Методическая разработка урока СПО "Энергия связи атомных ядер"

Государственное профессиональное образовательное учреждение Тульской области

 «Болоховский машиностроительный техникум»

Энергия связи атомных ядер

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА УРОКА

                                                                                                  Разработал преподаватель

                                                                                            Воробьева Елена Александровна

2024
Тема: Энергия связи атомных ядер

Тип урока: урок усвоения новых знаний.

Цели и задачи:

- образовательные: ознакомление учащихся с понятием “энергия связи”, формирование представлений о внутриядерных взаимодействиях.

- воспитательные: формирование положительных мотивов учения, экологическое воспитание.

- развивающие: развитие интереса к науке; развитие у учащихся мыслительных операций: анализ, сравнение, обобщение.

Цели урока поставлены в соответствии с требованиями рабочей программы, с учетом особенностей обучающихся и психологических основ процесса усвоения новых знаний.

Оборудование, наглядные пособия:

-        компьютер с мультимедийным проектором;

-        график зависимости удельной энергии связи от массового числа;

-        рисунки с изображением ядра, фотография взрыва атомной бомбы.

Методы: репродуктивный; стимулирующий; побуждающий; диалогический

Проблема урока: Почему ядро устойчиво?  

Ход урока:

(Урок состоял из логически связанных между собой этапов)

1. Вступительное слово преподавателя.(3 мин). Приветствие, проверка присутствующих и их готовность к занятию. Была выполнена проверка отсутствующих, внешнего вида обучающихся, организация внимания. Ребята сразу включились в работу. Был установлен положительный эмоциональный настрой.

2. Мотивация учебной деятельности.(7 мин). Мотивирую обучающихся к учебной деятельности посредством анализа высказывания исторических личностей. Обучающиеся были подготовлены к восприятию информации

Преподаватель: Атом, такой простой и такой сложный, занимает умы человечества много столетий. В 50г. до н.э. появилась поэма Лукреция Кара “ О природе вещей ”, в которой уделяется большое внимание идее дискретности материи (дискретность (лат.) - разделённый). Послушайте отрывок:

…существуют такие тела, что прочны и вечны.

Это - вещей семена и начала в учении нашем,

То из чего получился весь мир, существующий ныне…

Первоначала вещей, таким образом, просты и плотны.

Иначе ведь не могли бы они, сохраняясь веками,

От бесконечных времён и досель восстанавливать вещи.

Преподаватель: Мысль об атомистическом строении вещества была высказана ещё в v веке до нашей эры. Атомистическая идея в течение двух с лишним десятка веков пробивала себе дорогу и превращалась в строго обоснованную теорию. Чем больше накапливалось знаний, тем больше появлялось вопросов.

3. Постановка обучающимися цели урока. (10 мин). На данном этапе я использую метод «Проблемная ситуация». Создаю ситуация противоречия между известным и неизвестным, одновременно предъявляю противоречивые факты, теории, мнения. В результате выявление причин разногласий результатов или затруднений выполнения обучающиеся самостоятельно сформировали цели урока

Преподаватель. Почему ядро устойчиво? Почему ядро гелия во многих ядерных реакциях является одним из продуктов распада атомных ядер? Почему ядро состоящее из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов не распадается? Студенты отвечают на вопросы. Следовательно, тема занятия сегодня? Правильно “Энергия связи атомных ядер”. Попробуем сформулировать цель сегодняшнего урока. Студенты формулируют цели: получить новые знания об атомном ядре, глубже постичь скрытые тайны микромира

4. Актуализация ранее усвоенных знаний (10 мин). Актуализация имеющегося у обучающихся опыта и знаний позволяет выяснить все, что знают или думают обучающиеся по обсуждаемой теме урока. На данном уроке применяю примем «Корзина». Это прием организации индивидуальной и групповой работы на начальной стадии урока. На доске  рисую значок корзины, в которой условно будет собрано все то, что все обучающиеся вместе знают об изучаемой теме. Обучающиеся фиксируют в рабочих тетрадях известные им сведения в краткой форме и записывают решения задач, а также попарно или в мини-группах обсуждают свои записи.

Всю полученную информацию я в краткой форме записываю в «корзину идей» на доске.

Преподаватель. Прежде вспомним, что нам уже известно о строении вещества.

Ответьте на вопросы:

а) Что такое атом?

б) Каково строение атома?

в) Из каких частиц состоит ядро?

г) Что вы знаете о зарядовой принадлежности частиц, составляющих ядро?

