教学设计
课题 5.3 核力和结合能
课型 新授课√ 章/单元复习课□ 专题复习课□ 实验探究课□ 习题/试卷讲评课□ 课题研究课□ 学科实践活动课□ 其他□
教学内容分析
本节课为第五章原子核的第3节课，按照大单元下次单元的划分属于第二小单元第一部分。 在“质子和中子是原子核的组成成分”提出以后，有个当时未能解释的问题，那就是原子核中带正电的质子为什么能挤在一起而不飞散？本节课在这个问题的基础上介绍了四种基本相互作用，阐明万有引力、电磁力和强相互作用分别在不同的尺度上发挥作用。物理学家还发现，在某些放射现象中起作用的是弱相互作用，它的力程比强相互作用更短，是引起原子核β衰变的原因。 结合能的概念是本章重要的基础知识。本节课在让学生了解核力性质的基础上，通过推理、类比进行了比较充分的阐述。首先，从学生熟悉的宏观现象出发，回顾两个物体为了结合而付出的代价——失去了一部分能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们能量；然后，又讨论了类似的情形，即氢原子的电离也需要吸收能量。依此类推，原子核是核子凭借核力结合在一起的，核子结合成原子核会释放能量。要把核子分开，也需要提供能量，从而引出结合能的概念。 可在此基础上介绍了比结合能的概念。之后，在介绍质量亏损的内容中特地安排了一个例题，让学生从具体的事例中认识到什么是质量亏损，从质量亏损推知原子核的结合能。这样就对结合能形成了一个比较完整的认识。
学情分析
学生已经熟知库仑定律和万有引力定律，知道地球围绕太阳运动时因为万有引力，电荷间的相互作用是因为库仑力，但不清楚是什么使原子核在那样狭小的空间里，把带正电的质 子紧紧地束缚在一起而不飞散开。本节课以此为契机，让学生产生强烈的认知冲突，激发其学习兴趣，从而引入新概念。 学生在前期的学习，已经具备一定的能量观念和守恒思想。按照书中提供的线索进行结合能的教学，学生容易把结合能理解为“原子核具有的能量”。因此这里要引导并强调要拆散原子核，必须赋予原子核能量，这个能量就是原子核的结合能。再次引导学生理解这个能量也等于核子结合成原子核而释放的能量。引导学生利用已学过的质能方程，计算结合能的数值，加深理解和运用。 学生能运用质能方程，能量守恒定律，思考原子核在发生变化时，其变化前后的总质量是不同的。引导学生理解这种质量的差异对应的就是核反应中所吸收或释放的能量，也就是质量亏损。受化学学科仲化学反应前后质量守恒影响，学生容易产生歧义，认为质量亏损意味着质量守恒定律在核反应中不成立。因此必须向学生说明，原子核反应中的质量亏损并不破坏质量守恒定律，因为质量、能量是物质存在的两种不同的表现形式，一定的质量和一定的能量相对应。
学习目标
1.物理观念：通过合作学习，知道四种基本相互作用，知道核力的性质；通过资料查询和合作探究，能用质量亏损的概念结合质能方程计算核能相关的问题。 2.科学探究与思维：通过科学推理，掌握核力的概念和特点；通过宏观模型与微观模型类比分析，得出结合能的概念。在学习的过程中，逐渐培养科学推理，类比分析的能力。 3.科学责任与态度：学习科学家们严谨的科学态度，坚持实事求是，从具体实例和物理资料查阅过程中培养学习兴趣、探索科学的能力和责任。
学习重点难点
教学重点： 结合能和比结合能、质量亏损。 教学难点： 利用质能方程计算结合能的方法，结合能和比结合能的区别和意义。
教学辅助支持
希沃白板，视频云平台
教学活动设计
过程学习内容与教师活动学生任务/活动设计设计意图及对应目标达成环 节 一 微思考1：探讨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？ 教师活动： （1）引导学生猜想是万有引力或库仑力 （2）给定数据，引导学生计算验证。 氦原子核中有两个质子，质子质量为=kg，带电量为元电荷e=C，原子核的直径的数量级为m，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） （3）引导学生得出结论：核子不可能靠自身万有引力抗衡库仑斥力。 进一步引导学生猜想：存在第三种力——核力，是核力把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。学生任务 完成微思考1，并在教师引导回顾库仑定律和万有引力定律 学生活动 根据所给数据，分组讨论计算结果 结果展示，得出结论，并作出猜测运用教材开篇问题，让学生从熟悉的库仑定律和万有引力定律出发，比较氦原子核中两个质子之间的库仑斥力与万有引力的大小。