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2019-2020年新課標(biāo)粵教版3-5選修三4.5《裂變和聚變》WORD教案1 ★新課標(biāo)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?zhǔn)椒磻?yīng)。 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(yīng)堆。了解常用裂變反應(yīng)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(yīng)的特點及其條件. 6．了解可控?zé)岷朔磻?yīng)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(zhì)量與原子序數(shù)關(guān)系的理解，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力及應(yīng)用 教學(xué)圖像處理物理問題的能力。 2．通過讓學(xué)生自己閱讀課本，查閱資料，培養(yǎng)學(xué)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(xué)生熱愛科學(xué)、探求真理的激情，樹立實事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生基本的科學(xué)素養(yǎng)，通過核能的利用，思考科學(xué)與社會的關(guān)系。 2．通過教學(xué)，讓學(xué)生認(rèn)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(zhì)的，物質(zhì)是運動變化的，而變化過程必然遵循能量守恒的觀點。 ★教學(xué)重點 1．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及其釋放核能的計算。 2．重核裂變的核反應(yīng)方程式的書寫。 3. 聚變核反應(yīng)的特點。 ★教學(xué)難點 1、通過核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)的關(guān)系，推理得出由質(zhì)量數(shù)較大的原子核分裂成質(zhì)量數(shù)較小的原子核釋放能量這一結(jié)論。 2、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：可供實物投影、放像、課件播放等。 ★課時安排 1 課時 ★教學(xué)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(jié)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(xué)習(xí)裂變，通過學(xué)習(xí)，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(xué)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(rèn)識。 點評：激發(fā)起學(xué)生主動探求知識的欲望，從而為下一步進(jìn)行教學(xué)活動奠定一個良好的基礎(chǔ)。 （二）進(jìn)行新課 1．核裂變（fission） 提問：核裂變的特點是什么？ 讓學(xué)生閱讀課本核裂變部分內(nèi)容，分小組討論。每一小組由一位同學(xué)陳述小組討論的結(jié)果。 學(xué)生回答：重核分裂成質(zhì)量較小的核的反應(yīng)，稱為裂變。 教師總結(jié)：重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放出核能的反應(yīng)，稱為裂變。 提問：是不是所有的核裂變都能放出核能？ 讓學(xué)生閱讀有關(guān)核子平均質(zhì)量有補(bǔ)充材料。分小組討論。每一小組由一位同學(xué)陳述小組討論的結(jié)果。 學(xué)生回答：只有核子平均質(zhì)量減小的核反應(yīng)才能放出核能。 點評：有利于培養(yǎng)學(xué)生合作式學(xué)習(xí)的能力。 知識總結(jié)：不是所有的核反應(yīng)都能放出核能，有的核反應(yīng)，反應(yīng)后生成物的質(zhì)量比反應(yīng)前的質(zhì)量大，這樣的核反應(yīng)不放出能量，反而在反應(yīng)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(xué)生思維，增加學(xué)習(xí)的趣味性。 2、鈾核的裂變 （1）鈾核的裂變的一種典型反應(yīng)。 提問：鈾核的裂變的產(chǎn)物是多樣的，最典型的一種核反應(yīng)方程式是什么樣的？ 讓學(xué)生閱讀課本核裂變部分內(nèi)容 分小組討論 每一小組由一位同學(xué)陳述小組討論的結(jié)果。 學(xué)生回答： （2）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)： 提問：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)〔chain reaction〕是怎樣進(jìn)行的？ 學(xué)生回答：這種由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 點評：學(xué)生用自己的語言敘述，基本正確即可。 （3）臨界體積（臨界質(zhì)量）： 提問：什么是臨界體積（臨界質(zhì)量）？ 學(xué)生回答：通常把裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫做它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫做臨界質(zhì)量。 （4）裂變反應(yīng)中的能量的計算。 裂變前的質(zhì)量： kg， kg 裂變后的質(zhì)量： kg，kg，kg， 學(xué)生計算：質(zhì)量虧損： kg， J=201MeV 知識總結(jié)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫做核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫做它的臨界體積。