д) Используя таблицу Менделеева, ядро какого химического элемента содержит 20 протонов и 20 нейтронов

е) Решите: какое ядро образуется в результате α-распада полония -212

ж) Определите: чем различаются составы двух изотопов урана 235 и 238

з) Используя таблицу Менделеева, ядро какого элемента содержит 15 протонов и 16 нейтронов

и) Укажите, сколько нуклонов в ядре калия

к) Сколько нейтронов в ядре атома цинка?

л) какое ядро образуется в результате β- распада свинца – 210-К

5. Работа над изучением нового материала. Введение новых понятий (45 мин).

Я использую проблемный метод: была обозначена проблема, которую нужно доказать, решить, объяснить. Для это выдвигается гипотеза. Доказываются и обосновываются предположения, объясняются, приводятся примеры, проводятся опыты, эксперименты, используются дополнительные материалы, привлекаются таблицы, фотографии, графики результаты исследований. Делаются выводы, и проверяется их достоверность, с помощью решения задач. При этом обучающиеся, прослеживая ход научного поиска, становятся как бы соавторами научного открытия. Объясняя материал, обучающиеся следят за деятельностью ученых, видят ошибки, неудачи, понимают их причины. Это активное участие обучающихся в процессе познания, заставляет их задуматься, искать свои варианты, свои ответы. Тем самым обеспечивается высокая результативность, развивается мышление, познавательные интересы.

Преподаватель. Ядро устойчиво. Для его расщепления на нуклоны нужно затратить энергию. При образовании ядра из отдельных нуклонов энергия выделяется.

Почему?

Посмотрим в таблицу, в которой приводятся значения масс некоторых ядер, а также протонов и нейтронов.

Сравните сумму масс нуклонов ядра углерода ¹²₆С и самого ядра.

Оказывается, Мя < (Z• mр +N•mn)

Разность [(Z•mр + N•m) – Mя] обозначим m; m - дефект массы.

Превышение массы нуклонов над массой ядра, выраженное в энергетических единицах, называется энергией связи атомного ядра.

Энергия, необходимая для полного расщепления ядра на нуклоны без сообщения им кинетической энергии, равна энергии связи.

В связи с соотношением Эйнштейна энергия связи выражается формулой:

Есв = mс²

Как велика энергия связи атомных ядер? При образовании 4г гелия выделяется столько энергии, сколько выделяется при полном сгорании 2т каменного угля!

Очень важную роль играет не энергия связи атомных ядер, а удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

Вспомним, как мы обозначаем число нуклонов ядра. Получим формулу расчёта удельной энергии связи: Еуд. = Е св./А

В среднем, Еуд. = 8МэВ. Это величина энергии отделения нуклона от ядра или величина энергии присоединения нуклона.

А что прочнее: атом или ядро? Энергия связи электрона в атоме водорода всего 13,6 эВ.

Конечно, прочнее ядро. Ядро - неисчерпаемый источник энергии.

А почему ядро не “рассыпается” на нуклоны, ведь протоны отталкиваются друг от друга?

Дело в том, что кроме сил электростатического отталкивания между нуклонами действуют ядерные силы. Происходит противоборство ядерных сил и сил кулоновского отталкивания. Тогда почему одни ядра более устойчивые, чем другие? Исход борьбы определяет, быть ядру более или менее устойчивым. Известный поэт В. Я. Брюсов написал:

Ещё, быть может, каждый атом –

Вселенная, где сто планет;

Там всё, что здесь в объёме сжатом?

Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но всё та же

Их бесконечность, как и здесь;

Там скорбь и страсть, как здесь и даже

Там та же мировая спесь.

Как вы думаете, меняется ли характер электростатического взаимодействия внутри ядра при увеличении порядкового номера?

Да, с ростом порядкового номера увеличивается число протонов ядра, значит, увеличивается энергия электростатического отталкивания. Делиться могут только тяжёлые ядра.

Посмотрим на график зависимости удельной энергии ядра от массового числа.

(С помощью мультимедийного проектора демонстрируется график.)

Где расположены самые устойчивые ядра? Назовите некоторые элементы этой области.

Действительно, максимум удельной энергии, приблизительно 8,7Мэв, приходится на “железный пик ”.

А какое лёгкое ядро расположено в области высоких значений энергий удельной энергии?

Конечно, ядро гелия, или,  - частица. Академик Ацюковский В.А. предлагает рассматривать более сложные ядра как  - частицы плюс те частицы, которые внутри не разместились, но оказались на поверхности.

Как вы считаете, какую форму имеет ядро?

