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2019-2020年高中物理 《裂變及其應(yīng)用》教案 滬科版選修3-5 【教學(xué)目的】 1. 介紹重核裂變、輕核聚變和它們的應(yīng)用 2. 了解發(fā)生聚變反應(yīng)的條件及聚變反應(yīng)的特點(diǎn)。 3. 了解可控?zé)岷朔磻?yīng)研究的進(jìn)展情況。 4. 通過學(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，更加熱愛科學(xué)、勇于獻(xiàn)身科學(xué)。 【教學(xué)重點(diǎn)】 發(fā)生聚變的條件及聚變反應(yīng)的特點(diǎn)。 【教具準(zhǔn)備】 教師：有關(guān)氫彈構(gòu)造及其情況的影象資料、查找有關(guān)可控?zé)岷朔磻?yīng)的最新動(dòng)態(tài)。 學(xué)生：上網(wǎng)或去圖書館查找有關(guān)熱核反應(yīng)的資料。 教具：實(shí)物投影儀，多媒體課件。 【教學(xué)過程】 ○、復(fù)習(xí)&引入 能源是推動(dòng)科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的動(dòng)力保障，需求正在急劇增加。煤、石油等化石能源的不可再生，使資源日益枯竭，而且給地球帶來了巨大的污染，這些因素促使人們更加重視尋找潔凈的、可持續(xù)發(fā)展的新能源。近年來，核能作為一種新能源倍受人們關(guān)注，重核裂變和輕核聚變是獲得核能的兩個(gè)重要途徑。這節(jié)課我們學(xué)習(xí)輕核的聚變。 二、新課教學(xué) 一、重核裂變 1． 什么叫裂變？ 2． 重核在什么情況下才能發(fā)生裂變呢？ 1938年人們用中子轟擊鈾核量發(fā)現(xiàn)鈾核裂變的現(xiàn)象以后，這問題才逐漸被了解清楚，從而使控制和利用原子能成為可能。 3． 見圖15-7鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的示意圖 4． 臨界體積（臨界質(zhì)量） 5． 原子彈 6． 原子反應(yīng)堆（圖15-11） 二、輕核的聚變 學(xué)生閱讀課本第一、二段，分組討論，歸納總結(jié)，回答問題。 問題： 1.是否任意核聚變在一起都釋放出能量？為什么？ 2.什么叫輕核的聚變？ 3.發(fā)生輕核聚變的條件是什么？ 結(jié)合裂變知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生回答問題1：不是任意核聚變在一起都能釋放能量。由愛因斯坦質(zhì)能方程可知，只有在反應(yīng)中出現(xiàn)質(zhì)量虧損，即生成物的總質(zhì)量小于反應(yīng)物的總質(zhì)量時(shí)，才能放出能量。 【板書】1.什么叫輕核的聚變？ 把輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)叫做輕核的聚變，簡稱聚變。 教師補(bǔ)充，常見的聚變反應(yīng)有 H+H→H+H+ 4 MeV H+H→He+n+ 17.6 MeV 【板書】2.發(fā)生聚變的條件 要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們核子間的距離接近到10-15m，由于原子核都是帶正電的，要使他們接近到這種程度，必須克服巨大的庫侖斥力，這就要求原子核有很大的動(dòng)能。 怎樣才能使輕核獲得足夠大的動(dòng)能來產(chǎn)生聚變呢？ 方法之一就是將物質(zhì)加熱。溫度越高，分子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能越大。當(dāng)物質(zhì)達(dá)到幾百萬攝氏度以上的高溫時(shí)，劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核具有足夠的動(dòng)能，可以克服原子核間的庫侖斥力，在碰撞時(shí)發(fā)生聚變。因此，聚變反應(yīng)有叫熱核反應(yīng)。熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。 根據(jù)你收集的資料，還能通過什么方法實(shí)現(xiàn)核聚變？ 日英開發(fā)出激光核聚變新方法，有關(guān)論文發(fā)表在近日出版的英國《自然》雜志上。 