2019-2020年高二物理 第十二章 D 鏈式反應教案 滬科版.doc

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2019-2020年高二物理 第十二章 D 鏈式反應教案 滬科版 一、教學任務分析 本節(jié)課的主要內容為核力、核能、重核裂變和鏈式反應等。是對原子核式結構、天然放射性等知識的深化、總結和應用。本節(jié)內容的學習對學生認識核能開發(fā)利用、建立社會責任感有重要的意義。 學習本節(jié)內容需要有庫侖定律、萬有引力、原子核式結構等方面的知識基礎。 本節(jié)的教學內容包含三大部分：核力核能、重核裂變和鏈式反應。這三部分內容在邏輯關系上是層層遞進的，穿插它們的主線是“人們如何利用核能”。教學中教師應根據學生實際，對知識做適當的補充和拓展，使學生對本節(jié)所學的內容更容易理解。 通過教學，不僅要學生了解什么是核能、如何利用核能，更重要的要讓學生感悟為什么要利用核能、如何和平的利用核能等科學態(tài)度問題。建立正確的核利用倫理觀，同時增強社會責任感。 二、教學目標 1．知識與技能 （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）知道鏈式反應和產生鏈式反應的條件。 2．過程與方法 通過核能、鏈式反應等學習過程，感受類比和虛擬實驗的方法。 3．情感、態(tài)度與價值觀 通過本節(jié)的學習，懂得科學技術是一把雙刃劍，感悟核能的開發(fā)與利用對建立一個和平、和諧社會的重要意義。 三、教學重點和難點 重點：重核裂變、鏈式反應。 難點：重核裂變是如何產生核能的。 四、教學器材和課件 “核爆炸”演示錄像；相關圖片。 五、教學設計思路 本節(jié)包含三部分內容：核能、重核裂變和鏈式反應。第一部分內容的教學主要解決什么是核能的問題，后兩部分的教學主要解決如何利用核能的問題。 本教學設計以壯觀的核爆炸的錄像作為情景引入，在學生感受核爆炸無與倫比的威力同時，產生探究什么核能、如何利用核能的欲望。若要學生較清晰的理解什么是核能、以及如何利用核能，需要對核力的知識進行適當介紹。在本教學設計的開始特別的提供了一些數據，目的為了讓學生更好的感受核力的特點。在介紹核力的基礎上，再通過類比的方法，從而使學生較容易理解核能。 在了解了核能后，通過如何利用核能的設問過渡到重核裂變內容的學習。但根據上面核能部分的學習，學生必然會產生：核裂變應該吸收能量，怎么會放出能量的疑問。本教學設計是通過一個計算的活動，來解決這個疑問的。有條件的學校可以在此補充平均結合能的知識。 若要持續(xù)、大量的獲得核能，靠單個重核的裂變是不行的，自然過渡到鏈式反應部分的學習。為了使學生更容易在腦海中建立微觀世界鏈式反應的圖景，教材設立多米諾骨牌的自主活動，教學中可以做相應的演示實驗，也可以播放多米諾骨牌的錄像來實現這個目的。教學中還可以補充有焰燃燒的鏈式反應進行過渡，幫助學生理解。 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議，在本教學設計中，通過觀看廣島核爆炸模擬錄像以及就此展開的學生討論的活動，目的是讓學生建立起正確對待核能的態(tài)度，首先應肯定核能對人類的積極意義，同時也應意識到濫用核能對人類帶來的巨大災難。 本設計要突出的重點是：重核裂變、鏈式反應。方法是：通過計算活動，使學生理解核裂變?yōu)槭裁磿尫懦龊四?。通過多米諾骨牌的自主活動，通過類比的方法，從而使學生在腦海中建立微觀世界鏈式反應的圖景。 本設計要突破的難點是：重核裂變是如何產生核能的。方法是：模擬計算活動。 完成本設計的內容需1課時。 六、教學流程 問題Ⅰ 設問2 情景 “核爆炸” 設問1 活動Ⅰ 活動1 活動Ⅱ 活動2 問題Ⅱ 問題1 問題Ⅳ 設問4 問題Ⅲ 設問3 臨界體積 核力 核能 重核裂變 鏈式反應 拓展練習 活動Ⅲ 活動3 問題Ⅴ 問題2 1、教學流程圖 2、對流程圖的說明 情景 核爆炸錄像 播放核爆炸演示錄像，提出設問1：一次核爆炸釋放的能量大約是等量物質化學反應釋放能量的百萬倍。它是什么能？又是如何產生的呢？ 