人教版 (2019)选择性必修 第三册3 核力与结合能教学设计及反思

核力与结合能

【教学目标】

一、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。

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．理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损。

4．知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。

二、过程与方法

1．会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能。

2．培养学生的理解能力、推理能力、及数学计算能力。

三、情感、态度与价值观

1．使学生树立起实践是检验真理的标准、科学理论对实践有着指导和预见作用的能力。

2．认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。

【教学重点】

质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解。

【教学难点】

结合能的概念、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系。

【教学过程】

一、复习提问、新课导入

提问：氦原子核中有两个质子，质子质量为mp=1.67×10-27kg，带电量为元电荷e=1.6×10-19C，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？（两者相差1036倍）

提问：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，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。

二、新课教学

（一）核力与四种基本相互作用

提示：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）。在相同的距离上，这两种力的强度差别很大。电磁力大约要比万有引力强1036倍。

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．核力：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力（强相互作用，也叫强力）。

提问：那么核力有怎样特点呢？

2．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1.5×10-15m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。

（4）核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。

3．四种相互作用

（1）万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来。

（2）电磁力：在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体。

（3）强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。

（4）弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子－质子转变的原因。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。

（二）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。

要将原子核拆散成单个核子，也一定需要的能量。

微观模型：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。

1．结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。

提问：将一个质子和中子结合在一起，会产生什么现象？若要把它们分开，需要什么条件？

将原子核拆分成单个核子需要吸收的能量，将单个核子结合成原子核所要放出的能量。

提问：如何理解结合能？

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。

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。

提问：结合能的大小与什么因素有关？

组成原子核的核子数。

2．组成原子核的核子数越多，结合能越大。

提问：结合能越大原子核是不是越难被拆散？即：结合能的大小能不能反映原子核的稳定程度？如何才能反映原子核的稳定程度？

引出比结合能。

3．比结合能：原子核的结合能与核子数之比称为比结合能，也叫平均结合能。

理解：核子结合成原子核时，平均每个核子所释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核子时，外界提供给每个核子的平均能量。

意义：它反映了一个原子核稳定程度。比结合能越大，原子核越稳定。

（三）质量亏损

提问：请计算一下方程左右的质量：

中子的质量=1.6749×10-27kg

质子的质量=1.6726×10-27kg

中子和质子的质量和=3.3475×10-27kg

氘核的质量=3.3436×10-27kg

计算得出质量差=0.0039×10-27kg

1．质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和。

2．爱因斯坦的质能方程：E＝mc2

质量亏损表明原子核内的确存在着结合能。

核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δ??，正表明它们在互相结合过程中放出了能量。

ΔE=Δmc2

【练习巩固】

1．氦原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则3种力从大到小的排列顺序是（    ）

A．核力、万有引力、库仑力

B．万有引力、库仑力、核力

C．库仑力、核力、万有引力

D．核力、库仑力、万有引力

答案：D

2．下列说法中正确的是（     ）

A．原子核内的所有质子间都存在核力和库仑力

B．对质子数较多的原子核，其中的中子起到维系原子核稳定的作用

C．重核比中等质量的核更稳定

D．两个质子之间不管距离如何，核力总大于库仑力

答案：B

3．下列说法正确的是（    ）

A．自由核子结合成原子核时，一定遵循质量守恒

B．在发生核反应时，反应前物质的总质量一定等于反应后所生成物质的总质量

C．发生核反应时，反应前的总质量大于反应后的总质量，这个反应是放能反应

D．发生核反应时，反应前的总质量大于反应后的总质量，这个反应必须吸收能量才能发生核反应

答案：C

4．下列说法中，正确的是（    ）

A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化

B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度

C．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成为能量

D．因在核反应中能产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒

答案：B

5．关于质能方程，下列说法中正确的是（    ）

A．质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量

B．物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值

C．物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系

D．某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的

答案：BD

6．太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近（    ）

A．1036kg    B．1018kg

C．1013kg    D．109kg

答案：D