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2019-2020年高二物理 第十二章 D 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)教案 滬科版 一、教學(xué)任務(wù)分析 本節(jié)課的主要內(nèi)容為核力、核能、重核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等。是對(duì)原子核式結(jié)構(gòu)、天然放射性等知識(shí)的深化、總結(jié)和應(yīng)用。本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)核能開發(fā)利用、建立社會(huì)責(zé)任感有重要的意義。 學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容需要有庫(kù)侖定律、萬(wàn)有引力、原子核式結(jié)構(gòu)等方面的知識(shí)基礎(chǔ)。 本節(jié)的教學(xué)內(nèi)容包含三大部分：核力核能、重核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這三部分內(nèi)容在邏輯關(guān)系上是層層遞進(jìn)的，穿插它們的主線是“人們?nèi)绾卫煤四堋薄＝虒W(xué)中教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生實(shí)際，對(duì)知識(shí)做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充和拓展，使學(xué)生對(duì)本節(jié)所學(xué)的內(nèi)容更容易理解。 通過(guò)教學(xué)，不僅要學(xué)生了解什么是核能、如何利用核能，更重要的要讓學(xué)生感悟?yàn)槭裁匆煤四?、如何和平的利用核能等科學(xué)態(tài)度問題。建立正確的核利用倫理觀，同時(shí)增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。 二、教學(xué)目標(biāo) 1．知識(shí)與技能 （1）知道核力與核能。 （2）知道重核裂變是獲取核能的有效途徑之一。 （3）知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件。 2．過(guò)程與方法 通過(guò)核能、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等學(xué)習(xí)過(guò)程，感受類比和虛擬實(shí)驗(yàn)的方法。 3．情感、態(tài)度與價(jià)值觀 通過(guò)本節(jié)的學(xué)習(xí)，懂得科學(xué)技術(shù)是一把雙刃劍，感悟核能的開發(fā)與利用對(duì)建立一個(gè)和平、和諧社會(huì)的重要意義。 三、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn) 重點(diǎn)：重核裂變、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 難點(diǎn)：重核裂變是如何產(chǎn)生核能的。 四、教學(xué)器材和課件 “核爆炸”演示錄像；相關(guān)圖片。 五、教學(xué)設(shè)計(jì)思路 本節(jié)包含三部分內(nèi)容：核能、重核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。第一部分內(nèi)容的教學(xué)主要解決什么是核能的問題，后兩部分的教學(xué)主要解決如何利用核能的問題。 本教學(xué)設(shè)計(jì)以壯觀的核爆炸的錄像作為情景引入，在學(xué)生感受核爆炸無(wú)與倫比的威力同時(shí)，產(chǎn)生探究什么核能、如何利用核能的欲望。若要學(xué)生較清晰的理解什么是核能、以及如何利用核能，需要對(duì)核力的知識(shí)進(jìn)行適當(dāng)介紹。在本教學(xué)設(shè)計(jì)的開始特別的提供了一些數(shù)據(jù)，目的為了讓學(xué)生更好的感受核力的特點(diǎn)。在介紹核力的基礎(chǔ)上，再通過(guò)類比的方法，從而使學(xué)生較容易理解核能。 在了解了核能后，通過(guò)如何利用核能的設(shè)問過(guò)渡到重核裂變內(nèi)容的學(xué)習(xí)。但根據(jù)上面核能部分的學(xué)習(xí)，學(xué)生必然會(huì)產(chǎn)生：核裂變應(yīng)該吸收能量，怎么會(huì)放出能量的疑問。本教學(xué)設(shè)計(jì)是通過(guò)一個(gè)計(jì)算的活動(dòng)，來(lái)解決這個(gè)疑問的。有條件的學(xué)校可以在此補(bǔ)充平均結(jié)合能的知識(shí)。 若要持續(xù)、大量的獲得核能，靠單個(gè)重核的裂變是不行的，自然過(guò)渡到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)部分的學(xué)習(xí)。