第5章第4节核裂变与核聚变教学设计.pdf
人教版高中物理选择性必修 3 第 5 章第 4 节核裂变与核聚变教学设计 课题 核裂变与核聚变 单元 5 学科 物理 年级 高二 学习 目标 物理观念：知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念，了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的内容。科学思维：掌握链式反应及核聚变释放能量的计算，理解核电站的工作原理，掌握轻核聚变的条件，提高分析、解决问题的能力。科学探究：通过对链式反应的探究，理解原子弹、核反应堆的原理，体会热核反应的条件及科学发现新粒子的进步。科学态度与责任：学习科学家们研究问题的方法，坚持实事求是的科学态度，体验其工作的艰辛，激发探索未来科学的热情。重点 核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念，链式反应及核聚变释放能量的计算。难点 链式反应及核聚变释放能量的计算 教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 导入新课 较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢?阅读课本问题，思考如何利用原子核在分裂和合并过程中产生的能量。观察原子弹 爆 炸 的 图片。通过引导学生思考如何利用原子核分裂和合并过程中产生的能量。提高学生的学习兴趣。讲授新课 一、核裂变的发现 裂变:重核分裂成质量较小的核，并释放核能的反应。学习裂变的概念。知道裂变的过程。通过类比细胞的分裂，让学生 更 好 的 理 解“裂变”的概念。链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过 条件：每次裂变产生的中子，至少平均有一个能引发新的裂变 保证U23592的纯度提纯 铀块的大小 临界体积:裂变物质能够发生链式反应的最小体积 相应的质量：临界质量 235114489192056360UnBa+Kr3 n 二分裂 质量数守恒，电荷守恒 如果 1 kg 铀全部裂变，它放出的能量就相当于 2800 t 标准煤完全燃烧时放出的化学能。阅读课本120 页内容，总结链式反应的概念以及发生链式反应的条件。通过核裂变方程，观察核反应遵循的规律：质量数守恒、电荷守恒。采用学生阅读材料，总结知识点的方式，让学生明确链式反应的概念，并由学生总结链式反应发生的条件。提高学生的自主学习能力。课堂练习：1、(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是()A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分 B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量 C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分 D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应 解析：用中子U23592和Pu23994轰击等少数重核元素才能发生裂变反应,铀核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D 错误,C 正确;铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B 正确。答案：BC 二、反应堆与核电站 核反应堆：人工控制链式反应的装置 核能发电的基本原理 二战时期，美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。在长崎投掷的原子弹爆炸后形成蘑菇 完成课堂练习。观察核反应堆结构。阅 读 材料。通过课堂练习，巩固基础知识。通过观察核反 应 堆 的 结 构图、阅读课本材料，理解人工控制链式反应的原理。让学生明白科技在推动人类进步的同时，也状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达 12英里多，长崎市 60%的建筑物被摧毁，伤亡 86000人，占全市 37%；广岛市区 80%的建筑化为灰烬，64000 人丧生，72000 人受伤，伤亡总人数占全市总人口的 53%。课堂练习 2、(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是()A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能 B.镉棒的作用是控制反应堆的功率 C.石墨的作用是吸收中子 D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能 解析：铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故 A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,故 B 正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故 C错误;水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却,控制温度,故 D 正确。答案：ABD 三、核聚变 核聚变：某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核的核反应 思考讨论：发生聚变的条件:使原子核间的距离达到 10-15 m 以内，核力才能起作用。由于原子 完成课堂练习。类比核裂变理解记忆核聚变的含义。思考让粒可以给人们带来灾难，培养学生的 爱 国 主 义 精神。让学生在学习过程中学会对比和归纳。养成良 好 的 学 习 习惯。核都带正电，要使它们靠近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量的原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？方法:用加速器加速原子核 原子核加热到很高的温度 108109K 1、受控核聚变 热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性 1）轻核聚变产能效率高 2）地球上聚变燃料的储量丰富（每升水中就含有 0.03 g 氘，地球上有 138.6 亿亿立方米的水，大约有 40 万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有 2000 亿吨）3）轻聚变更为安全、清洁（高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氘，高速中子，质子与其他物质反应生成的发射性物质，比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理）2、实现核聚变的方法 难点：地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温。方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。磁约束：带电粒子运动时在均匀磁场中会在洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。惯性约束：由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。子 加 速 的 方法。阅读课本材料。了解实现核聚变的困难之处和所采取的方案。四、重核裂变与轻核聚变的区别 课堂练习 3、关于轻核聚变释放核能,下列说法正确的是()A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多 B.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大 C.聚变反应中粒子的比结合能变小 D.聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量增大 解析：在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,故 A 错误;由于聚变反应中释放出巨大的能量,则比结合能一定增加,质量发生亏损,故 C、D 错误。答案：B 总结对比核裂变和核聚变的区别和联系。完成课堂练习。引导学生在平时的学习过程中养成归纳、总结、类比的学习习惯。拓展提高 1、(多选)日本福岛第一核电站在地震后,数秒内就将控制棒插入核反应堆芯,终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统,因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量,核燃料棒温度不断上升,对周边环境产生了巨大的危害。则下列说法正确的是()A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制 完成拓展提高练习题。B.控制棒插入核反应堆芯后,被吸收的中子数量变多 C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大 D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的 解析：控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制,选项 A、B 正确;泄漏中放射性物质对周边环境产生了巨大的危害,选项 D 正确;因为是核裂变反应且有能量释放,可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小,故 C 错误。答案：ABD 2、1938 年哈恩用中子轰击铀核,发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些射线。下列关于这个实验的说法中正确的是()A.这 个 实 验 的 核 反 应 方 程 是nKrBanU108936144561023592 B.这是一个核裂变过程,反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和 C.这个反应中释放出来的能量可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算 D.实验中产生的射线穿透能力极强 解析：根据质量数守恒、电荷数守恒,铀核裂变的核反应方程应为nKrBanU108936144561023592,选项 A 错误;铀核裂变过程中产生射线,放出能量,发生质量亏损,释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算,选项 B、C 错误;核反应中产生的射线,穿透能力极强,是能量极高的光子,选项 D 正确。答案：D 3、一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量 mH=1.0073 u,中子质量 mn=1.0087 u,氚核质量 mT=3.0180 u。(1)写出聚变方程;(2)释放出的核能为多大?(3)平均每个核子释放的能量是多大?解析：（1）聚变方程：HnH3110112 (2)质量亏损m=mH+2mn-m=(1.007 3+21.008 7-3.018 0)u=0.0067 u,释 放 的 核 能 E=mc2=0.006 7 931.5 MeV=6.24 MeV。(3)平 均 每 个 核 子 放 出 的 能 量 为 MeV=2.08 MeV。课堂小结 一、核裂变的发现 1、定义 2、链式反应 3、链式反应条件 二、核聚变 1、轻核的聚变 2、受控热核反应 总结本节课 所 学 习 知识。帮助学生梳理基础知识，建立知识框架。板书
