1 原子核的组成教学设计高中物理人教版选修3-5-人教版2004

PAGE课题1原子核的组成教学设计高中物理人教版选修3-5-人教版2004课程基本信息1.课程名称：原子核的组成

2.教学年级和班级：高二年级（选修3-5）班级

3.授课时间：2023年秋季学期

4.教学时数：1课时（45分钟）核心素养目标培养学生的物理观念，理解原子核由质子和中子组成，掌握核反应的基本规律。发展科学思维，通过分析放射性衰变现象提升逻辑推理能力。增强科学探究意识，设计实验验证原子核性质。形成科学态度与责任，讨论核能应用的伦理问题。教学难点与重点1.教学重点：

（1）原子核由质子和中子组成，理解质子数（Z）、中子数（N）与质量数（A）的关系（A=Z+N）。

（2）掌握原子核符号表示法（如\(^{A}_{Z}\text{X}\)），明确各物理量的含义。

（3）核反应方程的书写规则，遵循质量数守恒和电荷数守恒。例如：α衰变\(^{238}_{92}\text{U}\rightarrow^{234}_{90}\text{Th}+^{4}_{2}\text{He}\)。

2.教学难点：

（1）核反应方程中质量数与电荷数的守恒应用，如β衰变\(^{14}_{6}\text{C}\rightarrow^{14}_{7}\text{N}+^{0}_{-1}\text{e}\)中电荷数变化的理解。

（2）同位素概念辨析（质子数相同、中子数不同），如\(^{1}_{1}\text{H}\)、\(^{2}_{1}\text{H}\)、\(^{3}_{1}\text{H}\)的区别。

（3）原子核稳定性与核力的关系，理解短程强作用力与电磁斥力的平衡。教学资源准备1.教材：每位学生配备人教版高中物理选修3-5教材，确保覆盖原子核组成章节内容。

2.辅助材料：准备原子结构图、核反应方程图表、放射性衰变视频等多媒体资源，与课本关联。

3.实验器材：准备盖革计数器、放射源（如钴-60）、防护装备等，确保完整性和安全性。

4.教室布置：设置分组讨论区和实验操作台，适应教学活动需求。教学过程1.导入（约5分钟）

（1）激发兴趣：展示烟雾报警器的图片，提问“烟雾报警器中的放射性元素（如镅-241）如何工作？其原子核的组成与报警功能有何关联？”引发学生对原子核结构的好奇。

（2）回顾旧知：引导学生回顾原子的核式结构模型（原子由原子核和核外电子组成，原子核带正电，几乎集中了原子的全部质量），为学习原子核的组成做铺垫。

2.新课呈现（约25分钟）

（1）讲解新知：

-原子核的组成：通过课本中卢瑟福的α粒子散射实验，说明原子核的存在；介绍质子的发现（卢瑟福，1919年，α粒子击氮核产生质子）；中子的发现（查德威克，1932年，α粒子击铍核产生中子）。强调原子核由质子和中子组成，统称核子。

-核符号与物理量：讲解原子核符号\(^{A}_{Z}\text{X}\)（X为元素符号，Z为质子数，A为质量数，A=Z+N，N为中子数）。举例：氢-1（\(^{1}_{1}\text{H}\)）、氘（\(^{2}_{1}\text{H}\)）、氚（\(^{3}_{1}\text{H}\)），明确质子数相同、中子数不同的原子为同位素。

-核反应方程：强调书写规则（质量数守恒、电荷数守恒）。举例：α衰变（\(^{238}_{92}\text{U}\rightarrow^{234}_{90}\text{Th}+^{4}_{2}\text{He}\)）、β衰变（\(^{14}_{6}\text{C}\rightarrow^{14}_{7}\text{N}+^{0}_{-1}\text{e}\)），分析电荷数变化（β衰变中原子核内一个中子转化为质子，释放电子）。

（2）举例说明：

-同位素应用：展示碳-14测年（考古）、钴-60治疗癌症（医学）的案例，说明同位素在生活中的意义，加深对“质子数相同、中子数不同”的理解。

-核反应方程验证：以课本中“α粒子击铝核生成磷核并释放中子”为例（\(^{27}_{13}\text{Al}+^{4}_{2}\text{He}\rightarrow^{30}_{15}\text{P}+^{1}_{0}\text{n}\)），引导学生计算质量数（27+4=30+1）和电荷数（13+2=15+0），验证守恒规律。

（3）互动探究：

-小组讨论：发放不同原子核的卡片（如\(^{12}_{6}\text{C}\)、\(^{13}_{6}\text{C}\)、\(^{14}_{6}\text{C}\)、\(^{16}_{8}\text{O}\)），让学生分组判断哪些是同位素，说明理由（质子数相同、中子数不同），并总结同位素的特点。

-模拟实验：用小球（红色代表质子，蓝色代表中子）组装不同原子核（如氦-4：2质子+2中子；氧-16：8质子+8中子），让学生直观感受质量数与质子数、中子数的关系，理解原子核的稳定性（如氦-4稳定，氧-16稳定，而氚（\(^{3}_{1}\text{H}\)）不稳定，会发生β衰变）。

3.巩固练习（约15分钟）

（1）学生活动：

-核反应方程书写：完成课本练习题（如“写出钋-210的α衰变方程”“写出钠-24的β衰变方程”），要求标注质量数和电荷数的守恒过程。

-同位素辨析：给出下列原子核（\(^{1}_{1}\text{H}\)、\(^{2}_{1}\text{H}\)、\(^{3}_{1}\text{H}\)、\(^{12}_{6}\text{C}\)、\(^{13}_{6}\text{C}\)），让学生找出同位素，并说明它们在化学性质上的相同点（质子数相同，电子排布相同，化学性质相同）和物理性质上的不同点（中子数不同，质量不同，物理性质如密度、熔点不同）。