通过合作计算，比较结果，让学生产生强烈的认知冲突，从而引入新课，即核力的概念。小结： 注意引导计算结果，简化计算过程，起到温故知新作用即可环 节 二微思考3：什么是核力，什么是四种相互作用，他们有什么特点呢？ 带着问题引导学生阅读教科书关于核力和四种基本相互作用的内容，分组讨论、总结并回答核力的特点。 教师评价小组总结成果，并引导学生小组再总结，再展示。 得出核力和四种基本相互作用的概念 书写板书学生任务 阅读教材，完成微思考3什么是核力以及四种相互作用。 学生活动 小组讨论核力的特点和四种基本相互作用的内容 小组展示 总结归纳 评价后改进总结，展示 填写任务清单 引导学生自主阅读，并进行小组学习，归纳总结展示。 教师根据小组结论进行评价（是否总结准确，是否有自己小组的理解，是否有所欠缺需要补充，是否有所偏差），通过评价结果，小组再讨论，总结，从而得出结果提出问题： 微思考4：四种相互作用在不同尺寸都发挥什么作用呢？ 引导学生再次阅读，小组合作讨论，精炼结果。 得出四种相互在作用在不同尺寸的作用 书写板书学生任务 阅读教材，完成微思考4问题 学生活动 合作讨论，精炼结论 成果展示 反思评价，再得结果科学探索：人们对于核力的了解还很不够，尤其是小于m 时的核力的变化规律还不清楚，有待于后人们的进一步研究……，感兴趣的同学在课下也可以搜集资料作为自己的物理小课题与大家分享培养学生积极探索意识，以及自主学习能力。环 节 三微思考5：我们再来考虑一个问题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。两个物体因为结合而损失了一些能量，如果要把它们分开，需要么样？（建立宏观模型）学生活动 回答微思考5的问题，并通过问题引导建立宏观模型。 引导学生从已知的宏观模型问题知道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，需要重新赋予能量，从而引出下一个内容引发学生类比推理。内容 微思考6：如果要把原子核中的两个核子分开，可用什么办法？能否类比宏观模型呢？ 希沃白板展示：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。 微思考7：结合刚才的展示，思考把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系？学生任务 完成微思考6 类比推理核子分开需要释放能量。 3.结合任务4，回答问题。 学生任务 观看希沃展示视频 结合视频内容，独立完成微思考7 通过类比推理和微观模型建立及展示，让学生对与结合能的概念有了直观的认识和深刻的理解，尤其是引导学生掌握结合能是在核反应中释放的能量而不是具有的能量教师通过刚才环节，讲授结合能的概念。 书写板书 学生活动 学生记录，完成学习任务单微思考8：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？ 先不评价学生任务六的完成，留出悬念，让学生们先看希沃白板展示 希沃白板展示如下： 虽然U-235比Li-6结合能大，但是却没有Li-6稳定，因为它的一个核子的结合能小。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，也叫平均结合能。比结合能越大，原子核中核子结合的越牢固，原子核越稳定。 书写板书学生任务 独立完成微思考8，得出自己的答案。 学生活动 观看希沃白板展示，得出微思考8正确答案。 熟知什么是比结合能，以及其物理意义。 学生会按照惯性思维，错误的认为“结合能越大，原子核越稳定”。先制造问题冲突，通过问题一步步引导，希沃展示后教师讲解，使学生充分理解比结合能的概念及物理意义。小结： 引导学生充分认识到结合能是对应一种变化的能量，是吸收或者释放的能量。比结合能是反映整原子核的稳定程度的物理量而不是结合能 环 节 四微思考9：原子核的结合能够测量吗？如果能怎么操作，如果不能怎样的出原子核的结合能呢？ 希沃白板展示理论推导过程：学生任务8 1.阅读教材，完成微思考9； 2.观看希沃白板展示理论推导过程； 3.理解记忆，并完成学习任务单。 依据学生已有的认识，它们会认为能量都是可以直接测量出来的。但结合能比较难与直接测量，可以结合爱因斯坦质能方程“推理”得出。 