鈾核裂變的產(chǎn)物不同，釋放的能量也不同。 3、核電站 提問：核核反應(yīng)堆各組成部分在核反應(yīng)中起什么作用？ 讓學(xué)生閱讀課本核電站部分內(nèi)容，分小組討論。每一小組由一位同學(xué)陳述小組討論的結(jié)果。 學(xué)生回答：鈾棒由濃縮鈾制成，作為核燃料。 學(xué)生回答：控制棒由鎘做成，用來控制反應(yīng)速度。 學(xué)生回答：減速劑由石墨、重水或普通水（有時叫輕水）做成，用來跟快中子碰撞，使快中子能量減少，變成慢中子，以便讓U235俘獲。 學(xué)生回答：冷卻劑由水或液態(tài)的金屬鈉等流體做成，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出，確保反應(yīng)堆的安全。 學(xué)生回答：水泥防護(hù)層用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線，防止核輻射。 教師（提問）：核能發(fā)電的優(yōu)點、缺點？ 學(xué)生回答： 優(yōu)點：①污染小；②可采儲量大；③比較經(jīng)濟(jì)。 缺點：①一旦核泄漏會造成嚴(yán)重的核污染；②核廢料處理困難。 點評：學(xué)生用自己的語言敘述，基本正確即可。 教師（補(bǔ)充）：了解常用裂變反應(yīng)堆的類型： 秦山二期、大亞灣二期是壓水堆，秦山三期是沸水堆。 4、例題 例題1、下列核反應(yīng)中，表示核裂變的是（ ） A、 B、 C、 D、 分析：核反應(yīng)中有四種不同類型的核反應(yīng)，它們分別是衰變、人工轉(zhuǎn)變、重核裂變、輕核聚變。其中衰變中有衰變、衰變等。 是衰變， 是衰變， 是人工轉(zhuǎn)變，只的C選項是重核裂變。 學(xué)生回答： 解：表示核裂變的是C 點評：培養(yǎng)學(xué)生的擴(kuò)散散性思維。 例題2、秦山核電站第一期工程裝機(jī)容量為30萬kW，如果1g鈾235完全裂變時產(chǎn)生的能量為8.21010 J，并且假定產(chǎn)生的能量都變成了電能，那么，每年要消耗多少鈾235?（一年按365天計算） 學(xué)生回答： 解：核電站每天的發(fā)電量為W=Pt=3108243600 J=2.5921013 J. 每年的發(fā)電量W總=365W=9.461015 J而1 g鈾完全裂變時產(chǎn)生的能量為 8.21010 J. 所以，每年消耗的鈾的量為 點評：培養(yǎng)學(xué)生推理及公式演算的能力。注意速度單位的換算，運算過程中帶單位運算。適當(dāng)進(jìn)行愛國主義教育。 聚變 （一）引入新課 教師：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(lián)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(xiàn)的。這節(jié)課我們就來研究聚變的問題. 學(xué)生：學(xué)生認(rèn)真仔細(xì)地聽課 點評：通過介紹我國第一氫彈爆炸，激發(fā)同學(xué)們的愛國熱情。 （二）進(jìn)行新課 1．聚變及其條件 提問：請同學(xué)們閱讀課本第一段，回答什么叫輕核的聚變？ 學(xué)生仔細(xì)閱讀課文 學(xué)生回答：兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的反應(yīng)叫做聚變。 投影材料一：核聚變發(fā)展的歷史進(jìn)程［1］ 提問：請同學(xué)們再看看比結(jié)合能曲線（圖19.5-3），想一想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？ 讓學(xué)生了解聚變的發(fā)展歷史進(jìn)程。 學(xué)生思考并分組討論、歸納總結(jié)。 學(xué)生回答：因為較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，所以平均每個核子釋放的能量就更大 點評：學(xué)生閱讀課本，回答問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。 教師歸納補(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：請同學(xué)們試從微觀和宏觀兩個角度說明核聚變發(fā)生的條件？ 學(xué)生閱讀教材，分析思考、歸納總結(jié)并分組討論。 得出結(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(qiáng)調(diào)：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，在短時間釋放巨大的能量，這就是聚變引起的核爆炸。 教師補(bǔ)充說明： （1）熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著，太陽和很多恒星的內(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(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)是400萬噸?？茖W(xué)家估計，太陽的這種“核燃燒”還能維持90億~100億年。當(dāng)然，與人類歷史相比，這個時間很長很長！ 教師：希望同學(xué)們課后查閱資料，了解更多的太陽能有關(guān)方面的知識及其應(yīng)用。 （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：氫彈爆炸原理是什么？ 學(xué)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(yīng)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(gòu)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(xué)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(xué)生自學(xué)看書，自己歸納總結(jié)， 有助于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，逐步提高學(xué)生的歸納總結(jié)能力。 