為了使學(xué)生更容易在腦海中建立微觀世界鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的圖景，教材設(shè)立多米諾骨牌的自主活動(dòng)，教學(xué)中可以做相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)，也可以播放多米諾骨牌的錄像來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。教學(xué)中還可以補(bǔ)充有焰燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行過(guò)渡，幫助學(xué)生理解。 沒有任何其它形式的能的利用象核能這樣引起人類廣泛的爭(zhēng)議，在本教學(xué)設(shè)計(jì)中，通過(guò)觀看廣島核爆炸模擬錄像以及就此展開的學(xué)生討論的活動(dòng)，目的是讓學(xué)生建立起正確對(duì)待核能的態(tài)度，首先應(yīng)肯定核能對(duì)人類的積極意義，同時(shí)也應(yīng)意識(shí)到濫用核能對(duì)人類帶來(lái)的巨大災(zāi)難。 本設(shè)計(jì)要突出的重點(diǎn)是：重核裂變、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。方法是：通過(guò)計(jì)算活動(dòng)，使學(xué)生理解核裂變?yōu)槭裁磿?huì)釋放出核能。通過(guò)多米諾骨牌的自主活動(dòng)，通過(guò)類比的方法，從而使學(xué)生在腦海中建立微觀世界鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的圖景。 本設(shè)計(jì)要突破的難點(diǎn)是：重核裂變是如何產(chǎn)生核能的。方法是：模擬計(jì)算活動(dòng)。 完成本設(shè)計(jì)的內(nèi)容需1課時(shí)。 六、教學(xué)流程 問題Ⅰ 設(shè)問2 情景 “核爆炸” 設(shè)問1 活動(dòng)Ⅰ 活動(dòng)1 活動(dòng)Ⅱ 活動(dòng)2 問題Ⅱ 問題1 問題Ⅳ 設(shè)問4 問題Ⅲ 設(shè)問3 臨界體積 核力 核能 重核裂變 鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 拓展練習(xí) 活動(dòng)Ⅲ 活動(dòng)3 問題Ⅴ 問題2 1、教學(xué)流程圖 2、對(duì)流程圖的說(shuō)明 情景 核爆炸錄像 播放核爆炸演示錄像，提出設(shè)問1：一次核爆炸釋放的能量大約是等量物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)釋放能量的百萬(wàn)倍。它是什么能？又是如何產(chǎn)生的呢？ 問題Ⅰ 設(shè)問2：原子核內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大的能量，但人類如何才能利用核能呢？ 問題Ⅱ 問題1：根據(jù)前面所述，分散的核子結(jié)合成原子核時(shí)會(huì)釋放能量，那么，重核裂變時(shí)為什么會(huì)釋放能量呢? 活動(dòng)Ⅰ 計(jì)算 活動(dòng)1：計(jì)算重核裂變前后的質(zhì)量變化。 問題Ⅲ 設(shè)問3：至此，可知裂變是獲得核能的一個(gè)重要途徑，那么，這種裂變能否持續(xù)下去，以獲得更多的核能呢？ 活動(dòng)Ⅱ 演示、實(shí)驗(yàn) 活動(dòng)2：教材P44自主活動(dòng)。 問題Ⅳ 設(shè)問4：根據(jù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原理，似乎任何鈾塊只要有中子進(jìn)入，都能發(fā)生連是反應(yīng)，但事實(shí)并非如此，為什么呢？ 活動(dòng)Ⅲ 觀看、討論 活動(dòng)3：觀看廣島核爆炸模擬錄像，并就此展開討論 問題Ⅴ 問題2：原子彈是一種劇烈的、不可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，能不能將鏈?zhǔn)椒磻?yīng)置于人為控制之下，將核能緩慢的釋放出來(lái)？ 3、教學(xué)的主要環(huán)節(jié) 本設(shè)計(jì)可分為四個(gè)具體的教學(xué)環(huán)節(jié)： 第一環(huán)節(jié)，核能。 第二環(huán)節(jié)，重核裂變。 第三環(huán)節(jié)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 第四環(huán)節(jié)，討論、拓展。 七、教案示例 （一） 情景導(dǎo)入 情景 觀看核武器爆炸的錄像。 設(shè)問1 一次核爆炸釋放的能量大約是等量物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)釋放能量的百萬(wàn)倍。它是什么能？又是如何產(chǎn)生的呢？ （二） 教學(xué)內(nèi)容 1、核能 （1）核力 在接受了原子核由質(zhì)子和中子組成的假設(shè)后，人們不禁要問：帶正電荷的質(zhì)子怎么能聚集在一起呢？ 