問題Ⅰ 設問2：原子核內蘊藏著巨大的能量，但人類如何才能利用核能呢？ 問題Ⅱ 問題1：根據前面所述，分散的核子結合成原子核時會釋放能量，那么，重核裂變時為什么會釋放能量呢? 活動Ⅰ 計算 活動1：計算重核裂變前后的質量變化。 問題Ⅲ 設問3：至此，可知裂變是獲得核能的一個重要途徑，那么，這種裂變能否持續(xù)下去，以獲得更多的核能呢？ 活動Ⅱ 演示、實驗 活動2：教材P44自主活動。 問題Ⅳ 設問4：根據鏈式反應的原理，似乎任何鈾塊只要有中子進入，都能發(fā)生連是反應，但事實并非如此，為什么呢？ 活動Ⅲ 觀看、討論 活動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、不可控制的鏈式反應，能不能將鏈式反應置于人為控制之下，將核能緩慢的釋放出來？ 3、教學的主要環(huán)節(jié) 本設計可分為四個具體的教學環(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)，鏈式反應。 第四環(huán)節(jié)，討論、拓展。 七、教案示例 （一） 情景導入 情景 觀看核武器爆炸的錄像。 設問1 一次核爆炸釋放的能量大約是等量物質化學反應釋放能量的百萬倍。它是什么能？又是如何產生的呢？ （二） 教學內容 1、核能 （1）核力 在接受了原子核由質子和中子組成的假設后，人們不禁要問：帶正電荷的質子怎么能聚集在一起呢？ 因為，當時人們只知道自然界中有兩種相互作用：電磁力和萬有引力。質子的質量為1.6710-27kg，半徑為0.810-15m，所帶電量為一個基本電荷1.610-19庫侖，若核內兩個質子相距1.010-15m，根據庫侖定律，核內的兩質子間的斥力會使質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，除了質子間的庫侖力外，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。實驗表明，核力具有以下特點： 【板書】（或投影）核力是核子之間的作用力。它具有如下特點： ① 核力是短程力，核力只有在原子核的線度內才發(fā)生作用。大體上說核子間的距離在0.8~2.0fm（1fm=10-15m）之間表現為引力，小于0.8fm表現為斥力，大于10fm時，核力消失。 ② 核力是一種強相互作用，質子間產生庫侖斥力，而核力能抗拒庫侖斥力而使質子緊密結合在一起，這說明核力很強。它比庫侖力大100倍。 ③ 核力與核是否帶電荷無關，質子間、中子間、質子與中子間均存在的核力。 …… 核力的本質，目前認為是一種交換力。目前以介子場論作為核力的基本理論，它能作出很多有價值的定性說明，但是這種理論還不完備，還存在嚴重的困難。核力的本質，還沒有一個比較完美的理論來說明，關于核力的本質仍有待深入研究。 （2）核能 圖1：鈾核裂變示意圖 由于原子核內的核子間存在著強大的核力，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，如果要把分散的質子和中子結合成原子核，就會放出能量。（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程中要消耗大量的能量，而天外隕石落到地球上來會釋放出大量的能量一樣。） 這表明，分散的核子結合成原子核時要放出一定能量；原子核分解成核子時，要吸收同樣多的能量，這個能量叫做原子核的結合能。原子核發(fā)生變化時，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)生變化時放出或吸收的能量叫做核能。 設問2 原子核內蘊藏著巨大的能量，但人類如何才能利用核能呢？ 2、重核裂變 所謂的重核，就是質量數較大的核。 重核的裂變是1939年德國物理學家哈恩和他的助手斯特拉斯曼，用中子轟擊鈾核時發(fā)現的。 