最新高三物理裂變和聚變

PAGE裂變和聚變★新課標(biāo)要求〔一〕知識(shí)與技能1．知道核裂變的概念，知道重核裂變中能釋放出巨大的能量。2．知道什么是鏈?zhǔn)椒错憽?．會(huì)計(jì)算重核裂變過程中釋放出的能量。4．知道什么是核反響堆。了解常用裂變反響堆的類型，了解核電站及核能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)。5．了解聚變反響的特點(diǎn)及其條件.6．了解可控?zé)岷朔错懠捌溲芯亢烷_展.7．知道輕核的聚變能夠釋放出很多的能量,如果能加以控制將為人類提供廣闊的能源前景?！捕尺^程與方法1．通過對(duì)核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)關(guān)系的理解，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力及應(yīng)用教學(xué)圖像處理物理問題的能力。2．通過讓學(xué)生自己閱讀課本，查閱資料，培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括知識(shí)的能力和提出問題的能力?！踩城楦小B(tài)度與價(jià)值觀1．激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)、探求真理的激情，樹立實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生根本的科學(xué)素養(yǎng)，通過核能的利用，思考科學(xué)與社會(huì)的關(guān)系。2．通過教學(xué)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到和平利用核能及開發(fā)新能源的重要性。3．確立世界是物質(zhì)的，物質(zhì)是運(yùn)動(dòng)變化的，而變化過程必然遵循能量守恒的觀點(diǎn)?！锝虒W(xué)重點(diǎn)1．鏈?zhǔn)椒错懠捌溽尫藕四艿挠?jì)算。2．重核裂變的核反響方程式的書寫。3.聚變核反響的特點(diǎn)?！锝虒W(xué)難點(diǎn)1、通過核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)的關(guān)系，推理得出由質(zhì)量數(shù)較大的原子核分裂成質(zhì)量數(shù)較小的原子核釋放能量這一結(jié)論。2、聚變反響的條件?！锝虒W(xué)方法教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流?！锝虒W(xué)用具：多媒體教學(xué)設(shè)備一套：可供實(shí)物投影、放像、課件播放等。★課時(shí)安排1課時(shí)★教學(xué)過程重核裂變〔一〕引入新課教師：大家都知道在第二次世界大戰(zhàn)即將結(jié)束的時(shí)候，美國于1945年8月6日、9日先后在日本的廣島、長崎上空投下了兩顆原子彈，剎那間，這兩座曾經(jīng)十分美麗的城市變成一片廢墟．大家還知道目前世界上有少數(shù)國家建成了許多核電站，我國也相繼建成了浙江秦山核電站和廣東大亞灣核電站等。我想，現(xiàn)在大家一定想知道原子彈爆炸及核發(fā)電的原理，那么，我們這節(jié)課就來學(xué)習(xí)裂變，通過學(xué)習(xí)，大家就會(huì)對(duì)上述問題有初步的了解。播放VCD光碟，展示原子彈爆炸的過程及原子彈爆炸后形成的慘景的片段。學(xué)生：觀看原子彈爆炸的過程，并形成裂變能放出巨大能量的初步認(rèn)識(shí)。點(diǎn)評(píng)：激發(fā)起學(xué)生主動(dòng)探求知識(shí)的欲望，從而為下一步進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)奠定一個(gè)良好的根底?！捕尺M(jìn)行新課1．核裂變〔fission〕提問：核裂變的特點(diǎn)是什么？讓學(xué)生閱讀課本核裂變局部內(nèi)容，分小組討論。每一小組由一位同學(xué)陳述小組討論的結(jié)果。