因?yàn)椋?dāng)時(shí)人們只知道自然界中有兩種相互作用：電磁力和萬(wàn)有引力。質(zhì)子的質(zhì)量為1.6710-27kg，半徑為0.810-15m，所帶電量為一個(gè)基本電荷1.610-19庫(kù)侖，若核內(nèi)兩個(gè)質(zhì)子相距1.010-15m，根據(jù)庫(kù)侖定律，核內(nèi)的兩質(zhì)子間的斥力會(huì)使質(zhì)子以十分驚人的加速度飛散。 但通常的原子核卻很穩(wěn)定，這表明，在原子核內(nèi)，除了質(zhì)子間的庫(kù)侖力外，還存在另一種力。這種力將各種核子（組成原子核的粒子）緊緊地拉在一起，這種力叫核力。實(shí)驗(yàn)表明，核力具有以下特點(diǎn)： 【板書】（或投影）核力是核子之間的作用力。它具有如下特點(diǎn)： ① 核力是短程力，核力只有在原子核的線度內(nèi)才發(fā)生作用。大體上說(shuō)核子間的距離在0.8~2.0fm（1fm=10-15m）之間表現(xiàn)為引力，小于0.8fm表現(xiàn)為斥力，大于10fm時(shí)，核力消失。 ② 核力是一種強(qiáng)相互作用，質(zhì)子間產(chǎn)生庫(kù)侖斥力，而核力能抗拒庫(kù)侖斥力而使質(zhì)子緊密結(jié)合在一起，這說(shuō)明核力很強(qiáng)。它比庫(kù)侖力大100倍。 ③ 核力與核是否帶電荷無(wú)關(guān)，質(zhì)子間、中子間、質(zhì)子與中子間均存在的核力。 …… 核力的本質(zhì)，目前認(rèn)為是一種交換力。目前以介子場(chǎng)論作為核力的基本理論，它能作出很多有價(jià)值的定性說(shuō)明，但是這種理論還不完備，還存在嚴(yán)重的困難。核力的本質(zhì)，還沒有一個(gè)比較完美的理論來(lái)說(shuō)明，關(guān)于核力的本質(zhì)仍有待深入研究。 （2）核能 圖1：鈾核裂變示意圖 由于原子核內(nèi)的核子間存在著強(qiáng)大的核力，若要把原子核拆散成核子，需要克服核力做極大的功，或者說(shuō)需要有外界給以巨大的能量才能“轟開”原子核。反之，如果要把分散的質(zhì)子和中子結(jié)合成原子核，就會(huì)放出能量。（就如同一顆人造衛(wèi)星在擺脫地球的吸引力飛到太空中的過(guò)程中要消耗大量的能量，而天外隕石落到地球上來(lái)會(huì)釋放出大量的能量一樣。） 這表明，分散的核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出一定能量；原子核分解成核子時(shí)，要吸收同樣多的能量，這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能。原子核發(fā)生變化時(shí)，可能吸收能量，也可能釋放能量。這種釋放出的能量，通常叫做核能。 【板書】（或投影）原子核發(fā)生變化時(shí)放出或吸收的能量叫做核能。 設(shè)問2 原子核內(nèi)蘊(yùn)藏著巨大的能量，但人類如何才能利用核能呢？ 2、重核裂變 所謂的重核，就是質(zhì)量數(shù)較大的核。 重核的裂變是1939年德國(guó)物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼，用中子轟擊鈾核時(shí)發(fā)現(xiàn)的。 鈾核的裂變過(guò)程可以由圖1來(lái)示意，當(dāng)中子打進(jìn)鈾核后，就形成處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中的核子由于激烈運(yùn)動(dòng)，使核變成不規(guī)則形狀，核子間距離增大。由于核力只在極短的距離內(nèi)發(fā)生作用，核力迅速減小，因而不能克服核子間的庫(kù)侖斥力使核恢復(fù)原狀，核就分裂成兩部分，放出幾個(gè)中子，并伴有巨大的能量放出。 【板書】（或投影）重核受到其它粒子（如中子）轟擊時(shí)分裂成兩塊或兩塊以上中等質(zhì)量的核的過(guò)程稱為裂變。 問題1 根據(jù)前面所述，分散的核子結(jié)合成原子核時(shí)會(huì)釋放能量，那么，重核裂變時(shí)為什么會(huì)釋放能量呢? 活動(dòng)1 假定鈾235吸收一個(gè)中子后，裂變成一個(gè)溴85核和一個(gè)鑭148核，同時(shí)放出三個(gè)中子。鈾235的質(zhì)量為235.124，溴85的質(zhì)量為84.938，鑭148的質(zhì)量為147.96，中子的質(zhì)量為1.009。請(qǐng)考察鈾核裂變前后質(zhì)量總和的變化。 『同學(xué)計(jì)算：裂變前的質(zhì)量總和為：235.124＋1.009＝236.133； 裂變后的質(zhì)量總和為：147.96＋84.938＋31.009＝235.925； 裂變過(guò)程中質(zhì)量的減少為：236.133－235.925＝0.208。』 這些損失的質(zhì)量到哪兒去了呢？ 根據(jù)愛因斯坦相對(duì)論可知，它們變成了能量。愛因斯坦推導(dǎo)出一個(gè)著名的質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式：E＝mc2，其中c是光速，m是靜止物體的質(zhì)量，E是靜止物體所含的能量。