Imię i nazwisko autora:

Tomasz Cap

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Energia wiązania jądra atomowego

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony

Podstawa programowa:

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

Zakres podstawowy
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
1) przedstawia jednostki wielkości fizycznych, opisuje ich związki z jednostkami podstawowymi; przelicza wielokrotności i podwielokrotności;
4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem;
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach.
XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:
6) stosuje zasadę zachowania energii do opisu reakcji jądrowych; posługuje się pojęciami energii wiązania i deficytu masy; oblicza te wielkości dla dowolnego izotopu.

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
1) przedstawia jednostki wielkości fizycznych, opisuje ich związki z jednostkami podstawowymi; przelicza wielokrotności i podwielokrotności;
4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem;
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach.
XII. Elementy fizyki relatywistycznej i fizyka jądrowa. Uczeń:
7) stosuje zasadę zachowania energii do opisu reakcji jądrowych; posługuje się pojęciem energii wiązania;
8) oblicza dla dowolnego izotopu energię spoczynkową, deficyt masy i energię 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. stosuje wzór E=mcIndeks górny 2²;

2. porównuje energie wiązań na nukleon dla różnych jąder atomowych;

3. oblicza energię wydzielaną w reakcji fuzji jąder lekkich i w reakcji rozszczepienia jąder ciężkich.

Strategie nauczania:

IBSE

Metody nauczania:

wykład informacyjny, rozwiązywanie zadań rachunkowych

Formy zajęć:

praca indywidualna, praca w parach

Środki dydaktyczne:

tablety dla każdego ucznia lub rzutnik do wyświetlania grafiki interaktywnej

Materiały pomocnicze:

-

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Uczniowie przypominają jednostki używane w fizyce jądrowej służące do określania masy i energii (MeV, $\frac{MeV}{c^2}$ itd.). Nauczyciel podaje masy protonu i neutronu oraz kilku przykładowych jąder atomowych (kilka jąder lekkich pierwiastków, kilka z obszaru Indeks górny 56⁵⁶Fe i kilka najcięższych jąder; ważne jest, aby pokryć pełen zakres liczb masowych). Następnie prosi uczniów, aby w parach sprawdzili dla wybranego jądra, czy jego masa jest równa sumie mas nukleonów tworzących je. Nauczyciel wprowadza i wyjaśnia pojęcie defektu masy i podaje uczniom przykłady układów związanych (np. atomy, układy astronomiczne).

Faza realizacyjna:

Uczniowie obliczają w parach defekty mas wcześniej wybranych jąder. Nauczyciel, używając wzoru Einsteina, wyjaśnia uczniom, jaki jest związek defektu masy z energią wiązania jądra atomowego, podaje definicję i wyjaśnia, czym jest energia wiązania jądra atomowego.
Uczniowie obliczają energie wiązania wybranych jąder i wspólnie zastanawiają się, jak określić, które jądra są silniej związane niż inne. Powinni oni dojść do wniosku, że wygodnie jest się posługiwać energią wiązania w przeliczeniu na nukleon. Uczniowie, razem z nauczycielem, tworzą wykres zależności średniej energii wiązania na nukleon w funkcji liczby masowej jądra.
Uczniowie pracują z grafiką interaktywną pokazującą, jak wygląda wykres średniej energii wiązania na nukleon w funkcji liczby masowej dla wybranych jąder oraz wspólnie z nauczycielem omawiają jego kształt i konsekwencje.
Nauczyciel prosi uczniów, by korzystając z wykresu, obliczyli na przykładach energię wydzieloną w procesie rozszczepienia jąder ciężkich i w procesie fuzji jąder lekkich. Nauczyciel wyprowadza potrzebne wzory wiążące wydzieloną energię z energiami wiązań jąder produktów i substratów. Uczniowie rozwiązują zadanie 7 z zestawu ćwiczeń i obliczają energię wydzieloną w symetrycznym rozszczepieniu, a następnie wyznaczają, na wybranym przykładzie, ilość energii wydzielanej w reakcji fuzji lekkich jąder. 
Nauczyciel omawia przypadek jądra żelaza Indeks górny 56⁵⁶Fe, które jest wyjątkowo silnie związane i omawia, jakie są tego konsekwencje.

Faza podsumowująca:

Nauczyciel prosi uczniów o zapisanie, krok po kroku, jak obliczyć energię wiązania jądra atomowego przypadającą na nukleon, zaczynając od masy jądra, a następnie o rozwiązanie zadania 5 z zestawu ćwiczeń (wyznaczenie energii wiązania na nukleon dla jądra uranu Indeks górny 238²³⁸U).

Praca domowa:

W ramach powtórzenia i utrwalenia wiadomości o energii wiązania uczniowie rozwiązują zadania: 1, 2, 3, 4, 6 z zestawu ćwiczeń.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Grafikę interaktywną uczniowie mogą wykorzystać w czasie powtarzania i utrwalania wiadomości.