高三物理裂變和聚變

PAGE裂變和聚變★新課標要求（一）知識與技能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．知道什么是鏈式反應。3．會計算重核裂變過程中釋放出的能量。4．知道什么是核反應堆。了解常用裂變反應堆的類型，了解核電站及核能發(fā)電的優(yōu)缺點。5．了解聚變反應的特點及其條件.6．了解可控熱核反應及其研究和發(fā)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。（二）過程與方法1．通過對核子平均質量與原子序數(shù)關系的理解，培養(yǎng)學生的邏輯推理能力及應用教學圖像處理物理問題的能力。2．通過讓學生自己閱讀課本，查閱資料，培養(yǎng)學生歸納與概括知識的能力和提出問題的能力。（三）情感、態(tài)度與價值觀1．激發(fā)學生熱愛科學、探求真理的激情，樹立實事求是的科學態(tài)度，培養(yǎng)學生基本的科學素養(yǎng)，通過核能的利用，思考科學與社會的關系。2．通過教學，讓學生認識到和平利用核能及開發(fā)新能源的重要性。3．確立世界是物質的，物質是運動變化的，而變化過程必然遵循能量守恒的觀點。★教學重點1．鏈式反應及其釋放核能的計算。2．重核裂變的核反應方程式的書寫。3.聚變核反應的特點?！锝虒W難點1、通過核子平均質量與原子序數(shù)的關系，推理得出由質量數(shù)較大的原子核分裂成質量數(shù)較小的原子核釋放能量這一結論。2、聚變反應的條件。★教學方法教師啟發(fā)、引導，學生討論、交流?！锝虒W用具：多媒體教學設備一套：可供實物投影、放像、課件播放等?！镎n時安排1課時 ★教學過程重核裂變（一）引入新課教師：大家都知道在第二次世界大戰(zhàn)即將結束的時候，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)課就來學習裂變，通過學習，大家就會對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識。點評：激發(fā)起學生主動探求知識的欲望，從而為下一步進行教學活動奠定一個良好的基礎。（二）進行新課1．核裂變（fission）提問：核裂變的特點是什么？讓學生閱讀課本核裂變部分內容，分小組討論。每一小組由一位同學陳述小組討論的結果。學生回答：重核分裂成質量較小的核的反應，稱為裂變。教師總結：重核分裂成質量較小的核，釋放出核能的反應，稱為裂變。提問：是不是所有的核裂變都能放出核能？讓學生閱讀有關核子平均質量有補充材料。分小組討論。每一小組由一位同學陳述小組討論的結果。學生回答：只有核子平均質量減小的核反應才能放出核能。點評：有利于培養(yǎng)學生合作式學習的能力。知識總結：不是所有的核反應都能放出核能，有的核反應，反應后生成物的質量比反應前的質量大，這樣的核反應不放出能量，反而在反應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。點評：個人及小組的競爭，活躍課堂氣氛，激活學生思維，增加學習的趣味性。2、鈾核的裂變（1）鈾核的裂變的一種典型反應。提問：鈾核的裂變的產(chǎn)物是多樣的，最典型的一種核反應方程式是什么樣的？讓學生閱讀課本核裂變部分內容分小組討論每一小組由一位同學陳述小組討論的結果。學生回答：（2）鏈式反應：提問：鏈式反應〔chainreaction〕是怎樣進行的？學生回答：這種由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈式反應。點評：學生用自己的語言敘述，基本正確即可。（3）臨界體積（臨界質量）：提問：什么是臨界體積（臨界質量）？學生回答：通常把裂變物質能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積，相應的質量叫做臨界質量。（4）裂變反應中的能量的計算。裂變前的質量：點評：學生閱讀課本，回答問題，有助于培養(yǎng)學生的自學能力。教師歸納補充：（1）氫的聚變反應：21H+21H→31He+11H+4MeV、21H+31H→42He+10n+17.6MeV（2）釋放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6MeV，平均每個核子釋放能量3MeV以上，約為裂變反應釋放能量的3～4倍提問：請同學們試從微觀和宏觀兩個角度說明核聚變發(fā)生的條件？學生閱讀教材，分析思考、歸納總結并分組討論。得出結論微觀上：參與反應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能，就要把它加熱到幾百萬攝氏度的高溫。點評：從宏觀和微觀兩個角度來考慮核聚變的條件，有助于加深理解。教師說強調：聚變反應一旦發(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應持續(xù)進行下去，在短時間釋放巨大的能量，這就是聚變引起的核爆炸。教師補充說明：（1）熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽和很多恒星的內部溫度高達107K以上，因而在那里進行著激烈的熱核反應，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，轉化為能量的物質是400萬噸。科學家估計，太陽的這種“核燃燒”還能維持90億~100億年。當然，與人類歷史相比，這個時間很長很長！教師：希望同學們課后查閱資料，了解更多的太陽能有關方面的知識及其應用。