五化教学案例_优秀一体化教学案例

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《高中物理教学案例》 ——核反应中的守恒思想

我们在力学中复习了能量守恒和动量守恒，其实是自然界普遍成立的规律，自然界中不少物理量都遵循守恒定律，如动量守恒定律、能量守恒定律，电量守恒定律和质量守恒定律。“守恒”是自然界的基本规律，也是中学物理的重点，对物理素养和科学素质的培养起到重要的作用，在每年的物理高考题中得到了较全面的体现，占有较多的分值，可见守恒思想在物理学中具有举足轻重的位置。

问题引导：守恒定律的本质是什么呢？ 教师引导学生由事实分析归纳，得出：“守恒定律的本质就是物质在发生变化或者两物体在发生相互作用的过程中某些物理量的总量保持不变。即这些物理量在这一过程中是守恒的”。

原子核在发生变化和反应的过程中也遵循能量守恒定律、电荷守恒定律和质量数守恒定律及动量守恒定律。

教师提问：在核反应方程中质量数守恒，那么质量守恒吗？

引导指出：质量守恒是物体系统运动过程中的最基本规律。通常情况下，质量守恒是在低速条件下的静止质量守恒。在高速运动的情况下，静止质量与运动质量相互转化，总质量仍然守恒。

一．质量数、电荷数守恒

质量数守恒和电荷数守恒是原子核反应方程中的两个基本定律，也是解决这类问题的的基本根据。那么什么是质量数守恒和电荷数守恒呢？

质量数守恒是核反应前原子核的质量数之和等于反应后的质量数之和；即核子数不变。电荷数守恒是核反应前原子核的电荷数之和等于反应后的电荷数之和。

题1：

208天然放射性元素232，下列90Th（钍）经过一系列α衰变和β衰变之后，变成82Pb（铅）论断中正确的是（）

A、铅核比钍核少24个中子 B、铅核比钍核少8个质子 C、衰变过程中共有4次α衰变和8次β衰变 D、衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变 引导学生分析：

问题1：天然放射性元素的衰变是怎样发生的？

引导学生：天然放射性元素的衰变是由于原子核不稳定而自发地发出某种射线的现象。问题2：有几种类型的衰变？发出什么射线？

引导学生：伴随着α衰变和β衰变，有三种射线发出：α射线、β射线和γ射线。问题3：这三种射线有什么不同的性质？ 引导学生：

4α射线是速度为光速的1/10的氦核流（2，贯穿作用很弱，电离作用很强。He）β射线是速度接近光速的电子流，贯穿作用较弱，电离作用较强。γ射线一般是由于发生衰变的原子核处于激发态，在向较低的能级跃迁时，伴随α射线和β射线产生的波长较短的电磁波，其贯穿作用最强，电离作用最弱。问题4：组成原子核的核子有什么样的数量关系？

引导学生：核电荷数=质子数=原子序数=核外电子数，质量数=核子数=质子数+中子数。

208问题5：符号23290Th中，左上角232表示什么？右下角90表示什么？82Pb呢？

引导学生：232，电荷数为90（质子数）。20890Th表示质量数为232（核子数）82Pb表示有208个核子，其中有82个质子。

问题6：这里没有涉及中子数，怎么办？

引导学生：可利用数量关系“质量数=核子数=质子数+中子数”求出中子数。

可见，铅核比钍核少24个核子，其中质子少8个，中子少16个。故B对、A错。问题7：那么，氦核和电子的符号又该怎么写？

20840引导学生：由分析23290Th（钍）和82Pb（铅）得，氦核的符号是2He，电子符号是1e 40问题8：由2He和1e可知道氦原子核的什么信息？

引导学生：氦原子核有4个核子组成，其中有2个质子、2个中子。电子带一个单位的负电，静止质量为零。

问题9：怎么求α衰变和β衰变的次数呢？

引导学生：要将题中的α衰变、β衰变写成核反应方程。问题10：在整个衰变过程中，核反应方程怎么写？

20840引导学生：设发生了M次α衰变和N次β衰变，则有232 ThPbMHeN908221e。问题11：由质量数守恒，写出在衰变中的质量数关系？ 引导学生：

232=208+4M，得M=（232－208）÷4=6 问题12：由电荷数守恒，写出在衰变中的电荷数关系？ 引导学生：90=82+2M+（－N），得N=4 可见，衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变。故D对、C错。所以，应该选择B、D。

二．能量守恒 1.质能方程：

问题：质能方程说明了什么？

引导学生：质量和能量是不可分割而联系着的。一方面，任何物质系统既可用质量m来标志它的数量，也可用能量E来标志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少时，其质量也相应减少，另一个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加。

题2：

235裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核23592U为燃料的反应堆中，当92U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为：

