核裂变与核聚变+教学设计 高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

1/124．核裂变核聚变★课标解析课标内容要求。了解核裂变和核聚变反应。2．课标内容解析。核能对于新能源的开发和利用具有非常重要的价值，核裂变和核聚变过程都能释放核能。本节主要讨论核裂变现象及其相关的链式反应及核电站的工作原理，还讨论核聚变现象及其相关的可控核聚变反应。为更好地学习和掌握本节内容，可以组织学生以小组的形式阅读、讨论、交流，这样的活动还可以锻炼学生独立思考和分析问题的能力。第1课时★教学目标1．知道核裂变现象，理解核裂变时放出巨大能量的原理，形成核能能量观。2．知道链式反应，知道链式反应的条件——临界体积，培养基于事实分析综合的科学思维能力。3．了解核电站的工作原理，了解科学—技术—社会—环境的关系，养成保护环境的意识，建立可持续发展的社会责任感。★教学准备1．多媒体使用建议。PPT课件、电脑投影、视频。2．教学顺序。（1）由历史事件引出课题。（2）了解核裂变。（3）师生共同探讨链式反应的条件。（4）了解核反应堆的组成。（5）了解核电站，同时探讨核能利用中的技术与社会问题。（6）总结，整理。★教学过程播放视频，引出课题。教师播放原子弹爆炸视频（强调原子弹的破坏力及可能对人类产生的影响）。讲述当今核电产业的现状。目前世界上许多国家都建立了核电站，我国目前有秦山核电站和大亚湾核电站等。核电站发电不像化石燃料发电那样会排放巨量的污染物到空气中，即对绿色发展起到了非常重要的作用。上面两个截然相反的例子都与我们今天要学习的内容有关。了解核裂变。1938年，德国放射化学家哈恩和他的助手发现用中子轰击铀核产生了两块中等质量的碎块，如图所示。弗里施等人后来对哈恩的发现做出解释，并借用生物学中细胞分裂的名词，称此过程为核裂变。核裂变是重核分裂成几个中等质量原子核的核反应现象。铀核裂变的发现标志着人类向核能的利用迈出了第一步。该核反应方程式为后来，人们发现铀核裂变的产物是多种多样的，有时还会发生三分裂和四分裂。1947年，我国物理学家钱三强、何泽慧夫妇首次发现了铀核的三分裂和四分裂。但是，铀核的三分裂和四分裂概率是相当小的，大约是分裂为两部分的概率的千分之三。链式反应及其条件。由于铀核裂变又会产生中子，如果产生的中子又与铀核发生碰撞，则该反应将自动延续下去，释放越来越多的核能（如图所示），这就是重核裂变的链式反应。链式反应能不能无条件持续下去呢？如图所示，如果铀块体积太小，裂变过程中产生的大部分中子就会直接从铀块表面穿出而不能与铀核发生碰撞，因此链式反应就不能持续下去了。所以为了保证裂变产生的中子不轻易逃逸出去，铀块需要有足够大的体积。如图所示，如此中子有足够的机会与铀核发生碰撞，从而保证链式反应持续下去。我们把能够发生链式反应的裂变物质的最小体积叫临界体积，对应的质量叫临界质量，如铀235的临界体积如柚子般大小，其临界质量为15kg左右。原子弹之所以有如此大的破坏力，就是因为在满足了一定条件发生了链式反应，瞬间释放出了巨大的能量。认识核反应堆。与原子弹的不可控核反应相反，如果我们能够控制链式反应的速度，使核能平稳地释放出来而不至于产生核爆炸，那么，这种巨大的核能就能被人类所利用。1942年，费米主持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。核反应堆是一种人为可控的核裂变链式反应装置，它按引起裂变的中子能量可分为慢中子反应堆和快中子反应堆，其中慢中子反应堆属于第一代实用核反应堆。如图所示，我们看到反应堆有铀棒、石墨和水泥保护层，它们各自有什么作用呢？铀棒是核反应原料，这里的铀棒是经过浓缩的铀235，其含量是3%~4%。石墨是用作减速剂的，因为铀235能俘获慢中子而不易俘获快中子，而核裂变产生的中子速度很快，故利用石墨与快中子碰撞，使之能量损失，变成慢中子，从而保证链式反应进行下去。石墨只是减速剂中的一种，常用作减速剂的还有普通水（也叫轻水）和重水，相应的慢中子反应堆称为轻水堆、重水堆和石墨堆。