2．可控?zé)岷朔磻?yīng) （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(xué)家們正在努力研究和嘗試可控?zé)岷朔磻?yīng)，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(lǐng)先水平。請同學(xué)們自學(xué)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?zé)岷朔磻?yīng)發(fā)展進(jìn)程 例：一個氘核和一個氚核發(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，請同學(xué)們求出該核反應(yīng)所釋放出來的能量。 學(xué)生計算： 根據(jù)質(zhì)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(jié)：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(yīng)：21H+21H→31He+11H+4MeV、 21H+31H→42He+10n+17.6 MeV。在這兩個反應(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，所以氘是實現(xiàn)這兩個反應(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)點之二，即地球上聚變?nèi)剂系膬α控S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。 聚變與裂變相比，優(yōu)點之三，是輕核聚變反應(yīng)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(yīng)就自動終止了。另外，氘和氚聚就反應(yīng)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(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）我國在可控?zé)岷朔磻?yīng)方面的研究和實驗發(fā)展情況。 EAST全超導(dǎo)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(biāo)，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(shè)計制造的EAST全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克實驗裝置大部件已安裝完畢，進(jìn)入抽真空降溫試驗階段。我國的科學(xué)家就率先建成了世界上第一個全超導(dǎo)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?zé)岷朔磻?yīng)方面的成就，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和獻(xiàn)身科學(xué)的能力。 （三）課堂小結(jié) 本節(jié)主要研究了聚變核反應(yīng)的特點和條件，聚變反應(yīng)要比裂變反應(yīng)釋放更多的能量，但它發(fā)生的條件是要達(dá)到幾百萬度的高溫，因而聚變反應(yīng)也叫熱核反應(yīng).可控?zé)岷朔磻?yīng)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(xí) ★教學(xué)體會 本節(jié)課雖然教學(xué)要求不高，但卻是開展中學(xué)科技教育活動的生動內(nèi)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(xué)結(jié)論幾乎是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前，讀者學(xué)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(dá)到清楚地解釋全部過程?！? 在課堂教學(xué)過程中，結(jié)合內(nèi)容的講授，以史為鑒，雖著墨不多，卻寓意深遠(yuǎn)，本材料正是以此為設(shè)計思想的：沿著科學(xué)家的足跡，剖析科學(xué)家的思維，領(lǐng)略科學(xué)家的創(chuàng)造；激發(fā)同學(xué)們的興趣，培養(yǎng)同學(xué)們的能力，陶冶同學(xué)們的情操。 本節(jié)內(nèi)容比較抽象，應(yīng)讓學(xué)生多思考、多總結(jié)、多歸納，體驗知識的獲得過程，加強(qiáng)對知識的理解。讓學(xué)生樹立實事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、踏實的科學(xué)素養(yǎng)，通過核能的利用，思考科學(xué)與社會的關(guān)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(jié)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(yīng)的話，那么這種核反應(yīng)只能是氫氣的聚變。 1938年 貝 特 證明：太陽的能量確實是靠氫氣的聚變來維持的。 [2]投影材料二 事件 人物 事件 1933年 科學(xué)家們 在實驗室中首次觀測到核聚變就是氘的聚變 1934年 盧瑟福 用氘核去轟擊氘靶產(chǎn)生了氚，發(fā)現(xiàn)氚聚變溫度比氘更低。 1942年 特勒 在探索制造原子彈的各種途徑的討論中提出了一個可怕的問題。 1944年 費米 用氫的同位素氖和氛做燃料，只需五千萬度就可以發(fā)生核聚變。 1945年 美國 原子彈研制成功后，人們立即覺察到，可以利用裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的超高溫來實現(xiàn)核聚變反應(yīng)，這就是氫彈的原理。