235921U134Xe940n38Sr30n139m1

m22

m3m4 反应方程中下方字母符号是中子及有关原子的静止质量，单位是kg，真空中光速为C。则核裂变反应释放的核能为____________。

引导学生分析：

问题1：解决核反应过程方程的的关键是什么？ 引导学生：电荷数守恒和质量数守恒。问题2：哪些核反应有质量亏损？

引导学生：核裂变和核聚变反应都可以释放能量、有质量亏损。问题3：怎么计算核反应中的质量亏损呢？ 引导学生：如果给出的质量单位是“kg”，则：

EmC2=[(m12m2)(m3m43m2)]C2=(m12m2m3m4)C2

问题4：思考——如果质量单位是“u”，又如何计算呢？ 2.综合应用 题3：

14太阳现在正处在主序星演化阶段．它主要是由电子和1维持太阳H、2He等原子核组成．014辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是21e41H2He释放的核能，这些核

1能最后转化为辐射能。根据目前关于恒星演化的理论，若由于核聚变反应而使太阳中的1H核数目从现有数减少10％，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段．为了简化，1假定目前太阳全部由电子和1H组成。

（1）为了研究太阳演化进程，需知道太阳的质量M．已知地球半径R6.410m，地球质量m6.01024kg，日地中心的距离r1.510m，地球表面处的重力加速度为

116g10m/s2，1年约3.2107s。试估算目前太阳的质量M。

（2）已知质子质量mp1.6726108274kg，2He质量m6.64581027kg，电子质量me0.91030kg，光速c310m/s。求每发生一次题中所述的核反应所释放的核能。

（3）又知地球上与太阳垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能1.35103W/m2。试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命。（估算结果只保留一位有效数字）

引导学生分析：（1）估算太阳的质量M 问题1：解决万有引力应用问题的思路是什么？

引导学生：视星球的环绕为匀速圆周运动，且引力提供向心力；在地球表面附近，如果忽略地球自转，引力约等于物体的重力。

问题2：如何写出相应的物理方程？ 引导学生写出下面两式：

设T为地球绕日心运动的周期，则由万有引力定律可知：

G

mM2π2m()rr2T

地球表面处的重力加速度为：

G问题3：如何求解方程组？ 引导学生由以上两式联立得

Mmmg R22π2r3M()m2TRg．

由题给数值代入，得：

M21030kg．

（2）问题4：由题目所给条件，在太阳上进行的核聚变反应的过程是怎样的？

014由题意可知：21e41H2He释放的核能

问题5：如何计算释放的核能？

引导学生根据质量亏损和质能公式，每发生一次该核聚变反应释放的核能为：

E(4mp2me2mα)c212代入数值得： E4.210J

1（3）先画出示意图，再根据题给假定，目前太阳全部由电子和核1H组成，且电子的静止质量不计。

1按目前关于恒星演化的理论，若由于核聚变反应使太阳中的1H核数减少10%，太阳将离开主序星阶段。

问题:6： 如何计算这一阶段发生核聚变的次数？

所以，在太阳继续保持在主序星阶段的时间内，太阳的质量将减少10%M，发生一次题中所述核聚变所消耗的质子数为4个，因此该核聚变的次数为：

N

问题7：如何计算这一阶段发生核聚变所释放的核能？ 在上述时间里太阳发生N次这种核聚变总共辐射出的能量为：

M10%4mpENE

设太阳辐射是各向同性的，则（在以太阳为中心，以日地距离为半径的球面上）每秒太阳向外放射的辐射能为：4r

问题8：如何计算太阳保持在主序星的时间？

太阳继续保持在主序星的时间为：

2t由以上各式得：

E

t0.1M(4mp2memα)c24mp4πr2代入数值并以年为单位得：

t11010年=1百亿年

三．动量守恒 题四：

由于U235具有易俘获慢中子而发生裂变的特点，而裂变时产生的中子速度都很大，不易被铀235俘获而诱发新的裂变，所以在核反应堆中常用石墨作减速剂，当快中子跟石墨原子核经过若干次弹性碰撞后就会变为慢中子．设每次碰撞前石墨的原子核都处于静止状态，一个具有初动能E0的中子，去正面弹性碰撞质量是中子K倍的石墨的核．试问：

（1）第一次碰撞后，中子的动能是多少?

（2）第n次碰撞后，中子的动能是多少? 引导学生分析：

问题1：对于弹性碰撞问题，我们应该首先想到两个什么守恒？

，设碰前中子的速度为v0，质量为m，第一次碰后中子的速度为v1，碳核的速度为v1则由弹性碰撞的动量守恒和动能守恒有：

mv0mv1Kmv1

12121mv0mv1Kmv12222

由以上二方程可得：

v1问题2：负号表示什么？

K1v0K1

负号则表示碰后v1的方向和碰前v0的方向相反。故第一次碰撞后，中子的动能是：

E112mv12

2K112mv0 K12

K1E0

K1

（2）问题3：那么，第二次碰撞跟第一次有什么区别？ 同理，由以上讨论可知，第二次碰撞后中子的速度v2的大小为：

2K1K1v2v1v0K1K1

第三次碰撞后中子的速度v3的大小为：

2K1v3v0K1

3„

第n次碰撞后中子的速度vn的大小为：

K1vnv0K1

第n次碰撞后，中子的动能是：

nK1EnE0K1

2n

课后反思：

与学生交流、教学反馈：

改进之处：