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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(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能 （1）了解聚變反應(yīng)的特點(diǎn)及其條件； （2）了解可控?zé)岷朔磻?yīng)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(guò)程與方法：通過(guò)讓學(xué)生自己閱讀課本，培養(yǎng)他們歸納與概括知識(shí)的能力和提出問(wèn)題的能力 3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀 （1）通過(guò)學(xué)習(xí)，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)導(dǎo)科學(xué)技術(shù)的重要性，更加熱愛(ài)科學(xué)、勇于獻(xiàn)身科學(xué)； （2）認(rèn)識(shí)核能的和平利用能為人類造福，但若用于戰(zhàn)爭(zhēng)目的將給人類帶來(lái)災(zāi)難，希望同學(xué)們努力學(xué)習(xí)，為人類早日和平利用核聚變能而作出自己的努力。 教學(xué)重點(diǎn):聚變核反應(yīng)的特點(diǎn)。聚變反應(yīng)的條件。 教學(xué)方法:教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。 教學(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。 （一）引入新課 1967年6月17日，我國(guó)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(guó)僅用了兩年零八個(gè)月。前蘇聯(lián)用了四年，美國(guó)用了7年。氫彈爆炸釋放核能是通過(guò)輕核的聚變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這節(jié)課我們就來(lái)研究聚變的問(wèn)題。 （二）進(jìn)行新課 1、聚變及其條件 提問(wèn)：什么叫輕核的聚變？（兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的反應(yīng)叫做聚變） 提問(wèn)：為什么輕核的聚變反應(yīng)能夠比重核的裂變反應(yīng)釋放更多的核能？（因?yàn)檩^輕的原子核比較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） 歸納補(bǔ)充： （1）氫的聚變反應(yīng)： 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(gè)核子釋放能量3 MeV以上，約為裂變反應(yīng)釋放能量的3～4倍 提問(wèn)：請(qǐng)同學(xué)們?cè)噺奈⒂^和宏觀兩個(gè)角度說(shuō)明核聚變發(fā)生的條件？ 結(jié)論： 微觀上：參與反應(yīng)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(dòng)能以克服原子核之間巨大的庫(kù)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(wàn)攝氏度的高溫。 聚變反應(yīng)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(yīng)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。 說(shuō)明： （1）熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)和很多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)107 K以上，因而在那里進(jìn)行著激烈的熱核反應(yīng)，不斷向外界釋放著巨大的能量。太陽(yáng)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(yáng)在“核燃燒”的過(guò)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(wàn)噸?？茖W(xué)家估計(jì)，太陽(yáng)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(zhǎng)很長(zhǎng)！ （2）上世紀(jì)四十年代，人們利用核聚變反應(yīng)制成了用于戰(zhàn)爭(zhēng)的氫彈，氫彈是利用熱核反應(yīng)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)岷朔磻?yīng)，它的威力是原子彈的十幾倍。 提問(wèn)：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(lái)引爆，以獲得熱核反應(yīng)所需要的高溫，而這些原子炸藥又要用普通炸藥來(lái)點(diǎn)燃。 2、可控?zé)岷朔磻?yīng) （1）聚變與裂變相比有很多優(yōu)點(diǎn) 提問(wèn)：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)岷朔磻?yīng)，以使核聚變?cè)旄Ｓ谌祟?。我?guó)在這方面的研究和實(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)？ 可控?zé)岷朔磻?yīng)發(fā)展進(jìn)程： 例1：一個(gè)氘核和一個(gè)氚核發(fā)生聚變，其核反應(yīng)方程是21H+31H→42He+10n，其中氘核的質(zhì)量：mD=2.014 102 u、氚核的質(zhì)量：mT=3.016 050 u、氦核的質(zhì)量：mα=4.002 603 u、中子的質(zhì)量：mn=1.008 665 u、1u=1.660 610-27kg，e = 1.602 210-19C，請(qǐng)同學(xué)們求出該核反應(yīng)所釋放出來(lái)的能量。 根據(jù)質(zhì)能方程，釋放出的能量為： 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。 常見的聚變反應(yīng)：21H+21H→31He+11H+4MeV、 21H+31H→42He+10n+17.6 MeV。在這兩個(gè)反應(yīng)中，前一反應(yīng)的材料是氘，后一反應(yīng)的材料是氘和氚，而氚又是前一反應(yīng)的產(chǎn)物，所以氘是實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)反應(yīng)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(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。 總結(jié)：聚變與裂變相比，優(yōu)點(diǎn)之三，是輕核聚變反應(yīng)更為安全、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，反應(yīng)就自動(dòng)終止了。另外，氘和氚聚就反應(yīng)中產(chǎn)生的氦是沒(méi)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)反應(yīng)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。 （2）我國(guó)在可控?zé)岷朔磻?yīng)方面的研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)展情況。 EAST全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置以探索無(wú)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(yáng)”，能夠像太陽(yáng)一樣給人類提供無(wú)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(guó)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(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置，模擬太陽(yáng)產(chǎn)生能量。