在中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核的過程中，由于發(fā)生了質(zhì)量虧損，從而釋放出了2.2MeV的核能。 生：仔細(xì)閱讀教材及旁批內(nèi)容。師生共同歸納計(jì)算核能的思路和步驟。 教師板書如下內(nèi)容： 2. 核能的計(jì)算步驟： 首先，寫出正確的核反應(yīng)方程。 其次，計(jì)算核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損△m。 然后，根據(jù)質(zhì)能方程△E=△mc2，計(jì)算核能。 注意的幾個(gè)問題： ① 記住以下單位換算關(guān)系 1MeV=106eV 1eV=1.602 210-19J 1u（原子質(zhì)量單位）=1.660 610-27kg ② 1u相當(dāng)于9351.5MeV的能量（自己證明），這是計(jì)算核能經(jīng)常用導(dǎo)的關(guān)系。 ③ 如果在某些核反應(yīng)中，物體的能量增加了，說明核反應(yīng)中物體的質(zhì)量不是虧損，而是增加了。例如，把氘核分解成獨(dú)立的中子和質(zhì)子時(shí)，應(yīng)從外界吸收2.2MeV的能量。即2.2MeV +H→n+H ④ △m實(shí)際是物體靜止質(zhì)量的虧損。在相對(duì)論中，當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，物體的質(zhì)量，將隨著速度的變化而變化（增大了）。 反饋練習(xí) 1：已知質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核時(shí)的質(zhì)量虧損為0.004010-27kg，則此過程中釋放的能量為多少？已知：c=2.9979108m/s 1eV=1.602210-19J 　　解：由質(zhì)能方程：　 　 　　 2：靜止的鋰核在俘獲一個(gè)中子后，生成一個(gè)氘核和一個(gè)粒子，并釋放4.8MeV的能量．（1）寫出核反應(yīng)方程式 （2）計(jì)算反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損 　　解：（1）核反應(yīng)方程： 　　　?。?）由質(zhì)能方程： 得 3：計(jì)算2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成氦核時(shí)釋放的能量mp=1.007277 u， mn=1.008665 u.，氦核的質(zhì)量為4.001509 u. 解：核反應(yīng)方程： （核子參與的反應(yīng)也可以叫做核反應(yīng)） 質(zhì)量虧損Δm==0.030375 u. 由質(zhì)能方程：ΔE=Δm c2＝0.030375931.5 MeV =28.3 MeV. ［練習(xí)］(由學(xué)生自己完成)：氘核的質(zhì)量為mD=2.013553 u，中子質(zhì)量 mn=1.008665 u，質(zhì)子質(zhì)量mp=1.007277 u。。計(jì)算一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子結(jié)合成氘核時(shí)釋放的核能. （釋放核能ΔE=Δmc2=0.002388931.5 MeV =2.22 MeV）