选择性必修 第三册3 核力与结合能教案设计

这是一份选择性必修 第三册3 核力与结合能教案设计，共7页。教案主要包含了新课引入，新知探究，课堂小结，随堂演练，教学反思等内容，欢迎下载使用。

物理观念∶了解四种基本相互作用与核力的特点，理解结合能、比结合能和质量亏损的基本观念和相关实验。
科学思维∶理解引力作用是天体间的力（比较显著），电磁相互作用的表现在分子级别上，强相互作用在原子核，弱相互作用又比原子核小很多的级别上。
科学探究：通过教材上的科学推理，掌握其实质，培养科学推理的能力。
科学态度与责任∶学习科学家们严谨的科学态度，坚持实事求是，培养学习、探索科学的兴趣和责任。
教学重难点
教学重点：结合能和比结合能、质量亏损。
教学难点：结合能和比结合能。
教学过程
【新课引入】
原子核是由中子和质子构成的。在原子核那样狭小的空间里，是什么力量把带正电的质子紧紧地束缚在一起而不飞散开呢?
是万有引力吗？
质子相互间距数量级是10-15m；质子质量数量级10-27kg。质子电荷量数量级10-19C；万有引力常量数量级10-11,静电力常量数量级109。
结论：万有引力太小，只有库仑力的10-35到10-36之间 。
原子核中的质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。
猜想：原子核内还有第三种力——核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。
【新知探究】
（一）核力与四种基本相互作用
1.引力相互作用
17世纪下半叶，人们发现了万有引力。正是万有引力把行星和恒星聚在一起，组成太阳系、银河系和其他星系（动图展示）。引力是自然界的一种基本相互作用，地面物体所受的重力只是引力在地球表面附近的一种表现。
2.电磁相互作用
动图展示：电荷间、磁体间的相互作用。
从本质上说它们是同一种相互作用的不同表现，这种相互作用称为电磁相互作用或电磁力。它也是自然界的一种基本相互作用。
宏观物体之间的压力、拉力、弹力、支持力等等，都起源于这些电荷之间的电磁相互作用。
3.强相互作用
原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。
短程力：约在10-15m量级时起作用。
4.弱相互作用
在某些放射现象中起作用的另一种基本相互作用。（动图展示）
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。
短程力：约在10-18m量级时起作用
这样，万有引力、电磁力和强相互作用分别在不同的尺度上发挥了作用。
（二）结合能
假设有两个相距很远的物体，在万有引力的作用下互相靠近：引力势能→为动能→内能→损失能量。 反过来，你想拆散他俩，就肯定得重新赋予他们失去的这部分能量。
同样的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、让氢原子吸收光子等途径使它得到13.6eV的能量。它才会电离。
放到原子核层面则有：
自由核子形成原子核所释放的能量，或者原子核重新分为自由核子，需要吸收的能量，叫做原子核的结合能。
思考：如果结合能越大，就说明把原子核分开，所需要的能量越大，是不是就意味着原子核越稳定吗？
并非如此，因为原子核越大，包含的核子个数越多，结合能通常也会越高，但这并不能说明他们稳定。
比结合能：结合能与核子数的比值。
也就是平均到每一个核子的结合能大小来反应原子核的稳定性。比结合能越大表示原子核越稳。
画出不同原子的比结合能不同原子的图像。
从左到右原子核的质量数不断增大，可以看出中等大小的原子核比结合能相对较大，其中铁元素的比结合能最大，所以在自然界中铁元素的原子核最稳定。
（三）质量亏损
原子核的结合能很难直接测量。幸好，爱因斯坦已经给我们指出了物体的能量与它的质量的关系，即
E = mc2
质子的质量：mp=1.6726×10-27kg
中子的质量：mn=1.6749×10-27kg
用质谱仪或其他仪器测定某种原子核的质量，与同等数量的质子、中子的质量之和相比较，看一看两条途径得到的质量之差，就能推知原子核的结合能。
课本例题
已知中子的质量mn=1.6749×10-27kg，质子的质量mp=1.6726×10-27kg，氘核的质量mD=3.343×10-27kg较小的，求氘核的比结核能。
分析：氘核是由1个质子和1个中子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，需要吸收能量，这个能量就是氘核的结合能。由氘核的质量与同等数量的核子质量之间的差值就可以求出与这一质量亏损相对应的能量，再根据氘核的核子数求出氛核的比结合能。
解：在这个方程中左右两边的质量差，就是质量亏损。（γ光子没有质量）
△m=（mn+mp）-mD=3.90×10-30kg
这个质量差对于的能量△E =△mc2=3.90×10-30×（3.00×108）2=3.51×10-13J
能量单位常常使用电子伏特1eV=1.6×10-19J
所以，氘核的结合能是
氘核的比结合能
。
那咱终于明白亏损的这部分质量，最后是变成结合能飞走啦。
通过这个例题可以看出，原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫作质量亏损。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。
例1：下列说法正确的是（ ）
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
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
核反应中发现的"质量亏损"是消失的质量转变为能量
因为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
解析∶E= mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系 ，故选项A错误，选项B正确。核反应中的"质量亏损"并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，故选项C错误。在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，故选项D错误。选B。
例2：关于质能方程，下列说法正确的是（ ）
质量减少，能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量
物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值
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
一定量的质量总是与一定量的能量相联系的
解析∶质能方程E= mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的。当物体获得一定的能量，即能量增加某一定值时，它的质量也相应增加一定值，并可根据△E= △mc2进行计算，所以选项BD正确。
例3：质子、中子和氘核的质量分别为 m1、m2和 m3，真空中光速为c，当质子和中子结合成氘核时，放出的能量是（ ）
m3c2
(m1 +m2)c2
(m3-m2-m1)c2
(m1 +m2-m3)c2
解析∶△m=（m1十m2一m3），△E= △mc²，故选项D正确.
【课堂小结】
【随堂演练】
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．1036kgB．1018kg
C．1013kgD．109kg
答案：D
【教学反思】
本节内容比较抽象，学生很难难解一些概念，微观世界的规律不太容易接受，在教学过程中，用宏观世界的规律来进行对比教学，有助于学生理解，多举例，多用数据去辅助教学，就能让学生更加信服，是教学效果更好。另外爱因斯坦质能方程E=mc2，通过练习讲清楚质量与能量的关系。