2019-2020年高中物理 3.6 核聚變教案 教科版選修3-5.doc
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2019-2020年高中物理 3.6 核聚變教案 教科版選修3-5 三維教學目標 1、知識與技能 (1)了解聚變反應的特點及其條件; (2)了解可控熱核反應及其研究和發(fā)展; (3)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。 2、過程與方法:通過讓學生自己閱讀課本,培養(yǎng)他們歸納與概括知識的能力和提出問題的能力 3、情感、態(tài)度與價值觀 (1)通過學習,使學生進一步認識導科學技術的重要性,更加熱愛科學、勇于獻身科學; (2)認識核能的和平利用能為人類造福,但若用于戰(zhàn)爭目的將給人類帶來災難,希望同學們努力學習,為人類早日和平利用核聚變能而作出自己的努力。 教學重點:聚變核反應的特點。聚變反應的條件。 教學方法:教師啟發(fā)、引導,學生討論、交流。 教學用具:多媒體教學設備一套:可供實物投影、放像、課件播放等。 (一)引入新課 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月。前蘇聯用了四年,美國用了7年。氫彈爆炸釋放核能是通過輕核的聚變來實現的。這節(jié)課我們就來研究聚變的問題。 (二)進行新課 1、聚變及其條件 提問:什么叫輕核的聚變?(兩個輕核結合成質量較大的核,這樣的反應叫做聚變) 提問:為什么輕核的聚變反應能夠比重核的裂變反應釋放更多的核能?(因為較輕的原子核比較重的原子核核子的平均質量更大,聚變成質量較大的原子核能產生更多的質量虧損,所以平均每個核子釋放的能量就更大) 歸納補充: (1)氫的聚變反應: 21H+21H→31He+11H+4 MeV、 21H+31H→42He+10n+17.6 MeV (2)釋放能量: ΔE=Δmc2=17.6 MeV,平均每個核子釋放能量3 MeV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? 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10-15 m,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。 聚變反應一旦發(fā)生,就不再需要外界給它能量,靠自身產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。 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107 K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3.81026 J,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! (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? 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。 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? 可控熱核反應發(fā)展進程: 例1:一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=2.014 102 u、氚核的質量:mT=3.016 050 u、氦核的質量:mα=4.002 603 u、中子的質量:mn=1.008 665 u、1u=1.660 610-27kg,e = 1.602 210-19C,請同學們求出該核反應所釋放出來的能量。 根據質能方程,釋放出的能量為: 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,即輕核聚變產能效率高。 常見的聚變反應:21H+21H→31He+11H+4MeV、 21H+31H→42He+10n+17.6 MeV。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物,所以氘是實現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。 總結: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。 總結: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。 實現核聚變需要高溫,一旦出現故障,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,模擬太陽產生能量。- 配套講稿:
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