（2）教师指导：

-巡视学生练习情况，针对核反应方程中电荷数守恒的常见错误（如β衰变中忘记电子的电荷数为-1）进行个别指导；

-对同位素概念的辨析错误（如认为“同种元素”就是“同位素”）进行纠正，强调“同位素”是“质子数相同、中子数不同”的原子，属于同种元素的不同原子。

（3）总结反馈：选取学生的典型练习进行展示，点评优缺点，强调核心知识点（原子核的组成、核符号、核反应方程守恒、同位素概念），确保学生掌握本节课的重点，突破难点。教学资源拓展1.拓展资源：

（1）核力性质补充：教材仅提及核力是短程强作用力，可补充介子交换理论（汤川秀树提出），解释核力通过π介子传递。结合教材第56页图18.3-1，说明核力与电磁力的区别：核力与电荷无关，仅存在于相邻核子间，强度随距离增大急剧衰减。

（2）结合能计算实例：以教材第58页氦核（\(^{4}_{2}\text{He}\)）为例，展示质量亏损计算：

-2个质子质量：2×1.007825u

-2个中子质量：2×1.008665u

-氦核质量：4.002603u

-质量亏损Δm=2×1.007825+2×1.008665-4.002603=0.030377u

-结合能ΔE=Δm×931.5MeV/u≈28.3MeV

（3）人工放射性同位素应用：教材第61页提到钴-60（\(^{60}_{27}\text{Co}\)），补充其半衰期5.27年，在γ刀治疗中释放1.17MeV和1.33MeVγ射线，通过精确聚焦摧毁肿瘤细胞。

（4）核反应方程验证：以教材第60页核反应方程\(^{14}_{7}\text{N}+^{2}_{1}\text{H}\rightarrow^{12}_{6}\text{C}+^{4}_{2}\text{He}\)为例，验证守恒：

-质量数：14+2=12+4

-电荷数：7+1=6+2

2.拓展建议：

（1）模型构建实验：用不同颜色磁贴（红色=质子，蓝色=中子）在白板上组装原子核模型，模拟教材第55页图18.3-1。尝试构建不同同位素（如碳-12、碳-13、碳-14），观察中子数变化对核稳定性的影响。

（2）盖革计数器实践：结合教材第58页“用计数器探测放射线”实验，用盖革计数器测量不同距离下放射源（如铯-137）的计数率，绘制强度随距离变化的曲线，验证平方反比定律。

（3）同位素标记追踪：参考教材第62页放射性同位素应用，设计简易实验：将含磷-32的肥料浇灌植物，用盖革计数器检测植物不同部位的放射性分布，分析磷元素运输路径。

（4）核伦理讨论：结合教材第64页“核能的利用”，组织小组辩论：核电站事故（如切尔诺贝利）的应对措施是否应优先考虑经济成本？引导学生从科学责任角度分析核能应用的双刃剑特性。

（5）跨学科探究：联系化学中同位素效应（如重水D₂O的沸点高于H₂O），分析教材第57页“同位素化学性质相同但物理性质不同”的深层原因（质量差异导致分子振动频率变化）。课后作业1.写出原子核符号\(^{238}_{92}\text{U}\)中各物理量的含义，并计算其质子数、中子数和质量数。

答案：质子数Z=92，中子数N=146，质量数A=238。

2.完成核反应方程：\(^{14}_{7}\text{N}+^{2}_{1}\text{H}\rightarrow^{12}_{6}\text{C}+?\)，并验证质量数和电荷数守恒。

答案：\(^{4}_{2}\text{He}\)；质量数：14+2=16，12+4=16；电荷数：7+1=8，6+2=8。

3.解释什么是同位素，并举例说明氢的同位素。

答案：同位素是质子数相同、中子数不同的原子；例如氢的同位素有\(^{1}_{1}\text{H}\)、\(^{2}_{1}\text{H}\)、\(^{3}_{1}\text{H}\)。

4.钋-210（\(^{210}_{84}\text{Po}\)）发生α衰变，写出衰变方程并确定生成的新原子核。

答案：\(^{210}_{84}\text{Po}\rightarrow^{206}_{82}\text{Pb}+^{4}_{2}\text{He}\)；新原子核是铅-206（\(^{206}_{82}\text{Pb}\)）。

5.碳-14（\(^{14}_{6}\text{C}\)）发生β衰变，写出衰变方程并说明电荷数变化原因。

答案：\(^{14}_{6}\text{C}\rightarrow^{14}_{7}\text{N}+^{0}_{-1}\text{e}\)；电荷数增加1，因原子核内一个中子转化为质子。内容逻辑关系①原子核组成：质子和中子；核符号\(^{A}_{Z}\text{X}\)；关键句：原子核由质子和中子组成，质子数决定元素，质量数A=Z+N。

②核反应方程：质量数守恒、电荷数守恒；关键句：书写方程时，反应前后质量数和电荷数必须守恒。

③同位素与衰变：同位素定义；α衰变、β衰变；关键句：同位素是同一元素的不同原子；衰变过程中原子核组成变化。课堂1.课堂评价：通过提问核符号书写规则（如\(^{A}_{Z}\text{X}\)中各物理量的含义）检验学生对原子核组成的理解；观察小组讨论中同位素辨析（如\(^{12}_{6}\text{C}\)与\(^{13}_{6}\text{C}\)的区别）的表现；测试核反应方程守恒应用（如α衰变\(^{238}_{92}