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高三物理教案:《核聚变》教学设计

来源:精品学习网 2018-11-13 12:20:24

  三维教学目标

  1、知识与技能

  (1)了解聚变反应的特点及其条件;

  (2)了解可控热核反应及其研究和发展;

  (3)知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。

  2、过程与方法:通过让学生自己阅读课本,培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力

  3、情感、态度与价值观

  (1)通过学习,使学生进一步认识导科学技术的重要性,更加热爱科学、勇于献身科学;

  (2)认识核能的和平利用能为人类造福,但若用于战争目的将给人类带来灾难,希望同学们努力学习,为人类早日和平利用核聚变能而作出自己的努力。

  教学重点:聚变核反应的特点。聚变反应的条件。

  教学方法:教师启发、引导,学生讨论、交流。

  教学用具:多媒体教学设备一套:可供实物投影、放像、课件播放等。


  (一)引入新课

  1967年6月17日,我国第一颗氢弹爆炸成功。从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功,我国仅用了两年零八个月。前苏联用了四年,美国用了7年。氢弹爆炸释放核能是通过轻核的聚变来实现的。这节课我们就来研究聚变的问题。

  (二)进行新课

  1、聚变及其条件

  提问:什么叫轻核的聚变?(两个轻核结合成质量较大的核,这样的反应叫做聚变)

  提问:为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能?(因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大,聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损,所以平均每个核子释放的能量就更大)

  归纳补充:

  (1)氢的聚变反应:

  21H+21H→31He+11H+4 MeV、 21H+31H→42He+10n+17.6 MeV

  (2)释放能量:

  ΔE=Δmc2=17.6 MeV,平均每个核子释放能量3 MeV以上,约为裂变反应释放能量的3~4倍

  提问:请同学们试从微观和宏观两个角度说明核聚变发生的条件?

  结论:

  微观上:参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围,即10-15 m,要使原子核接近到这种程度,必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。

  宏观上:要使原子核具有如此大的动能,就要把它加热到几百万摄氏度的高温。

  聚变反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去,在短时间释放巨大的能量,这就是聚变引起的核爆炸。

  说明:

  (1)热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳和很多恒星的内部温度高达107 K以上,因而在那里进行着激烈的热核反应,不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J,地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有7亿吨原子核参与碰撞,转化为能量的物质是400万吨。科学家估计,太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然,与人类历史相比,这个时间很长很长!

  (2)上世纪四十年代,人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹,氢弹是利用热核反应制造的一种在规模杀伤武器,在其中进行的是不可控热核反应,它的威力是原子弹的十几倍。

  提问:氢弹爆炸原理是什么?

  阅读教材:课本图19.7-1是氢弹原理图,它需要用原子炸药来引爆,以获得热核反应所需要的高温,而这些原子炸药又要用普通炸药来点燃。

  2、可控热核反应

  (1)聚变与裂变相比有很多优点

  提问:目前,人们还不能控制核聚变的速度,但科学家们正在努力研究和尝试可控热核反应,以使核聚变造福于人类。我国在这方面的研究和实验也处于世界领先水平。请同学们自学教材,了解聚变与裂变相比有哪些优点?

  可控热核反应发展进程:

  例1:一个氘核和一个氚核发生聚变,其核反应方程是21H+31H→42He+10n,其中氘核的质量:mD=2.014 102 u、氚核的质量:mT=3.016 050 u、氦核的质量:mα=4.002 603 u、中子的质量:mn=1.008 665 u、1u=1.660 6×10-27kg,e = 1.602 2×10-19C,请同学们求出该核反应所释放出来的能量。

  根据质能方程,释放出的能量为:

  平均每个核子放出的能量约为3.3MeV,而铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。

  总结:聚变与裂变相比,这是优点之一,即轻核聚变产能效率高。

  常见的聚变反应:21H+21H→31He+11H+4MeV、 21H+31H→42He+10n+17.6 MeV。在这两个反应中,前一反应的材料是氘,后一反应的材料是氘和氚,而氚又是前一反应的产物,所以氘是实现这两个反应的原始材料,而氘是重水的组成部分,在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的。从这个意义上讲,轻核聚变是能源危机的终结者。

  总结:聚变与裂变相比,这是优点之二,即地球上聚变燃料的储量丰富。

  如1L海水中大约有0.03g氘,如果发生聚变,放出的能量相当于燃烧300L汽油。

  总结:聚变与裂变相比,优点之三,是轻核聚变反应更为安全、清洁。

  实现核聚变需要高温,一旦出现故障,高温不能维持,反应就自动终止了。另外,氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的,放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质,比裂就所生成的废物的数量少,容易处理。

  (2)我国在可控热核反应方面的研究和实验发展情况。

  EAST全超导托卡马克实验装置以探索无限而清洁的核聚变能源为目标,这个装置也被通称为“人造太阳”,能够像太阳一样给人类提供无限清洁的能源。目前,由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置大部件已安装完毕,进入抽真空降温试验阶段。我国的科学家就率先建成了世界上第一个全超导核聚变“人造太阳”实验装置,模拟太阳产生能量。

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