學(xué)生答復(fù)：重核分裂成質(zhì)量較小的核的反響，稱為裂變。教師總結(jié)：重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放出核能的反響，稱為裂變。提問：是不是所有的核裂變都能放出核能？讓學(xué)生閱讀有關(guān)核子平均質(zhì)量有補(bǔ)充材料。分小組討論。每一小組由一位同學(xué)陳述小組討論的結(jié)果。學(xué)生答復(fù)：只有核子平均質(zhì)量減小的核反響才能放出核能。點(diǎn)評(píng)：有利于培養(yǎng)學(xué)生合作式學(xué)習(xí)的能力。知識(shí)總結(jié)：不是所有的核反響都能放出核能，有的核反響，反響后生成物的質(zhì)量比反響前的質(zhì)量大，這樣的核反響不放出能量，反而在反響過程中要吸收大量的能量。只有重核裂變和輕核聚變能放出大量的能量。點(diǎn)評(píng)：個(gè)人及小組的競(jìng)爭，活潑課堂氣氛，激活學(xué)生思維，增加學(xué)習(xí)的趣味性。2、鈾核的裂變〔1〕鈾核的裂變的一種典型反響。提問：鈾核的裂變的產(chǎn)物是多樣的，最典型的一種核反響方程式是什么樣的？讓學(xué)生閱讀課本核裂變局部內(nèi)容分小組討論每一小組由一位同學(xué)陳述小組討論的結(jié)果。學(xué)生答復(fù)：〔2〕鏈?zhǔn)椒错懀禾釂枺烘準(zhǔn)椒错憽瞔hainreaction〕是怎樣進(jìn)行的？學(xué)生答復(fù)：這種由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反響一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒错?。點(diǎn)評(píng)：學(xué)生用自己的語言表達(dá)，根本正確即可?！?〕臨界體積〔臨界質(zhì)量〕：提問：什么是臨界體積〔臨界質(zhì)量〕？學(xué)生答復(fù)：通常把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒错懙淖钚◇w積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量?！?〕裂變反響中的能量的計(jì)算。裂變前的質(zhì)量：kg，kg裂變后的質(zhì)量：kg，kg，kg，學(xué)生計(jì)算：質(zhì)量虧損：kg，J=201MeV知識(shí)總結(jié)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反響一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒错?。裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒错懙淖钚◇w積叫做它的臨界體積。鈾核裂變的產(chǎn)物不同，釋放的能量也不同。3、核電站提問：核核反響堆各組成局部在核反響中起什么作用？讓學(xué)生閱讀課本核電站局部內(nèi)容，分小組討論。每一小組由一位同學(xué)陳述小組討論的結(jié)果。學(xué)生答復(fù)：鈾棒由濃縮鈾制成，作為核燃料。學(xué)生答復(fù)：控制棒由鎘做成，用來控制反響速度。學(xué)生答復(fù)：減速劑由石墨、重水或普通水〔有時(shí)叫輕水〕做成，用來跟快中子碰撞，使快中子能量減少，變成慢中子，以便讓U235俘獲。學(xué)生答復(fù)：冷卻劑由水或液態(tài)的金屬鈉等流體做成，在反響堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反響堆內(nèi)的熱量傳輸出，確保反響堆的平安。學(xué)生答復(fù)：水泥防護(hù)層用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線，防止核輻射。教師〔提問〕：核能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)？學(xué)生答復(fù)：優(yōu)點(diǎn)：①污染??