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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 學習目標 1. 讓學生知道什么是原子核的人工轉變，什么是核反應，如何用核反應方程表示核反應。 2. 知道質量虧損的概念并會計算。理解愛因斯坦質能方程的物理意義，并能計算核。 3. 培養(yǎng)學生的理解能力、推理能力及數(shù)學計算能力。 4. 通過學習，讓學生體驗科學家進行探索實驗、抽象概括、推理判斷的基本方法。 5. 培養(yǎng)學生尊重客觀、熱愛科學的精神。 6. 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的作用的觀點。 重點難點 核反應方程是本節(jié)課的一個重點，教師要引導學生按照質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律以及有關原子核與粒子的書寫規(guī)則正確的寫出核反應方程。在這個知識點的教學中，應當引導學生感受查德威克是怎樣發(fā)現(xiàn)中子的。質能方程是本節(jié)課的第二個重點，也是難點。教師可以讓學生了解質量虧損的概念與計算方法，然后討論質能方程的物理意義，教師對此應當作出正確的解釋，幫助學生認識質能方程蘊含的物理思想，并通過閱讀與訓練，指導學生掌握計算核能的基本方法。其中物理單位也屬于一個相對難點，應讓學生記住、會用。 導學過程 ○問題情景呈現(xiàn)，導入新課 師：播放投影1：大亞灣核電站外觀圖及核反應堆；數(shù)據(jù)：1kg鈾235燃燒釋放出的原子核能相當于2 500噸優(yōu)質煤燃燒時放出的熱量，只需幾千克鈾235就足夠上海市24小時的耗能供應。 播放投影2：盧瑟福在1919年，首先發(fā)現(xiàn)質子的實驗裝置圖，第一次實現(xiàn)了原子核的人工轉變。在原子核的轉變中，遵守哪些規(guī)律？如此巨大的核能是從哪里來的呢？這是我們在本節(jié)課將要學習和探究的新問題。 師：播放課題名稱：五、核反應 核能 ○新課教學 師：請同學們閱讀教材，然后回答以下問題。 師：板書〈一〉核反應，投影簡答題組〈一〉 ⑴ 什么是原子核的人工轉變？ ⑵ 什么是核反應？為什么說原子核的人工轉變是核反應的一種？你還知道哪些核反應？ ⑶ 如何用核反應方程表示核反應過程？在核反應中遵循哪些規(guī)律？ ⑷ 試背寫出盧瑟福發(fā)現(xiàn)質子的核反應方程，查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程。 ⑸ 試比較說明核反應與化學反應的本質區(qū)別。 生：閱讀有關內容后，先獨立思考，然后抽查學生回答問題，互相評價，教師傾聽。點拔強調如下： 核反應是一種客觀變化。它遵守電荷數(shù)與質量數(shù)守恒兩條規(guī)律。核反應方程是對核反應過程的抽象表達。核反應是原子核的變化，結果是產生了新的元素，“點石問金”的夢想在核反應中得以實現(xiàn)；而化學反應且是原子的重組，原子外層電子的得失，結果是生成了新的分子，并無新元素的產生。 師；投影練習題組<二>。請同學們指出下列核反應方程的真?zhèn)?，錯誤的加以糾正。 A. N + α→O +質子 B. C +He →O +H C. Be +He →C + γ（光子） D. H +n →H +γ（光子） 學生觀察，相互討論，指出真?zhèn)渭板e誤所在。同時，請四位不同能力的學生上講臺改正并講述理由。 師：質量數(shù)和電荷數(shù)守恒是判斷核反應方程正確與否的必要條件。但是，人們是否可以用這兩個條件來編寫核反應方程呢？如果不可以的話，應該采用什么辦法來確定核反應的產物，檢驗核反應的真?zhèn)文?？下面我們一起體驗查德威克（英）在1832年是如何發(fā)現(xiàn)并確定“中子”的。（學生激起懸念，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，發(fā)出了一種未知射線，這種未知射線可以從石蠟（含碳）中打出質子（H）。那么我們如何確定這種未知射線的本質特征呢？