Imię i nazwisko autora:

Tomasz Cap

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Zasada zachowania energii w reakcjach jądrowych i ciepło reakcji

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony

Podstawa programowa:

Cele kształcenia – wymagania ogólne
II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem;
19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu.
XII. Elementy fizyki relatywistycznej i fizyka jądrowa. Uczeń:
7) stosuje zasadę zachowania energii do opisu reakcji jądrowych; posługuje się pojęciem energii wiązania.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.

• kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji,

• kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,

• kompetencje cyfrowe,

• kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. podaje definicję ciepła reakcji,

2. stosuje zasadę zachowania energii do opisu reakcji jądrowych,

3. wskazuje, czy reakcja jest endoenergetyczna, czy egzoenergetyczna,

4. wyznacza ciepło reakcji dla rozpadu neutronu.

Strategie nauczania:

blended ‑ learning

Metody nauczania:

wykład informacyjny, rozwiązywanie zadań rachunkowych

Formy zajęć:

praca indywidualna, praca w parach

Środki dydaktyczne:

rzutnik lub ekran do wyświetlania multimedium

Materiały pomocnicze:

-

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel przypomina definicję reakcji jądrowej i wykorzystując przykładowy schemat reakcji wprowadza pojęcia substratów, produktów, kanału wejściowego, kanału wyjściowego itd. Wygodnie jest się posłużyć w tym miejscu konkretną reakcją, np. reakcją przeprowadzoną przez Rutherforda omówioną w zadaniu 5 z zestawu ćwiczeń. Nauczyciel następnie omawia zasadę zachowania ładunku elektrycznego i całkowitej liczby nukleonów w reakcjach jądrowych i zapisuje zasadę zachowania energii. Przy omawianiu zasady zachowania energii nauczyciel pokazuje, że energia całkowita danej cząstki składa się z dwóch komponentów: energii kinetycznej oraz energii spoczynkowej, zależnej od masy cząstki. Następnie zostaje wprowadzone pojęcie energii wzbudzenia i zostają omówione konsekwencje posiadania przez cząstkę pewnej nadwyżki energii ponad energię jej stanu podstawowego (takie jak np. zwiększenie masy cząstki). Nauczyciel wyprowadza wzór na ciepło reakcji i go omawia.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel prosi uczniów o wyznaczenie ciepła reakcji dla reakcji przeprowadzonej przez Rutherforda (zadanie 5 z zestawu ćwiczeń), a następnie prosi uczniów o policzenie ciepła reakcji dla fuzji dwóch jąder deuteru (zadanie 4 z zestawu ćwiczeń). Ciepło reakcji w zadaniu 5 wychodzi ujemne, a w zadaniu 4 dodatnie. Nauczyciel aktywizuje uczniów do dyskusji dotyczącej interpretacji tych wyników. Nauczyciel nawiązuje do faktu, że ciepło reakcji można również wyznaczyć jako różnicę pomiędzy sumą energii kinetycznych produktów i sumą energii kinetycznych substratów reakcji. W rezultacie dyskusji wprowadzone i omówione zostają pojęcia reakcji egzoenergetycznej i reakcji endoenergetycznej. Nauczyciel podkreśla, że dodatnie ciepło reakcji nie gwarantuje zajścia procesu, tak samo, jak dostarczenie energii powyżej niezbędnej ilości w przypadku reakcji endoenergetycznych. Nauczyciel mówi uczniom, że większość reakcji posiada pewien próg energetyczny, dopiero po przekroczeniu którego proces ma realne szanse zajść. Nauczyciel podaje jako przykład bombardowanie cząstkami alfa cienkiej folii złota i wyjaśnia, że do kontaktu jąder pocisku i tarczy może dojść tylko, gdy energia padającej cząstki przezwycięży barierę energetyczną będącą wynikiem odpychania kulombowskiego pomiędzy dodatnio naładowanymi jądrami atomowymi (nauczyciel może posłużyć się obliczeniami i wynikami z rozwiązania zadania 8 z zestawu ćwiczeń).
Nauczyciel pokazuje, w jaki sposób można uogólnić wzór na ciepło reakcji, aby można było wyznaczyć ciepło reakcji dla procesów wielociałowych. Nauczyciel następnie prosi uczniów o rozwiązanie zadania 6 z zestawu ćwiczeń (reakcja z trzema cząstkami w kanale wyjściowym).
Nauczyciel prosi uczniów o przypomnienie definicji masy jądra atomowego, pojęcia deficytu masy oraz pojęcia energii wiązania. Nauczyciel pokazuje, w jaki sposób policzyć ciepło reakcji korzystając z energii wiązań zamiast z mas spoczynkowych jąder atomowych.
Uczniowie oglądają film samouczek i rozwiązują 1 zadanie aktywizujące.

Faza podsumowująca:

Nauczyciel zapisuje trzy metody wyznaczania ciepła reakcji. Następnie omawia na przykładzie zadania 7 z zestawu ćwiczeń (rozpad swobodnego neutronu), w jaki sposób wyznacza się ciepło reakcji dla spontanicznych przemian jądrowych.

Praca domowa:

Zadania 1, 2 i 3 z zestawu ćwiczeń.
Zadanie 2 z zestawu zadań aktywizujących do multimedium.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Multimedium może być wykorzystane przez uczniów po lekcji do powtórzenia i utrwalenia wiadomości.