；②可采儲(chǔ)量大；③比擬經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)：①一旦核泄漏會(huì)造成嚴(yán)重的核污染；②核廢料處理困難。點(diǎn)評(píng)：學(xué)生用自己的語言表達(dá)，根本正確即可。教師〔補(bǔ)充〕：了解常用裂變反響堆的類型：秦山二期、大亞灣二期是壓水堆，秦山三期是沸水堆。4、例題例題1、以下核反響中，表示核裂變的是〔〕A、B、C、D、分析：核反響中有四種不同類型的核反響，它們分別是衰變、人工轉(zhuǎn)變、重核裂變、輕核聚變。其中衰變中有衰變、衰變等。是衰變，是衰變，是人工轉(zhuǎn)變，只的C選項(xiàng)是重核裂變。學(xué)生答復(fù)：解：表示核裂變的是C點(diǎn)評(píng)：培養(yǎng)學(xué)生的擴(kuò)散散性思維。例題2、秦山核電站第一期工程裝機(jī)容量為30萬kW，如果1g鈾235完全裂變時(shí)產(chǎn)生的能量為8.21010J，并且假定產(chǎn)生的能量都變成了電能，那么，每年要消耗多少鈾235?〔一年按365天計(jì)算〕學(xué)生答復(fù)：解：核電站每天的發(fā)電量為W=Pt=3×108×24×3600J=2.592×1013J.每年的發(fā)電量W總=365W=9.46×1015J而1g鈾完全裂變時(shí)產(chǎn)生的能量為8.2×1010J. 所以，每年消耗的鈾的量為點(diǎn)評(píng)：培養(yǎng)學(xué)生推理及公式演算的能力。注意速度單位的換算，運(yùn)算過程中帶單位運(yùn)算。適當(dāng)進(jìn)行愛國主義教育。聚變〔一〕引入新課教師：1967年6月17日，我國第一顆氫彈爆炸成功。從第一顆原子彈爆炸成功到第一顆氫彈爆炸成功，我國僅用了兩年零八個(gè)月。前蘇聯(lián)用了四年，美國用了7年。氫彈爆炸釋放核能是通過輕核的聚變來實(shí)現(xiàn)的。這節(jié)課我們就來研究聚變的問題.學(xué)生：學(xué)生認(rèn)真仔細(xì)地聽課點(diǎn)評(píng)：通過介紹我國第一氫彈爆炸，激發(fā)同學(xué)們的愛國熱情。〔二〕進(jìn)行新課1．聚變及其條件提問：請(qǐng)同學(xué)們閱讀課本第一段，答復(fù)什么叫輕核的聚變？學(xué)生仔細(xì)閱讀課文學(xué)生答復(fù)：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的反響叫做聚變。投影材料一：核聚變開展的歷史進(jìn)程［1］提問：請(qǐng)同學(xué)們?cè)倏纯幢冉Y(jié)合能曲線〔圖19.5-3〕，想一想為什么輕核的聚變反響能夠比重核的裂變反響釋放更多的核能？讓學(xué)生了解聚變的開展歷史進(jìn)程。學(xué)生思考并分組討論、歸納總結(jié)。學(xué)生答復(fù)：因?yàn)檩^輕的原子核比擬重的原子核核子的平均質(zhì)量更大，聚變成質(zhì)量較大的原子核能產(chǎn)生更多的質(zhì)量虧損，所以平均每個(gè)核子釋放的能量就更大點(diǎn)評(píng)：學(xué)生閱讀課本，答復(fù)以下問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。教師歸納補(bǔ)充：〔1〕氫的聚變反響：21H+21H→31He+11H+4MeV、21H+31H→42He+10n+17.6MeV〔2〕釋放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6MeV，平均每個(gè)核子釋放能量3MeV以上，約為裂變反響釋放能量的3～4倍提問：請(qǐng)同學(xué)們?cè)噺奈⒂^和宏觀兩個(gè)角度說明核聚變發(fā)生的條件？學(xué)生閱讀教材，分析思考、歸納總結(jié)并分組討論。得出結(jié)論微觀上：參與反響的原子核必須接近到原子核大小的尺寸范圍，即10-15m，要使原子核接近到這種程度，必須使它們具有很大的動(dòng)能以克服原子核之間巨大的庫侖斥力。宏觀上：要使原子核具有如此大的動(dòng)能，就要把它加熱到幾百萬攝氏度的高溫。點(diǎn)評(píng)：從宏觀和微觀兩個(gè)角度來考慮核聚變的條件，有助于加深理解。