Согласно капельной модели ядро представляет собой каплю заряженной несжимаемой сверхплотной ядерной жидкости. Её плотность приблизительно

10 г/см². Такая модель позволяет объяснить ряд ядерных явлений. Пусть ядерная “капля”, поглотив нейтрон, вытягивается. При этом поверхностная энергия увеличивается, энергия связи уменьшается. Вместе с тем увеличивается расстояние между нуклонами, энергия электростатического отталкивания уменьшается, энергия связи должна увеличиться. Если больше энергия электростатического отталкивания, ядро разорвётся, если же поверхностная – вернётся в исходное состояние. Есть и другая модель – модель ядерных оболочек. Согласно этой модели наиболее устойчивые ядра с магическим числом Z или N (2,8,20,50,82,126).

(Демонстрируется рисунок с изображением ядра.)

На какие две группы условно можно разделить нуклоны по их месторасположению в ядре?

Нуклоны могут быть внутренними и поверхностными. Чем тяжелее ядро, тем больше в нём внутренних нуклонов.

Обратимся ещё раз к графику зависимости удельной энергии от массового числа. Почему у тяжёлых ядер удельная энергия связи меньше, чем у средних?

Конечно, при большом числе протонов велико кулоновское отталкивание. При большом числе Z всегда Z<N; большое число N необходимо для стабильности ядра.

Различие в энергии связи может быть использовано для освобождения внутриядерной энергии. Существует только два принципиально различных метода освобождение ядерной энергии: деление тяжелых ядер, слияние очень легких ядер.

Выясним с помощью того же графика, почему энергия освобождается только при этих реакциях?

(Если студенты затрудняются ответить, то задаю вопрос- подсказку: сравните Е_св.исходных ядер и продуктов реакции)

С помощью ядерной энергии можно решить энергетические проблемы: заменить обычное топливо новым - компактным, неисчерпаемым. Но человек пока не готов к этому. Поэт- символист Андрей Белый еще в 1921г. в поэме “Первое свидание” пишет:

Мир – рвался в опытах Кюри

Атомной, лопнувшею бомбой

На электронные струи

Невоплощенной гекатомбой…

(Демонстрируется фотография взрыва атомной бомбы.)

Поэт понимал, что последствия освобождения энергии атома могут быть ужасны: гекатомба – массовая гибель людей.

6. Проверка понимания и закрепления знаний. (10 мин). Первичная проверка изученного материала представляет собой воспроизводство на репродуктивном уровне. Я провожу ее  в виде фронтального опроса и самостоятельного решения задач. При этом особое внимание уделяю на повторение наиболее значимых вопросов. Обучающиеся активно принимают участие в проверке и закреплении знаний. Выставляю оценки в журнал.

Ответьте на вопросы:

Какую энергию называют энергией связи ядра?

Энергия связи ядра гелия 27МэВ. Какая энергия необходима для его расщепления на нуклоны?

Какая величина характеризует устойчивостью ядра?

Почему очень легкие и тяжелые ядра менее устойчивые?

Если нуклоны способны притягиваться друг к другу, то почему же все ядра до сих пор не слиплись в одно гигантское ядро?

Нарушается ли при образовании ядра закон сохранения массы?

Задачи для самостоятельной работы:

1) Если 1 а.е.м. соответствует 931 МэВ, сколько МэВ соответствует 2 а.е.м?

2) Какова Есв. и Еуд. ядра 12С? Ответ получите в МэВ.

7. Подведение итогов урока. Рефлексия «Слова-напутствия».(3 мин).

Преподаватель. Есть притча о старике и юноше. Сидели они на песке и смотрели вдаль. Вдруг юноша спросил: “Вот ты знаешь намного больше меня, но почему, тогда ты чаще сомневаешься? В ответ старик начертил палкой на песке два круга – малый в большом и сказал: “ То, что в малом круге – это твои знания, а то, что в большом – то мои знания. Разве не очевидно, что чем больше круг, тем больше граница, разделяющая известное и неведомое?”

Мы знаем, почему устойчивость ядер различной массы неодинакова; как велика энергия, “запасенная” внутри ядер, можем сделать выводы о том, каковы перспективы использования такой энергии

Сегодня мы узнали многое, но еще больше нам предстоит узнавать в будущем, ведь сказал, же Бернард Шоу, что наука никогда не решит вопроса, не поставив при этом десятка новых.

8. Организация работы дома. Для закрепление и формирование знаний, умений и навыков, полученных в ходе урока я задаю домашнее задание. (2 мин). Обучающиеся записывают задачу в тетрадь.

Преподаватель. Дома найти дефект масс, энергию связи, удельную энергию ядра атома меди.