这也为接下来的例题解答做出示范。降低例题解决难度。引导学生根据刚才的思路解决例题。 评价小组展示成果 给出规范答案并进行讲解 学生任务 独立完成例题 学生活动 小组合作交流例题解答 小组代表展示成果 修改例题解答 学生可以依据刚才教师希沃展示方法，先尝试独立解题。然后再进行小组合作交流。最后代表展示。教师评价小组陈果，指出明显问题和不足，鼓励优质小组成果。学生根据评价修改，并可以进一步思考完成下一个内容。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。 希沃展示： 学生任务 1.观看希沃展示，完成学习任务单 2.理解什么是质量亏损 微思考10：有人认为质量亏损就是质量不守恒了，这种认识对不对？ 希沃展示： 一定的质量总跟一定的能量对应，核子在结合成原子核时总质量减少了，相应的总能量也要减少。根据能量守恒定律，减少的这部分能量不会凭空消失，它要在核子结合时释放出去。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。 在核反应中往往伴随巨大的能量释放或吸收现象。原子核的质量亏损并不破坏质量守恒定律。例如：在核反应中，以γ辐射的形式释放能量，它的能量与氘核的质量亏损相当。 学生活动 小组讨论微思考10，组内形成一定共识 学生任务 学习希沃展示，通过实例，理解质量亏损不意味着质量守恒定律不成立 利用守恒思想，和质能方程，加深对结合能和比结合能的理解。同时得出质量亏损不意味着质量不守恒。我们都知道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。 微思考11：什么样的原子核的比结合能最大？ 它平均每个核子的质量亏损怎么样？ 引导学生阅读思考，得出答案。阅读教材，完成微思考11 通过图像和计算知道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。 通过图像，理论计算加深学生对比结合能和质量亏损的理解，这也为后续的裂变和聚变的学习埋下伏笔。 环 节 五微训练： 基础 1. 从以下几个方面比较核反应与化学反应 的相同和相异之处。 （1）它们各自涉及四种基本相互作用中的哪 一种？ （2）每种反应分别改变了或重新安排了什么？ 2. 为什么原子核的比结合能越大，原子核越稳定？ 3.生活中，我们常能看到物体的能量发生了变化，为什么觉察不到物体质量发生的变化？ 提升 1.原子物理中常把碳 12 原子质量的叫 作“ 原 子 质 量 单 位 ”， 用 1 u 表 示（1 u＝ kg）。 请根据证明：l u相当于931.5 MeV 的能量。已知光速c为 m/s，元电 荷e为C。 2.静止的镭核 发生衰变，放出一个α粒子变为氡核Rn，已知镭核的质量为224.0248u，氡核的质量为220.0162u，α粒子的质量为4.0026u。（1u相当于931.5MeV的能量） （1）写出核反应方程________； （2）核衰变放出________MeV的能量（结果保留2位有效数字）。 小组研讨，成果展示，教师点评讲解。学生活动 小组讨论 成果展示 评价反思，书写记录本节课采用微训练旨在帮助学生掌握课程基础知识，加强学生理解。将教科书课后第1，2，3道习题作为课堂微训练基础题，课后第4题作为课堂微训练提升题训练，并引入课外习题一道作为提升训练。 第 1 题要求学生能够从人工转变与衰变的物理意义和核反应方程两个方面出发，全面认识核反应与化学反应的根本区别，加强学生思考、理解能力的锻炼。第 2 题要求学生理解结合能与比结合能的概念，知道比结合能的大小才是决定原子核稳定程度的因素。第 3 题也是考查对概念的理解，学生需知道宏观与微观的不同，能够区分不同类型的能量及能量转化。 提升题1，2旨在通过简单的计算，加深学生对于质能方程，结合能和质量亏损的理解。课堂小结
板书设计5.3 核力和结合能 学习任务单
学科：物理 年级：高二
【学习目标】
知道核力及四种基本相互作用，知道四种相互作用在不同尺度的特点
理解结合能，比结合能的概念；理解比结合能的意义
掌握什么是质量亏损，什么是质能方程，能利用质能方程和质量亏损计算结合能
【重点难点】
重点：结合能和比结合能、质量亏损。
难点： 利用质能方程计算结合能的方法；结合能和比结合能的区别和意义。
【学习过程】
一、核力与四种相互作用
