核反應與核能物理教案

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教學目標

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(zhì)量虧損的概念并會計算。理解愛因斯坦質(zhì)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。

教學重點、難點分析

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(zhì)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(zhì)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(zhì)量虧損的概念與計算方法，然后討論質(zhì)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(zhì)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。

課時安排

1課時

課前準備

教師：制作如下幻燈片：

①盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的實驗裝置圖及操作過程文字說明。

②查德威克發(fā)現(xiàn)中子的示意圖。

③核反應方程N+He→O+HBe+He→C+n

④思考討論題組<一>、<二>。

⑤質(zhì)能聯(lián)系方程

⑥核電站照片與數(shù)據(jù)。

⑦課堂練習題<一>、<二>。

⑧課堂小結。

學生：閱讀有關核能方面的科普書籍，上網(wǎng)查詢或下載一些有關核反應、核研究、核能的開發(fā)與利用的資料。

教具

教具：實物投影儀，多媒體課件。

教學過程

○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2500噸優(yōu)質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)區(qū)別。

生：閱讀有關內(nèi)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(diào)如下：

核反應是一種客觀變化。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(chǎn)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(chǎn)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)危e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(zhì)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(chǎn)物，檢驗核反應的真?zhèn)文兀肯旅嫖覀円黄痼w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？

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(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，帶的是正電還是負電？電荷數(shù)如何？質(zhì)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(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(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(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于mc2的能量。由于c2非常大（9×1016m2/s2），所以對質(zhì)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(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=△m•c2，其蘊含著怎樣的意義？△m表示物體的質(zhì)量虧損，△E表示與△m相當?shù)哪芰俊Ｈ绻矬w的能量減小了△E，即向外釋放△E的能量，它的質(zhì)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(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：仔細閱讀教材及旁批內(nèi)容。師生共同歸納計算核能的思路和步驟。

教師板書如下內(nèi)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(zhì)量虧損△m。

然后，根據(jù)質(zhì)能方程△E=△m•c2，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=1.6022×10-19J

1u（原子質(zhì)量單位）=1.6606×10-27kg

②1u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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量，將隨著速度的變化而變化（增大了）。

【教學設計說明】

本節(jié)的內(nèi)容比較抽象，核能及質(zhì)量虧損的計算繁、難。但是，教學大綱要求較高，應予重視。在教學設計上真正體現(xiàn)以學生發(fā)展為主的教育理念。本節(jié)內(nèi)容屬于本章的中心內(nèi)容，承上啟下，地位重要。既要重視基本概念、規(guī)律的指導學習，又要通過中子發(fā)現(xiàn)等重要實驗學習，培養(yǎng)學生的探究意識和人文精神。采用“問題驅動與探究”的模式可以實現(xiàn)較為滿意的效果。

質(zhì)能方程不僅適用于原子核的人工轉變，還適用于衰變、裂變、聚變。

另外，在無光子輻射的情況下，核反應中釋放的核能轉化為生成的新核和粒子的動能，因而可利用動量守恒和能量守恒定律來計算核能。