教師說強(qiáng)調(diào)：聚變反響一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以維持反響持續(xù)進(jìn)行下去，在短時(shí)間釋放巨大的能量，這就是聚變引起的核爆炸。教師補(bǔ)充說明：〔1〕熱核反響在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽和很多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)107K以上，因而在那里進(jìn)行著劇烈的熱核反響，不斷向外界釋放著巨大的能量。太陽每秒釋放的能量約為3.8×1026J，地球只接受了其中的二十億分之一。太陽在“核燃燒〞的過程中“體重〞不斷減輕。它每秒有７億噸原子核參與碰撞，轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)是400萬噸?？茖W(xué)家估計(jì)，太陽的這種“核燃燒〞還能維持90億~100億年。當(dāng)然，與人類歷史相比，這個(gè)時(shí)間很長很長！教師：希望同學(xué)們課后查閱資料，了解更多的太陽能有關(guān)方面的知識(shí)及其應(yīng)用?！?〕上世紀(jì)四十年代，人們利用核聚變反響制成了用于戰(zhàn)爭的氫彈，氫彈是利用熱核反響制造的一種在規(guī)模殺傷武器，在其中進(jìn)行的是不可控?zé)岷朔错懀耐κ窃訌椀氖畮妆?。提問：氫彈爆炸原理是什么？學(xué)生閱讀教材：課本圖19.7-1是氫彈原理圖，它需要用原子炸藥來引爆，以獲得熱核反響所需要的高溫，而這些原子炸藥又要用普通炸藥來點(diǎn)燃。［教師點(diǎn)撥］［錄像］氫彈的構(gòu)造簡介及其爆炸情況。根據(jù)你收集的資料，還能通過什么方法實(shí)現(xiàn)核聚變？學(xué)生答復(fù)：日英開發(fā)出激光核聚變新方法、有人提出利用電解重水的方法實(shí)現(xiàn)低溫核聚變。點(diǎn)評(píng)：學(xué)生自學(xué)看書，自己歸納總結(jié)，有助于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，逐步提高學(xué)生的歸納總結(jié)能力。2．可控?zé)岷朔错憽?〕聚變與裂變相比有很多優(yōu)點(diǎn)提問：目前，人們還不能控制核聚變的速度，但科學(xué)家們正在努力研究和嘗試可控?zé)岷朔错?，以使核聚變?cè)旄Ｓ谌祟悺Ｎ覈谶@方面的研究和實(shí)驗(yàn)也處于世界領(lǐng)先水平。請(qǐng)同學(xué)們自學(xué)教材，了解聚變與裂變相比有哪些優(yōu)點(diǎn)？投影材料二[2]：可控?zé)岷朔错戦_展進(jìn)程例：一個(gè)氘核和一個(gè)氚核發(fā)生聚變，其核反響方程是21H+31H→42He+10n，其中氘核的質(zhì)量：mD=2.014102u、氚核的質(zhì)量：mT=3.016050u、氦核的質(zhì)量：mα=4.002603u、中子的質(zhì)量：mn=1.008665u、1u=1.6606×10-27kg，e=1.6022×10-19C，請(qǐng)同學(xué)們求出該核反響所釋放出來的能量。學(xué)生計(jì)算：根據(jù)質(zhì)能方程，釋放出的能量為：教師點(diǎn)拔：平均每個(gè)核子放出的能量約為3.3MeV，而鈾核裂變時(shí)平均每個(gè)核子釋放的能量約為1MeV。總結(jié)：聚變與裂變相比，這是優(yōu)點(diǎn)之一，即輕核聚變產(chǎn)能效率高。教師點(diǎn)拔：常見的聚變反響：21H+21H→31He+11H+4MeV、21H+31H→42He+10n+17.6MeV。在這兩個(gè)反響中，前一反響的材料是氘，后一反響的材料是氘和氚，而氚又是前一反響的產(chǎn)物，所以氘是實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)反響的原始材料，而氘是重水的組成局部，在覆蓋地球外表三分之二的海水中是取之不盡的。從這個(gè)意義上講，輕核聚變是能源危機(jī)的終結(jié)者。