有人提出利用電解重水的方法實(shí)現(xiàn)低溫核聚變，但是未經(jīng)證實(shí)。 學(xué)生閱讀課本，總結(jié)聚變反應(yīng)的特點(diǎn)。 【板書】3.聚變反應(yīng)的特點(diǎn) ⑴ 和裂變相比，聚變反應(yīng)釋放的能量更多 例如，一個(gè)氘核和一個(gè)氘核發(fā)生聚變，其核反應(yīng)方程是 H+H→He+n 教師給出數(shù)據(jù)，讓學(xué)生計(jì)算該反應(yīng)釋放的能量。 氘核的質(zhì)量：mD=2.014 102u 氚核的質(zhì)量：mT=3.016 050u 氦核的質(zhì)量：mα=4.002 603u 中子的質(zhì)量：mn=1.008 665u 1u=1.660 610-27kg，e=1.602 210-19C 根據(jù)質(zhì)能方程，釋放出的能量 △E=△mc2 =（mD + mT - mα- mn）c2 =eV =17.6 MeV 平均每個(gè)核子放出的能量約為3.3 MeV，而鈾核裂變時(shí)平均每個(gè)核子釋放的能量約為1 MeV。 【板書】⑵.聚變材料豐富 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。 常見的聚變反應(yīng) H+H→H+H+ 4 MeV H+H→He+n+ 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，而氘是重水的組成成分，在覆蓋地球表面三分之二的海水中是取之不盡的。 【板書】⑶ 安全、無污染 聚變產(chǎn)物基本上是穩(wěn)定的氦核，沒有放射性，不污染周圍環(huán)境。而常規(guī)裂變反應(yīng)堆會(huì)產(chǎn)生壽命長放射性較強(qiáng)的核廢料，容易引起環(huán)境污染。 師述：可見，輕核的聚變是一種理想的解決能源的途徑。通過閱讀課本和大家查找的資料了解目前對(duì)聚變能的應(yīng)用情況。 【板書】二、可控?zé)岷朔磻?yīng) 1. 聚變能的應(yīng)用 ⑴ 太陽能。熱核反應(yīng)在宇宙中是很普通的。太陽和許多恒星內(nèi)部，溫度高達(dá)107K以上，就滿足熱核反應(yīng)的條件。太陽內(nèi)部的氫核在極高溫下聚變成氦核，每秒釋放的能量達(dá)3.81026J。地球只接收了其中的二十億分之一左右。對(duì)太陽能的應(yīng)用主要是：地球上萬物生長離不開太陽的光和熱；太陽能熱水器、太陽能電池等等。 師述：查閱資料，更多、更詳細(xì)地了解太陽能的應(yīng)用。 【板書】⑵ 氫彈。氫彈是利用熱核反應(yīng)制造的一種大規(guī)模殺傷武器，在其中進(jìn)行的是不可控?zé)岷朔磻?yīng)。 師述：氫彈比原子彈復(fù)雜一些，它需要用原子炸藥來引爆。以獲得熱核反應(yīng)所需的高溫，而這些原子炸藥又要用普通炸藥點(diǎn)燃。 【錄像】氫彈的構(gòu)造簡介及其爆炸情況。 但要使聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量用于和平目的，則需實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷朔磻?yīng)。 【板書】2.可控?zé)岷朔磻?yīng) 世界上許多國家都在積極研究可控?zé)岷朔磻?yīng)的理論和技術(shù)。我國在這方面已經(jīng)具有一定的實(shí)力，取得一定的成果。最近，位于合肥西郊的中國科學(xué)院等離體物理研究日前傳出喜訊：基于超導(dǎo)托卡馬克裝置HT—7的可控?zé)岷司圩冄芯吭佾@突破，運(yùn)行參數(shù)居世界前兩位。據(jù)介紹，本輪實(shí)驗(yàn)有來自美、日等14個(gè)研究機(jī)構(gòu)的18位外籍專家參與，HT—7裝置成為名副其實(shí)的國際可控?zé)岷司圩冄芯看笪枧_(tái)。 據(jù)專家估計(jì)，可控?zé)岷司圩兛赡茉诒臼兰o(jì)40年代投入商業(yè)運(yùn)營，人類從此將擁有用之不竭的潔凈能源。在這個(gè)中外科學(xué)家百年共同努力的造福人類的“千年工程”上，人們將會(huì)看到中國人月HT—7搭建的里程碑。相關(guān)內(nèi)容可上網(wǎng)上查詢。 三、小結(jié) 四、作業(yè) 1.查閱資料，進(jìn)一步了解人類對(duì)聚變能利用的研究及取得的成果。 2.練習(xí)四第⑶題。