（2）上世紀四十年代，人們利用核聚變反應制成了用于戰(zhàn)爭的氫彈，氫彈是利用熱核反應制造的一種在規(guī)模殺傷武器，在其中進行的是不可控熱核反應，它的威力是原子彈的十幾倍。提問：氫彈爆炸原理是什么？學生閱讀教材：課本圖19.7-1是氫彈原理圖，它需要用原子炸藥來引爆，以獲得熱核反應所需要的高溫，而這些原子炸藥又要用普通炸藥來點燃。［教師點撥］［錄像］氫彈的構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現(xiàn)核聚變？學生回答：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現(xiàn)低溫核聚變。點評：學生自學看書，自己歸納總結，有助于培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，逐步提高學生的歸納總結能力。2．可控熱核反應（1）聚變與裂變相比有很多優(yōu)點提問：目前，人們還不能控制核聚變的速度，但科學家們正在努力研究和嘗試可控熱核反應，以使核聚變造福于人類。我國在這方面的研究和實驗也處于世界領先水平。請同學們自學教材，了解聚變與裂變相比有哪些優(yōu)點？投影材料二[2]：可控熱核反應發(fā)展進程例：一個氘核和一個氚核發(fā)生聚變，其核反應方程是21H+31H→42He+10n，其中氘核的質量：mD=2.014102u、氚核的質量：mT=3.016050u、氦核的質量：mα=4.002603u、中子的質量：mn=1.008665u、1u=1.6606×10-27kg，e=1.6022×10-19C，請同學們求出該核反應所釋放出來的能量。學生計算：根據(jù)質能方程，釋放出的能量為：教師點拔：平均每個核子放出的能量約為3.3MeV，而鈾核裂變時平均每個核子釋放的能量約為1MeV。總結：聚變與裂變相比，這是優(yōu)點之一，即輕核聚變產(chǎn)能效率高。教師點拔：常見的聚變反應：21H+21H→31He+11H+4MeV、21H+31H→42He+10n+17.6MeV。在這兩個反應中，前一反應的材料是氘，后一反應的材料是氘和氚，而氚又是前一反應的產(chǎn)物，所以氘是實現(xiàn)這兩個反應的原始材料，而氘是重水的組成部分，在覆蓋地球表面三分之二的海水中是取之不盡的。從這個意義上講，輕核聚變是能源危機的終結者?？偨Y：聚變與裂變相比，這是優(yōu)點之二，即地球上聚變燃料的儲量豐富。如1L海水中大約有0.03g氘，如果發(fā)生聚變，放出的能量相當于燃燒300L汽油。聚變與裂變相比，優(yōu)點之三，是輕核聚變反應更為安全、清潔。實現(xiàn)核聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應就自動終止了。另外，氘和氚聚就反應中產(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高速中子、質子與其他物質反應而生成的放射性物質，比裂就所生成的廢物的數(shù)量少，容易處理。（2）我國在可控熱核反應方面的研究和實驗發(fā)展情況。EAST全超導托卡馬克實驗裝置以探索無限而清潔的核聚變能源為目標，這個裝置也被通稱為“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計制造的EAST全超導非圓截面托卡馬克實驗裝置大部件已安裝完畢，進入抽真空降溫試驗階段。我國的科學家就率先建成了世界上第一個全超導核聚變“人造太陽”實驗裝置，模擬太陽產(chǎn)生能量。點評：通過了解我國在可控熱核反應方面的成就，激發(fā)學生的愛國熱情和獻身科學的能力。（三）課堂小結本節(jié)主要研究了聚變核反應的特點和條件，聚變反應要比裂變反應釋放更多的能量，但它發(fā)生的條件是要達到幾百萬度的高溫，因而聚變反應也叫熱核反應.可控熱核反應的研究和實驗將為人類和平利用核能開發(fā)新的途徑。（四）作業(yè)：完成課后練習★教學體會本節(jié)課雖然教學要求不高，但卻是開展中學科技教育活動的生動內容。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：“科學結論幾乎是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前，讀者學生體驗不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅，感覺不到思想形成的生動過程也很難達到清楚地解釋全部過程?！痹谡n堂教學過程中，結合內容的講授，以史為鑒，雖著墨不多，卻寓意深遠，本材料正是以此為設計思想的：沿著科學家的足跡，剖析科學家的思維，領略科學家的創(chuàng)造；激發(fā)同學們的興趣，培養(yǎng)同學們的能力，陶冶同學們的情操。本節(jié)內容比較抽象，應讓學生多思考、多總結、多歸納，體驗知識的獲得過程，加強對知識的理解。讓學生樹立實事求是的科學態(tài)度，培養(yǎng)學生嚴謹、踏實的科學素養(yǎng)，通過核能的利用，思考科學與社會的關系。附：[1]投影材料一時間人物事件20年代阿斯頓指出：中等大小的原子核結合最緊密，核裂變或輕核聚變都會放出能量，核聚變放出的能量比裂變大許多1920年愛丁頓猜測：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2000萬度的高溫和極高的密度。1929年羅素指出：太陽總體積的60％是氫氣，如果太陽的能量真是依靠核反應的話，那么這種核反應只能是氫氣的聚變。1938年貝