陳巧云

【摘要】問題引領(lǐng)是以問題為載體，實(shí)現(xiàn)以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的高效課堂。本文以《結(jié)合能與比結(jié)合能概念教學(xué)》為例，闡述如何在具體教學(xué)中以問題引領(lǐng)學(xué)生思考，以課堂對話展開教學(xué)，實(shí)現(xiàn)知識體系的構(gòu)建與深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】問題引領(lǐng);概念構(gòu)建;結(jié)合能;比結(jié)合能

中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-7485（2020）35-0094-02

Questions Lead to Knowledge Construction，Dialogue to Achieve Deep Learning

——Take"Concept Teaching of Binding Energy and Specific Binding Energy"as an Example

（Yangzi High School Affiliated to Nanjing Normal University，China）CHEN Qiaoyun

【Abstract】Problem guidance is based on the problem，to achieve a teacher-led，student-oriented efficient classroom.Thispaper expounds how to realize the construction of knowledge system and the occurrence of deep learning taking the con‐cept teaching of binding energy and average binding energy for example，by leading students to think with questions，carry‐ing out teaching with classroom dialogue.

【Keywords】Problem leading;Concept construction;Binding energy;Specific binding energy

物理選修3-5是高考必考部分，原子核這一章中的結(jié)合能和比結(jié)合能這兩個概念是教學(xué)的重難點(diǎn)。學(xué)生經(jīng)常分不清楚結(jié)合能與比結(jié)合能這兩個概念。本節(jié)教學(xué)中，筆者以討論原子核的穩(wěn)定性為核心問題，以具體問題引領(lǐng)，展開概念教學(xué)。具體設(shè)計思路如圖1所示。

一、問題引領(lǐng)探究主題

介紹完核力概念后，筆者提出問題：“哪些原子核是穩(wěn)定的，哪些是不穩(wěn)定的？”以原子核的穩(wěn)定性討論來引領(lǐng)接下來的平均核子質(zhì)量、結(jié)合能和比結(jié)合能的概念教學(xué)。愛因斯坦質(zhì)能方程指出E=mC2，式中C是真空中的光速，m是物體的質(zhì)量，E是物體的能量。由此可知一定的質(zhì)量總跟一定的能量相對應(yīng)。物體的質(zhì)量發(fā)生變化，相對應(yīng)的能量也會發(fā)生改變。下面把質(zhì)能方程和平均核子質(zhì)量相結(jié)合，進(jìn)一步討論原子核的穩(wěn)定性問題。

二、問題引領(lǐng)概念學(xué)習(xí)

（一）核子平均質(zhì)量

核子平均質(zhì)量是指在一個原子核中平均每個核子的質(zhì)量?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)它們隨質(zhì)量數(shù)有如圖2所示的變化規(guī)律?？梢钥闯銎骄俗淤|(zhì)量大致隨質(zhì)量數(shù)增加先減后增，但曲線上也有很多地方是上下起伏的。為了簡化問題，這里把圖2簡化為圖3模型進(jìn)行討論。

下面以問題為引領(lǐng)，啟發(fā)學(xué)生思考平均核子質(zhì)量和原子核穩(wěn)定性的問題。

教師：如圖，哪種元素的核子平均質(zhì)量最大？哪種元素的核子平均質(zhì)量最??？學(xué)生：氫、鐵。教師：核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，也就是總核子數(shù)不變。若圖3中D核與E核結(jié)合成F核，質(zhì)量如何變化？若A核衰變成B核和C核，情況又如何呢？學(xué)生：都減小。教師：以上兩種核反應(yīng)是吸熱還是放熱？為什么？學(xué)生：放熱，因?yàn)檫@兩種反應(yīng)質(zhì)量都要減小。教師：你認(rèn)為哪種元素的核狀態(tài)最穩(wěn)定？為什么？學(xué)生：鐵。同樣的核子數(shù)，核子質(zhì)量越小，對應(yīng)的能量就越小，其狀態(tài)就越穩(wěn)定。教師：總體而言，輕核、重核和中等質(zhì)量的核，哪種更穩(wěn)定？學(xué)生：中等質(zhì)量的核。教師：這是從平均核子質(zhì)量角度理解原子核的穩(wěn)定性。有沒有一種能量參數(shù)可以直接定量的表示出原子核的穩(wěn)定性呢？接下來就引導(dǎo)學(xué)生從能量角度理解原子核的穩(wěn)定性問題。

（二）結(jié)合能與比結(jié)合能

首先根據(jù)核子平均質(zhì)量隨質(zhì)量數(shù)變化的規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生思考一個個獨(dú)立的核子結(jié)合成原子核的過程和原子核分解為一個個獨(dú)立核子的兩個逆過程中，質(zhì)量和能量都如何變化，進(jìn)而了解結(jié)合能的概念。