微思考1：探讨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？
微思考2（计算验证）：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？
微思考3什么是核力，什么是四种相互作用，他们有什么特点呢？
微思考4：四种相互作用在不同尺寸都发挥什么作用呢？
核力：
四种基本相互作用
万有引力：
电磁相互作用：
强相互作用：
弱相互作用：
科学探索：人们对于核力的了解还很不够，尤其是小于m 时的核力的变化规律还不清楚，有待于后人们的进一步研究……，搜集资料作为自己的物理小课题与大家分享
二、结合能
微思考5：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。两个物体因为结合而损失了一些能量，如果要把它们分开，需要么样？
微思考6：如果要把原子核中的两个核子分开，可用什么办法？能否类比宏观模型呢？
微思考7：结合刚才的展示，思考把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系？
结合能：
微思考8：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？
比结合能：
质量亏损
微思考9：原子核的结合能够测量吗？如果能怎么操作，如果不能怎样的出原子核的结合能呢？
质量亏损：
微思考10：有人认为质量亏损就是质量不守恒了，这种认识对不对？
微思考11：什么样的原子核的比结合能最大？它平均每个核子的质量亏损怎么样？
【达标检测】
基础训练
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
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
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
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
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
能力提升
6.“玉兔号”月球车上有一种小型核能电池，以提供月球车长时间处于黑夜工作时需要的电能，核能电池中核反应方程为，下列说法正确的是（ ）
A．X是中子 B．X的电离能力比α粒子强
C．该核反应为重核的裂变反应 D．的比结合能比的比结合能大
7.中子n、质子p、氘核D的质量分别为mn、mp、mD。现用能量为E的γ射线照射静止的氘核使之分解，反应方程为，若分解后的中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是（ ）
A． B．
C． D．
8.两个氘核结合成一个氦核，已知氘核 质量为2.014 1 u，氦核质量为4.002 6 u。求出
1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。阿 伏加德罗常数NA为6.0×1023 mol-1 ，氘核的摩尔 质量为2 g/mol，l u相当于931.5 MeV的能量。
9.在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中H的核反应，间接地证实了中微子的存在。
（1）中微子与水中的H发生核反应，产生中子（n）和正电子（e），即：中微子＋H→n＋e，可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是______；
（2）上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子（γ），即e＋e→2γ，已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31kg，反应中产生的每个光子的能量约为______J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么？
【拓展延伸】
一个铀核衰变为钍核时释放一个 α 粒子。1kg在这个衰变过程中释放的能量等于多少焦耳？（已知铀核的质量为kg，钍核的质量为 kg，α粒子的质量为 6.646 72×10-27 kg）。