總結(jié)：聚變與裂變相比，這是優(yōu)點(diǎn)之二，即地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富。如1L海水中大約有0.03g氘，如果發(fā)生聚變，放出的能量相當(dāng)于燃燒300L汽油。聚變與裂變相比，優(yōu)點(diǎn)之三，是輕核聚變反響更為平安、清潔。實(shí)現(xiàn)核聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反響就自動(dòng)終止了。另外，氘和氚聚就反響中產(chǎn)生的氦是沒有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚以及聚變時(shí)高速中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反響而生成的放射性物質(zhì)，比裂就所生成的廢物的數(shù)量少，容易處理?！?〕我國在可控?zé)岷朔错懛矫娴难芯亢蛯?shí)驗(yàn)開展情況。EAST全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置以探索無限而清潔的核聚變能源為目標(biāo)，這個(gè)裝置也被通稱為“人造太陽〞，能夠像太陽一樣給人類提供無限清潔的能源。目前，由中科院等離子體物理研究所設(shè)計(jì)制造的EAST全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置大部件已安裝完畢，進(jìn)入抽真空降溫試驗(yàn)階段。我國的科學(xué)家就率先建成了世界上第一個(gè)全超導(dǎo)核聚變“人造太陽〞實(shí)驗(yàn)裝置，模擬太陽產(chǎn)生能量。點(diǎn)評(píng)：通過了解我國在可控?zé)岷朔错懛矫娴某删停ぐl(fā)學(xué)生的愛國熱情和獻(xiàn)身科學(xué)的能力?！踩痴n堂小結(jié)本節(jié)主要研究了聚變核反響的特點(diǎn)和條件，聚變反響要比裂變反響釋放更多的能量，但它發(fā)生的條件是要到達(dá)幾百萬度的高溫，因而聚變反響也叫熱核反響.可控?zé)岷朔错懙难芯亢蛯?shí)驗(yàn)將為人類和平利用核能開發(fā)新的途徑?！菜摹匙鳂I(yè)：完成課后練習(xí)★教學(xué)體會(huì)本節(jié)課雖然教學(xué)要求不高，但卻是開展中學(xué)科技教育活動(dòng)的生動(dòng)內(nèi)容。然而課本的編寫，卻限于篇幅等因素的影響，存在正如愛因斯坦所說的問題：“科學(xué)結(jié)論幾乎是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前，讀者學(xué)生體驗(yàn)不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅，感覺不到思想形成的生動(dòng)過程也很難到達(dá)清楚地解釋全部過程。〞在課堂教學(xué)過程中，結(jié)合內(nèi)容的講授，以史為鑒，雖著墨不多，卻寓意深遠(yuǎn)，本材料正是以此為設(shè)計(jì)思想的：沿著科學(xué)家的足跡，剖析科學(xué)家的思維，領(lǐng)略科學(xué)家的創(chuàng)造；激發(fā)同學(xué)們的興趣，培養(yǎng)同學(xué)們的能力，陶冶同學(xué)們的情操。本節(jié)內(nèi)容比擬抽象，應(yīng)讓學(xué)生多思考、多總結(jié)、多歸納，體驗(yàn)知識(shí)的獲得過程，加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解。讓學(xué)生樹立實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、踏實(shí)的科學(xué)素養(yǎng)，通過核能的利用，思考科學(xué)與社會(huì)的關(guān)系。附：[1]投影材料一時(shí)間人物事件20年代阿斯頓指出：中等大小的原子核結(jié)合最緊密，核裂變或輕核聚變都會(huì)放出能量，核聚變放出的能量比裂變大許多1920年愛丁頓猜想：太陽的能量來自亞原子粒子的相互作用1926年愛丁頓指出：太陽總體積具有2000萬度的高溫和極