鈾核的裂變過程可以由圖1來示意，當中子打進鈾核后，就形成處于激發(fā)狀態(tài)的復核，復核中的核子由于激烈運動，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發(fā)生作用，核力迅速減小，因而不能克服核子間的庫侖斥力使核恢復原狀，核就分裂成兩部分，放出幾個中子，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）轟擊時分裂成兩塊或兩塊以上中等質量的核的過程稱為裂變。 問題1 根據前面所述，分散的核子結合成原子核時會釋放能量，那么，重核裂變時為什么會釋放能量呢? 活動1 假定鈾235吸收一個中子后，裂變成一個溴85核和一個鑭148核，同時放出三個中子。鈾235的質量為235.124，溴85的質量為84.938，鑭148的質量為147.96，中子的質量為1.009。請考察鈾核裂變前后質量總和的變化。 『同學計算：裂變前的質量總和為：235.124＋1.009＝236.133； 裂變后的質量總和為：147.96＋84.938＋31.009＝235.925； 裂變過程中質量的減少為：236.133－235.925＝0.208?！? 這些損失的質量到哪兒去了呢？ 根據愛因斯坦相對論可知，它們變成了能量。愛因斯坦推導出一個著名的質能轉換公式：E＝mc2，其中c是光速，m是靜止物體的質量，E是靜止物體所含的能量。由這個公式可以方便地計算出鈾核裂變放出的能量約為194兆電子伏。近似地說來，每次裂變大約釋放200兆電子伏的能量。這個數值是非常巨大的，比如說，1克鈾235完全裂變所釋放的能量，相當于2,000,000克（2噸）優(yōu)質煤完全燃燒時所釋放的能量。也就是說，裂變能大約要比化學能大二百萬倍！ 設問3 至此，可知裂變是獲得核能的一個重要途徑，那么，這種裂變能否持續(xù)下去，以獲得更多的核能呢？ 3、鏈式反應 （1）鏈式反應 活動2 P44頁“自主活動”。 『得出當第一塊骨牌傾倒，會導致其它骨牌接連傾倒，形成連鎖反應?！? 鈾核裂變時，一是放出中子，二是放出巨大的能量，這兩種可貴的性質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中子，因為這關系到究竟能否實現持續(xù)的核裂變。 經過許多科學工作者的努力，很快就確定了每個鈾235核發(fā)生裂變時平均約放出2.5個中子。大自然為我們作了這—具有特殊意義的安排：次級中子數大于1！從而使鈾核裂變現象的發(fā)現成為不平凡的發(fā)現。一個鈾核在一個中子作用下發(fā)生裂變，如果裂變時放出兩個次級中子，這兩個次級中子又引起兩個鈾核發(fā)生裂變，放出四個次級中子，這四個中子再引起四個鈾核發(fā)生裂變……。如此下去，反應的規(guī)模將自動地變得越來越大，一幅鈾核鏈式反應的圖景（如圖2），立即展現在我們面前，它吸引了多少科學家??！確實，科學家們?yōu)閷崿F核裂變鏈式反應，使之造福于人類，而付出了巨大的勞動。 圖2：鏈式反應示意圖 【板書】（或投影）重核裂變時放出的中子引起其它重核的裂變，可以使裂變不斷進行下去，這種反應就是鏈式反應。 設問4 根據鏈式反應的原理，似乎任何鈾塊只要有中子進入，都能發(fā)生連是反應，但事實并非如此，為什么呢？ 這是因為，鈾塊的體積對于產生鏈式反應也是一個重要因素。因為原子核非常小，如果鈾塊的體積不夠大，中子從鈾塊中通過時，可能還沒有碰到一個鈾核就跑到鈾塊外面去了。 【板書】（或投影）能夠發(fā)生鏈式反應的鈾塊的最小體積叫做它的臨界體積。 如果鈾235的體積超過臨界體積，只要有中子進入，就會立即引起鈾核的鏈式反應，在極短時間內釋放出大量核能，發(fā)生猛烈的爆炸。原子彈就是根據這個原理制成的。圖3是我國第一顆原子彈地面爆炸時產生的火球照片。 圖3：我國第一顆原子爆炸的情景 活動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”進行討論。 『……』 問題2 原子彈是一種劇烈的、不可控制的鏈式反應，能不能將鏈式反應置于人為控制之下，將核能緩慢的釋放出來？ （三） 拓展練習 1、假設每個鈾核裂變時平均釋放能量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 題目：查閱核武器殺傷作用的防御的相關資料，并加以整理，以便于交流。 組織：個人 評價：科普性、教育性