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.知道質量虧損的概念并會計算。理解愛因斯坦質能方程的物理意義，并能計算核。

3.培養學生的理解能力、推理能力及數學計算能力。

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

核反應方程是本節課的一個重點，教師要引導學生按照質量數守恒和電荷數守恒的規律以及有關原子核與粒子的書寫規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現中子的。質能方程是本節課的第二個重點，也是難點。教師可以讓學生了解質量虧損的概念與計算方法，然后討論質能方程的物理意義，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盧瑟福發現質子的實驗裝置圖及操作過程文字說明。

②查德威克發現中子的示意圖。

③核反應方程N+He→O+HBe+He→C+n

④思考討論題組<一>、<二>。

⑤質能聯系方程

⑥核電站照片與數據。

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，上網查詢或下載一些有關核反應、核研究、核能的開發與利用的資料。

教具

教具：實物投影儀，多媒體課件。

教學過程

○問題情景呈現，導入新課

師：播放投影1：大亞灣核電站外觀圖及核反應堆；數據：1kg鈾235燃燒釋放出的原子核能相當于2500噸優質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，首先發現質子的實驗裝置圖，第一次實現了原子核的人工轉變。在原子核的轉變中，遵守哪些規律？如此巨大的核能是從哪里來的呢？這是我們在本節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律？

⑷試背寫出盧瑟福發現質子的核反應方程，查德威克發現中子的核反應方程。

⑸試比較說明核反應與化學反應的本質區別。

生：閱讀有關內容后，先獨立思考，然后抽查學生回答問題，互相評價，教師傾聽。點拔強調如下：

核反應是一種客觀變化。它遵守電荷數與質量數守恒兩條規律。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，結果是產生了新的元素，“點石問金”的夢想在核反應中得以實現；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，并無新元素的產生。

師；投影練習題組<二>。請同學們指出下列核反應方程的真偽，錯誤的加以糾正。

A.N+α→O+質子

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，指出真偽及錯誤所在。同時，請四位不同能力的學生上講臺改正并講述理由。

師：質量數和電荷數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物，檢驗核反應的真偽呢？下面我們一起體驗查德威克（英）在1832年是如何發現并確定“中子”的。（學生激起懸念，試目以待。）

師：投影幻燈片——中子是怎樣發現的？

天然放射性元素Po放出α粒子，轟擊鈹（Be）原子核時，發出了一種未知射線，這種未知射線可以從石蠟（含碳）中打出質子（H）。那么我們如何確定這種未知射線的本質特征呢？即確定它是否帶電？如果帶電的話，帶的是正電還是負電？電荷數如何？質量數如何？

學生分組討論，提出初步的設想及根據，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：未知射線是質量近似等于質子質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，然后啟發講解，投影如下內容：

愛因斯坦質能方程：E=mc2中，E表示物體的能量，m表示物體的質量，c表示真空中的光速。

①物體具有的能量與它的質量成正比，物體的能量增大了，質量也增大；能量減小了，質量也減小。

②任何質量為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：“把任何慣性質量理解為能量的一種貯藏，看來要自然得多。”所以質量于能量實質上是相象的，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表示物體的質量虧損，△E表示與△m相當的能量。如果物體的能量減小了△E，即向外釋放△E的能量，它的質量就會虧損△m=。理論和實驗都表明，只有在核反應中，才可能發生質量虧損，因而伴隨著巨大的能量向外輻射。例如，在中子和質子結合成氘核的過程中，由于發生了質量虧損，從而釋放出了2.2MeV的核能。

生：仔細閱讀教材及旁批內容。師生共同歸納計算核能的思路和步驟。

教師板書如下內容：

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量虧損△m。

然后，根據質能方程△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，物體的質量，將隨著速度的變化而變化（增大了）。

【教學設計說明】

本節的內容比較抽象，核能及質量虧損的計算繁、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以學生發展為主的教育理念。本節內容屬于本章的中心內容，承上啟下，地位重要。既要重視基本概念、規律的指導學習，又要通過中子發現等重要實驗學習，培養學生的探究意識和人文精神。采用“問題驅動與探究”的模式可以實現較為滿意的效果。

質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。