第19章第08节裂变教案01 人教版

第19章第08节裂变教案01 人教版

原子  原子核·原子核的结合能·教案 ‎ 一、教学目标 ‎1．物理知识方面的要求．‎ ‎(1)了解核力的基本特点．‎ ‎(2)理解原子核的结合能概念．‎ ‎(3)掌握质能联系方程．‎ ‎2．物理思想方面的教育．‎ 人类从利用燃料的化学能到掌握利用原子核能的过程，反映了人类对物质世界的认识不断深化的过程．‎ 二、重点、难点分析 ‎1．质能联系方程．‎ ‎2．质量转化为能量是一种误解．‎ 三、主要教学过程 ‎(一)引入新课 原子核是原子中体积很小但却集中了几乎原子全部质量的带正电的中心体，原子核的半径的数量级为10-15m．在极小的原子核中，存在着Z个质子，(A-Z)个中子．不难根据万有引力定律和库仑定律计算出原子核中的两个质子之间的万有引力与库仑力的比值，这一比值约为10-38‎ ‎！在巨大的库仑斥力作用下，通常的原子核却是异常稳定的．这说明在原子核中，除了质子之间的库仑斥力外，还应存在另一种力，它把核子紧密地联系在一起．‎ ‎(二)教学过程设计 ‎1．核力．‎ 这种能够把核中的各种核子联系在一起的更为强大的力叫做核力．尽管人们对核力的研究有了重大进展，但对揭示核力的本质还相去甚远，许多问题有待进一步研究．‎ 核力具有以下的一些特点：‎ ‎(1)短程性．它只在10-15m内作用．当在2×10-15～3×10-15m区域的表现为一种很弱的吸引力．当在0.3×10-15～2×10-15m区域内表现为很强的吸引力，其强度比库仑力大两个数量级．正是这种强大的吸引力，使原子核中的质量不致因相互排斥而散开．当两个核子之间的距离小于0.3×10-15m时，将受很强的斥力，它保证了原子核不致坍缩．‎ ‎(2)饱和性．核子的半径约为0.8×10-15m，由于上述核力的短程性可以看出，每个核子只与它相邻的核子有作用力，而不是与核中的所有核子都有作用力．‎ ‎(3)电荷的无关性．即核中的核子，不论是质子与质子，中子与中子，质子与中子，它们之间的核力是一样的．‎ ‎2．结合能．‎ 由于原子核中的核子之间存在着强大的核力，使原子核组成一个十分坚固的集合体．如果把原子核拆成自由核子，需要克服强大的核力做十分巨大的功，或说需要巨大的能量．氘核是一个结构较为简单的原子核，实验表明，可用γ光子使氘核分解为1个质子和1个中子，这时的核反应方程是：‎ 入射的光子的能量至少是2.22MeV．对于相反的过程，当 1个质子和 1个中子结合成1个氘核时，要放出2.22MeV的能量．这一能量以γ光子的形式辐射出去．‎ 可见，当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量．这个能量叫做原子核的结合能．‎ 当然，2.22MeV的能量的绝对数量并不算大，但这只是组成1个氘核所放出的能量．如果组成的是6.02×1023个氘核时，放出的能量就十分可观了．与之相对照的是，使1摩的碳完全燃烧放出的能量为393.5×103J．折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过4eV．若跟上述核反应中每个原子可能放出的能量相比，两者相差数十万倍．‎ ‎3．质能联系方程．‎ 如何求出原子核的结合能呢？伟大的物理学家爱因斯坦从相对论得出质量和能量之间存在如下的关系：‎ E=mc2．‎ 这个方程叫做爱因斯坦质能联系方程，简称质能方程，式中c是真空中的光速，m是物体的质量，E是物体的能量．该方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比．由于c2这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的、质量为1kg的物体所具有的能量为9×1016J，这一能量相当于一个100万kW的发电厂三年的发电量．对此，爱因斯坦曾说过：“把任何惯性质量理解为能量的一种贮藏，看来要自然得多．”