由這個(gè)公式可以方便地計(jì)算出鈾核裂變放出的能量約為194兆電子伏。近似地說(shuō)來(lái)，每次裂變大約釋放200兆電子伏的能量。這個(gè)數(shù)值是非常巨大的，比如說(shuō)，1克鈾235完全裂變所釋放的能量，相當(dāng)于2,000,000克（2噸）優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)所釋放的能量。也就是說(shuō)，裂變能大約要比化學(xué)能大二百萬(wàn)倍！ 設(shè)問3 至此，可知裂變是獲得核能的一個(gè)重要途徑，那么，這種裂變能否持續(xù)下去，以獲得更多的核能呢？ 3、鏈?zhǔn)椒磻?yīng) （1）鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 活動(dòng)2 P44頁(yè)“自主活動(dòng)”。 『得出當(dāng)?shù)谝粔K骨牌傾倒，會(huì)導(dǎo)致其它骨牌接連傾倒，形成連鎖反應(yīng)?！? 鈾核裂變時(shí)，一是放出中子，二是放出巨大的能量，這兩種可貴的性質(zhì)緊緊地吸引著人們的注意力。人們特別感興趣的是每次裂變究竟能放出多少個(gè)中子，因?yàn)檫@關(guān)系到究竟能否實(shí)現(xiàn)持續(xù)的核裂變。 經(jīng)過(guò)許多科學(xué)工作者的努力，很快就確定了每個(gè)鈾235核發(fā)生裂變時(shí)平均約放出2.5個(gè)中子。大自然為我們作了這—具有特殊意義的安排：次級(jí)中子數(shù)大于1！從而使鈾核裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)成為不平凡的發(fā)現(xiàn)。一個(gè)鈾核在一個(gè)中子作用下發(fā)生裂變，如果裂變時(shí)放出兩個(gè)次級(jí)中子，這兩個(gè)次級(jí)中子又引起兩個(gè)鈾核發(fā)生裂變，放出四個(gè)次級(jí)中子，這四個(gè)中子再引起四個(gè)鈾核發(fā)生裂變……。如此下去，反應(yīng)的規(guī)模將自動(dòng)地變得越來(lái)越大，一幅鈾核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的圖景（如圖2），立即展現(xiàn)在我們面前，它吸引了多少科學(xué)家??！確實(shí)，科學(xué)家們?yōu)閷?shí)現(xiàn)核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使之造福于人類，而付出了巨大的勞動(dòng)。 圖2：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)示意圖 【板書】（或投影）重核裂變時(shí)放出的中子引起其它重核的裂變，可以使裂變不斷進(jìn)行下去，這種反應(yīng)就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 設(shè)問4 根據(jù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原理，似乎任何鈾塊只要有中子進(jìn)入，都能發(fā)生連是反應(yīng)，但事實(shí)并非如此，為什么呢？ 這是因?yàn)?，鈾塊的體積對(duì)于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也是一個(gè)重要因素。因?yàn)樵雍朔浅Ｐ?，如果鈾塊的體積不夠大，中子從鈾塊中通過(guò)時(shí)，可能還沒有碰到一個(gè)鈾核就跑到鈾塊外面去了。 【板書】（或投影）能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫做它的臨界體積。 如果鈾235的體積超過(guò)臨界體積，只要有中子進(jìn)入，就會(huì)立即引起鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在極短時(shí)間內(nèi)釋放出大量核能，發(fā)生猛烈的爆炸。原子彈就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。圖3是我國(guó)第一顆原子彈地面爆炸時(shí)產(chǎn)生的火球照片。 圖3：我國(guó)第一顆原子爆炸的情景 活動(dòng)3 觀看廣島原子彈爆炸的電腦模擬錄像，并就“原子彈的積極與消極意義”進(jìn)行討論。 『……』 問題2 原子彈是一種劇烈的、不可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，能不能將鏈?zhǔn)椒磻?yīng)置于人為控制之下，將核能緩慢的釋放出來(lái)？ （三） 拓展練習(xí) 1、假設(shè)每個(gè)鈾核裂變時(shí)平均釋放能量200MeV，1g鈾235在裂變后所釋放的能量是多少?相當(dāng)于多少千克的煤完全燃燒釋放的能量?已知煤的燃熱值是4.6106J／kg 2、探究活動(dòng) 題目：查閱核武器殺傷作用的防御的相關(guān)資料，并加以整理，以便于交流。 組織：個(gè)人 評(píng)價(jià)：科普性、教育性