即確定它是否帶電？如果帶電的話，帶的是正電還是負電？電荷數(shù)如何？質量數(shù)如何？ 學生分組討論，提出初步的設想及根據(jù)，然后全班同學共同交流和比較，形成一個或幾個科學而又可行的方案。最后，教師評價，肯定、鼓勵同學們表現(xiàn)出的熱情和智慧。對不足之處加以引導、點撥、糾正。 教師歸納同學的設計并板書如下內容： 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 在電場或磁場中不會偏轉不帶電； ③ 與碳核和氫核（或其它核）發(fā)生彈性正碰，一定符合動量守恒定律和能量守恒定律。 最終結論：未知射線是質量近似等于質子質量但不帶電的基本粒子——“中子”。 剛才我們研究了核反應中生成新元素和粒子的確定方法及表達形式，下面，我們從能量的角度來分析核反應現(xiàn)象。教師板書： <二>核能的釋放及計算 師：朗讀教材，板書： 1. 核能——核反應中釋放的能量。核能是從哪里來的？ 學生閱讀教材后，獨立思考上述問題，教師傾聽、詢問、了解學生提出的各種疑問，然后啟發(fā)講解，投影如下內容： 愛因斯坦質能方程：E=mc2中，E表示物體的能量，m表示物體的質量，c表示真空中的光速。 ① 物體具有的能量與它的質量成正比，物體的能量增大了，質量也增大；能量減小了，質量也減小。 ② 任何質量為m的物體都具有大小相當于mc2的能量。由于c2非常大（91016m2/s2），所以對質量很小的物體所包含（或具有）的能量是非常巨大的。對此，愛因斯坦說過：“把任何慣性質量理解為能量的一種貯藏，看來要自然得多。”所以質量于能量實質上是相象的，它們只不過是同一事物的不同表示。 ③ 在國際單位制中，E、m、c的單位分別取J、kg和m/s。 ④ 由E=mc2得△E=△mc2，其蘊含著怎樣的意義？△m表示物體的質量虧損，△E表示與△m相當?shù)哪芰?。如果物體的能量減小了△E，即向外釋放△E的能量，它的質量就會虧損△m =。理論和實驗都表明，只有在核反應中，才可能發(fā)生質量虧損，因而伴隨著巨大的能量向外輻射。例如，在中子和質子結合成氘核的過程中，由于發(fā)生了質量虧損，從而釋放出了2.2MeV的核能。 生：仔細閱讀教材及旁批內容。師生共同歸納計算核能的思路和步驟。 教師板書如下內容： 2. 核能的計算步驟： 首先，寫出正確的核反應方程。 其次，計算核反應前后的質量虧損△m。 然后，根據(jù)質能方程△E=△mc2，計算核能。 注意的幾個問題： ① 記住以下單位換算關系 1MeV=106eV 1eV=1.602 210-19J 1u（原子質量單位）=1.660 610-27kg ② 1u相當于9351.5MeV的能量（自己證明），這是計算核能經(jīng)常用導的關系。 ③ 如果在某些核反應中，物體的能量增加了，說明核反應中物體的質量不是虧損，而是增加了。例如，把氘核分解成獨立的中子和質子時，應從外界吸收2.2MeV的能量。即2.2MeV +H→n+H ④ △m實際是物體靜止質量的虧損。在相對論中，當物體的運動速度接近光速時，物體的質量，將隨著速度的變化而變化（增大了）。 反饋練習 1：已知質子和中子結合成氘核時的質量虧損為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：由質能方程：　 　 　　 2：靜止的鋰核在俘獲一個中子后，生成一個氘核和一個粒子，并釋放4.8MeV的能量．（1）寫出核反應方程式 （2）計算反應過程中的質量虧損 　　解：（1）核反應方程： 　　　?。?）由質能方程： 得 3：計算2個質子和2個中子結合成氦核時釋放的能量mp=1.007277 u， mn=1.008665 u.，氦核的質量為4.001509 u. 解：核反應方程： （核子參與的反應也可以叫做核反應） 質量虧損Δm==0.030375 u. 由質能方程：ΔE=Δm c2＝0.030375931.5 MeV =28.3 MeV. ［練習］(由學生自己完成)：氘核的質量為mD=2.013553 u，中子質量 mn=1.008665 u，質子質量mp=1.007277 u。。計算一個中子和一個質子結合成氘核時釋放的核能. （釋放核能ΔE=Δmc2=0.002388931.5 MeV =2.22 MeV）