5.3 核力与结合能 教案

《核力与结合能》教学设计
【课标要求】
了解核力性质。
知道四种相互作用
认识原子核的结合能。
【学习目标】
（1）知道4种基本相互作用，知道核力的性质。
（2）认识原子核的结合能和比结合能的概念。
（3）能用质量亏损和智能方程计算核能相关的问题。
【教材分析】
本节是在学生已经学习了原子核是由质子和中子组成的基础上，探究是什么作用使质子和中子有机的组成一个稳定的整体。为此首先安排了“核力与四种相互作用”阐明万有引力、电磁力和核力分别在不同的尺度上发挥作用。在这一部分，充分体现了大胆“猜想”在研究中的作用。核力是从力的角度认识原子核，结合能是从能的角度认识原子核。
【学情分析】
学生已经学习了库仑力，知道同种电荷之间相互排斥，但是质子带正电，是如何紧密结合在一起的。如何从力的角度和能的角度认识原子核，也是学生比较想知道的。同时这一部分的学习，为后续的裂变和聚变学习打下基础。
【教学过程】
（1）问题引入
原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成的。在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子为什么能够挤在一起而不散开？是万有引力的作用吗？
可以让学生通过计算，去比较万有引力和库仑力的大小，为了计算方便，仅给出数量级。
质子间距数量级为10-15m；质子质量数量级为10-27kg；质子电量数量级为10-19kg；万有引力常量数量级为10-11；静电力常量数量级109。
通过计算发现
由此看到，万有引力无法抵消库仑力斥力，物理学家发现：有第三种力存在，是这种力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。这就是核力
（2）核力
使核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核的力
1.核力是一种强相互作用。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。
2. 核力是短程力。约在10-15m量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力；距离小于
0.8×10-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起；距离为10×10-15m时核力几乎消失
3. 核力具有饱和性，即每个核子只跟相邻的核子产生核力作用。
4. 核力与电荷无关，它存在于质子、质子间,中子、中子间，质子、中子间。
（3）四种相互作用
要说明四种相互作用在不同的尺度上。
（4）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。
由于核子间存在着强大的核力，所以核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化。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。
微观模型：用γ光子照射氘核，可以使它分解为一个质子和一个中子，从实验知道，只有当光子能量等于或者大于2.22MeV时，这个反应才会发生。相反的过程是一个质子和一个中子结合成氘核，要放出2.22MeV的能量，这个能量以γ光子的形式辐射出去。核反应方程如下：
可以从核力做功的角度，让学生更好的理解结合能。同时要强调，结合能对应一种变化的能量，是吸收或者释放的能量。
问：结合能越大，原子核是不是越难被拆开？
结合能大小能反应原子核的稳定程度吗？
核子数目多，结合能自然要大一些，但是是不是每两个核子之间的结合更紧密呢？因此只有一个核子的结合能才能反映整个原子核的稳定程度，既比结合能。原子核的结合能与核子数之比，叫做比结合能。
U-235 Li-6
虽然U-235比Li-6结合能大，但是却没有Li-6稳定，因为它的比结合能小。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．中等大小的核的比结合能最大，最稳定．
（5）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，既E=mc2。单个的质子、中子的质量已经精确测定，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。
通过一道例题，让学生清晰原子核结合能以及比结合能的运算。
注意题目当中能量单位的换算。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（mass defect）。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。
问题：1、有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？
2、质量亏损是不是这部分质量消失了或转变为能量了呢？
3、爱因斯坦质能方程中说明质量和能量可以相互转化吗？
通过这几个问题，让学生清晰能量和质量之间的关系，他们之间仅仅是对应关系，质量没有转化为能量，能量也没有转化为质量。同时，如果把能量对应的动质量也计算出来，那整个质量也是守恒的。
不同原子核的比结合能是不一样的，下图是按照实际测量结果画的图线。可以看出，中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。为后续的裂变和聚变的学习埋下伏笔。
（5）课堂小结
【习题练习】
1、辨析题
（1）．原子核中粒子所受的万有引力和电磁力可以达到平衡．( )
（2）．核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大．( )
（3）．弱相互作用是引起原子核β衰变的原因．( )
（4）．原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量．( )
（5）．比结合能越大，原子核越稳定．( )
（6）．质能方程E＝mc2表明了质量与能量间的一种对应关系．( )
参考答案：×，×，√，×，√，×
2、(多选)对结合能、比结合能的认识，下列说法正确的是(　　)
A．核子结合为原子核时，一定释放能量
B．核子结合为原子核时，可能吸收能量
C．结合能越大的原子核越稳定
D．比结合能越大的原子核越稳定
答案：AD
3、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”是消失的质量转变为能量
D．因为在核反应中产生能量，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