1.結(jié)合能。教師：單個的質(zhì)子和中子的質(zhì)量比其他原子核的核子平均質(zhì)量大還是?。繉W(xué)生：大，單個質(zhì)子和中子也就是氫原子核的平均核子質(zhì)量是所有元素里最大的。教師：一個個獨(dú)立的核子結(jié)合成任一原子核時，質(zhì)量如何變化？為什么？學(xué)生：減小，因?yàn)榻Y(jié)合過程中，總核子數(shù)不變，但平均每個核子質(zhì)量減小，所以總質(zhì)量就減小。教師：那么一個原子核要分解為一個個獨(dú)立的核子時，質(zhì)量要如何變化？為什么？學(xué)生：增加。因?yàn)榉纸膺^程中，總核子數(shù)不變，但平均每個核子質(zhì)量增加，所以總質(zhì)量就增加。教師：一個個獨(dú)立的核子結(jié)合成某原子核時，要吸收還是放出能量？學(xué)生：放出能量。教師：當(dāng)某原子核分解成一個個獨(dú)立的核子時，要吸收還是放出能量？學(xué)生：吸收能量。教師：以上兩個過程吸收和放出的能量大小關(guān)系是？為什么？學(xué)生：相等。因?yàn)橘|(zhì)量變化量相等。教師：這里的質(zhì)量之差，我們把它叫作質(zhì)量虧損。質(zhì)量虧損，應(yīng)該定義為哪兩個質(zhì)量之差？學(xué)生：組成原子核的核子質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差。教師：我們把核子組成原子核過程中所放出的能量，或者原子核分解成核子過程中所吸收的能量叫做結(jié)合能。在了解了結(jié)合能概念后，再引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)比結(jié)合能概念，進(jìn)一步探究原子核的穩(wěn)定性與比結(jié)合能的關(guān)系。

2.比結(jié)合能。接下來以問題引導(dǎo)學(xué)生思考結(jié)合能能否描述原子核的穩(wěn)定性。教師：是不是結(jié)合能越大的原子核就會越穩(wěn)定？學(xué)生：不是，因?yàn)榻M成原子核的核子越多，它的結(jié)合能就越高。但前面根據(jù)平均核子質(zhì)量知道，中等質(zhì)量的核子才比較穩(wěn)定，而不是質(zhì)量數(shù)越大的核就越穩(wěn)定。教師：質(zhì)量數(shù)比較大的一些重核反而不穩(wěn)定，質(zhì)量數(shù)較大的核一般都具有放射性，會衰變。比如鈾235，它的結(jié)合能雖然高達(dá)200MeV，但是鈾核本身很不穩(wěn)定，會發(fā)生天然放射現(xiàn)象而衰變?yōu)橘|(zhì)量數(shù)較小的原子核。那有意義的到底是什么能量？學(xué)生：結(jié)合能與總核子數(shù)的比值。教師：在衡量原子核穩(wěn)定性的時候，有意義的是結(jié)合能與核子數(shù)的比值，稱作比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。引導(dǎo)學(xué)生討論出結(jié)合能的概念后，下面一個要突破的難點(diǎn)就是討論比結(jié)合能如何定量描述原子核的穩(wěn)定性的，可以結(jié)合比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化的圖像講解。不同原子核的比結(jié)合能是不一樣的，科學(xué)家們按照實(shí)際測量結(jié)果畫出了如圖4所示的變化規(guī)律圖像。圖中可以看出比結(jié)合能大致隨質(zhì)量數(shù)增加先增后減，但曲線上也有很多地方是上下起伏的，所以是大體上遵循這個規(guī)律。為了簡化問題，這里把圖4簡化為圖5模型進(jìn)行討論。

教師：比結(jié)合能變化有什么規(guī)律？哪種比結(jié)合能最大？學(xué)生：大體上隨質(zhì)量數(shù)增加而先增后減。鐵元素比結(jié)合能最大。教師：比結(jié)合能越大，表示什么？學(xué)生：比結(jié)合能越大，表示把原子核拆成一個個的核子，平均每個核子需要吸收的能量就越大，即越難拆開，說明核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。

三、問題引領(lǐng)概念深化

下面對比平均核子質(zhì)量和比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化的圖像，引導(dǎo)學(xué)生從它們和原子的穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)一步思考總結(jié)二者的內(nèi)在聯(lián)系。圖3和圖5中的A核衰變成B核和C核、D核與E核結(jié)合成F核，兩種核反應(yīng)前后質(zhì)量都減小從而放出能量，這似乎和學(xué)生學(xué)過的質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律相違背。教師引導(dǎo)學(xué)生深入思考，更深刻地理解質(zhì)量守恒和能量守恒定律。

根據(jù)能量守恒定律，上述兩種核反應(yīng)前后質(zhì)量虧損，釋放出的核能轉(zhuǎn)化為γ光子的能量及反應(yīng)后原子核的動能，主要是以γ光子的形式釋放出來。減小的那部分質(zhì)量則等于γ光子的動質(zhì)量，所以原子核的質(zhì)量虧損并不破壞質(zhì)量守恒定律。最后提出以上兩種反應(yīng)需要滿足什么條件、有哪些應(yīng)用和前景等問題，拋出后面兩節(jié)的探究主題，為構(gòu)建更完整的知識體系做好鋪墊。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫樹朋.結(jié)合能與比結(jié)合能分析[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2009（04）.

（責(zé) 編 林 娟）