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(jù)學生實際，對知識做適當?shù)难a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(shù)據(jù)，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(jù)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?？梢栽诖搜a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(xiàn)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、教學流程問題設問2情景“核爆炸”設問1活動活動1活動活動2問題問題1問題設問4問題設問3臨界體積核力核能重核裂變鏈式反應拓展練習活動活動3問題問題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 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 問題1：根據(jù)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 計算活動1：計算重核裂變前后的質量變化。問題 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 演示、實驗活動2：教材P44自主活動。問題 設問4：根據(jù)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 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 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(jù)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： 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0.82.0fm（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，核力消失。 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。 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?！景鍟浚ɑ蛲队埃┰雍税l(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(shù)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(xiàn)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?！景鍟浚ɑ蛲队埃┲睾耸艿狡渌Ｗ樱ㄈ缰凶樱┺Z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(jù)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：235.1241.009236.133；裂變后的質量總和為：147.9684.93831.009235.925；裂變過程中質量的減少為：236.133235.9250.208。這些損失的質量到哪兒去了呢？ 根據(jù)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：Emc2，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(shù)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?shù)谝粔K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(xiàn)持續(xù)的核裂變。經(jīng)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(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(xiàn)在我們面前，它吸引了多少科學家?。〈_實，科學家們?yōu)閷崿F(xiàn)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(jù)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(jù)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4.6106Jkg2、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