物体贮藏着巨大的能量是不容置疑的，但是如何使这样巨大的能量释放出来？从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δ的关系．‎ ΔE=Δmc2．‎ 问题是；为了获得能量ΔE，怎样产生相应的Δm，当自由核子组成原子核时，要放出结合能，原子核的能量比组成原子核的核子的能量小，所以原子核的质量要比组成核的核子质量小．‎ ‎4．质量亏损．‎ 我们把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损．如果可以知道核的质量亏损，就可以根据质能方程，计算出原子核的结合能．‎ 例如，氦核是由2个质子和2个中子组成的．1个质子的质量mp=1.007277u，1个中子的质量mn=1.008665u．这四个核子的质量为4.031884u，但氦核的质量为4.001509u．这里u表示原子质量单位，1u=1.660566×10-27kg．由上述数值，可以求出氦核的质量亏损Δm=4.031884-4.001509=0.030375u．在原子核物理学中，核子与核的质量通常都是用原子质量单位表示，而核的结合能通常用兆电子伏表示．按质能方程可以求出 1u=931.5 MeV，所以氦核的结合能为 ‎0.030375×931.5=28.3 MeV．‎ 练习(由学生自己完成)：氘核的质量为2.013553u，由此计算氘核的结合能．‎ 解：mn=1.008665u，mp=1.007277u．‎ 中子和质子的质量和：2.015941u．‎ 质量亏损Δm=2.015941u-2.013553u=0.002388u．‎ 氘核的结合能ΔE=Δmc2=0.002388×931.5=2.22 MeV．‎ ‎5．正确认识质量亏损．‎ 在谈到结合能和质量亏损时，有的学生误认为，当核子组成原子核时，有质量亏损，放出结合能的过程中，是质量变成能量．这是对质能方程的一种误解．按相对论，物体的质量是与速度有关的量，当物体的速度越大时，物体的质量越大．物体运动时的运动质量与物体静止时的静止质量间存在一定关系．当物体以远小于光速运动时，质量的这一变化很不明显．上述所说的质子、中子、原子核的质量都是指静质量．质量亏损，是静质量发生了变化，但在这一过程中，2.22 MeV的能量是以辐射光子形式放出的．光子的静质量为零，但这个光子的运动质量为：光子的能量/c2．由此可见，当计算进光子的质量后，虽说反应前后发生了质量亏损，这部分亏损，与光子的运动质量是相同的．反应前后的质量仍是守恒量，质量亏损并非这部分质量消失．当然，也就不存在质量转变成能量的问题．‎ ‎(三)课堂小结 自然界中物体的质量和能量间存在着一定关系： 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．由前述二例可以看出，核反应中的质量亏损仍然是十分有限的．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．‎ ‎(四)作业 ‎《高中物理读本》第三册p．3321～2．‎ 四、教学说明 ‎1．大多数的原子核是十分稳定的，这充分反映了核力此时体现为强大的引力．此点不能讲得太过分，否则在强大的核力作用下，原子核虽不会散裂，但有可能坍缩．因而，对核力的短程性，略作了些补充．‎ ‎2．在讲解“正确认识质量亏损”这部分内容时，需根据学生的可接受性，适当把握讲课的深度．‎ ‎3．本节的中心内容是质能方程．现简介一下该公式的推导过程，供老师们参考．‎ 按照相对论质量公式．‎ 动量可表示为 由动能定理 如果质量的速度由0增加到v，获得的总动能 爱因斯坦认识到物体的惯性大小，即质量大小是与能量有关的，只相差一个常量因子c2．于是爱因斯坦给出了著名的质能方程 E=mc2．‎ 前式可写为 mc2=EK+m0c2．‎ 式中m0c2称作物体的静止能量，简称静能．mc2称作物体的总能理．因此，上式可说成是物体的总能量为物体的动能与静能之和． ‎