此外，还需要在铀棒之间插入一些用镉或硼制成的控制棒，因为这些材料能强烈吸收中子，以控制中子的数目来控制反应的速度，具体操作时可以根据反应剧烈程度来调整控制棒插入的深浅。水泥防护层，顾名思义，是用来屏蔽射线，防止放射性污染，保护环境的。除以上几种外，还需冷却剂，把反应堆内释放的热量传输出去，同时使反应堆冷却，保证安全。了解核电站工作流程。核反应堆实现了可控链式反应，它释放的核能被利用起来，就是一场新能源革命。我国已有利用核能发电的核电站，如秦山核电站和大亚湾核电站。现在，我们一起来简单了解一下核电站的工作流程（可以由学生分组讨论后进行汇报交流）。接下来，我们一起思考，为什么说核能的利用是一场能源革命，仅仅因为它是一种新型能源吗？同学们能说说核能发电的优劣吗？组织小组交流、讨论，然后师生共同归纳总结。以下几点可作参考：优点：①消耗的原料少；②核燃料铀、钍等在地球上储量大；③核能发电不会造成空气污染；④核能发电占地规模小。缺点：①资源利用率低；②反应后产生的核废料处理问题尚待解决；③核电站建设费用比常规能源发电站高；④核泄漏等安全隐患；⑤政治困扰。整理总结，深化本课主题。这节课，我们知道了什么是核裂变，还了解了链式反应及其条件，知道原子弹威力之大的原因是在满足一定条件下发生了链式反应，也知道了可以通过核反应堆控制核反应速度，从而控制核能释放的速度。另外，我们还知道了可以通过核能进行发电，并且认识了核能发电的优劣。第2课时★教学目标1．知道核聚变反应及其特点和条件，理解核聚变反应能释放巨大能量的原理，形成核能能量观。2．了解可控核聚变反应的优点与困难。3．了解可控核聚变反应研究的进展情况，培养良好的科学态度和社会责任感。★教学准备1．多媒体使用建议。PPT课件、电脑投影、视频。2．教学顺序。（1）图片引入，激发学习兴趣。（2）了解核聚变及其发生的条件。（3）组织讨论，加深对核能的认识。（4）整理，总结。★教学过程1．图片引入，激发学习兴趣。众所周知，太阳是地球的能量源泉！太阳产生能量的方式与氢弹爆炸的方式是一样的。1967年6月17日，我国成功爆炸了第一颗氢弹，这是继1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功之后，在核武器发展方面的又一次飞跃，标志着中国核武器的发展进入新阶段。那么太阳和氢弹到底是怎么产生能量的呢？下面一起进入今天的学习。2．了解核聚变。（1）核聚变。太阳看起来是一颗巨大的火球，它已经“燃烧”了数十亿年了。我们知道，物质的燃烧是需要氧气的，但是太阳处于宇宙真空中，在缺氧的环境中，它是如何“燃烧”的呢？其实，太阳不是像煤炭一样通过燃烧产生热量的。科学家证实，太阳内部每时每刻都在进行着剧烈的核聚变反应，即它是通过核聚变产生能量的。那么什么是核聚变呢？（播放相关视频）较轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应，简称核聚变。如图所示，把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞，两个原子核聚变成一个新的原子核（氦），同时释放出一个中子，该核聚变的核反应方程为在这个过程中要释放17.60MeV的能量，平均每个核子放出的能量为3MeV以上，所以聚变反应中平均每个核子放出的能量是裂变反应中平均每个核子放出能量的3倍多。不仅如此，聚变反应比裂变反应还有其他优越性。请同学们阅读教科书，并进行概括：①消耗相同质量的核燃料，聚变比裂变能释放更多的能量；②相比于核裂变，核聚变反应没有放射性废料产生；③裂变所需的燃料（如铀）很难获得，价格贵，而聚变反应所用的燃料氘可以直接从海水中提取。（2）核聚变发生的条件。我们知道，核聚变是两个原子核碰撞聚合成一个质量较大的核的过程。要使它们发生聚变，必须使它们达到10-15m以内的距离。原子核带正电，根据库仑定律，两个原子核之间的距离越近，库仑斥力越大，所以要使它们接近原子核尺寸的程度，必须使它们具有足够的动能去克服它们之间巨大的库仑斥力，然后通过核力的作用结合起来发生聚变。那么，有什么办法能使大量原子核获得足够的动能并“撞”在一起发生聚变反应呢？一种办法，是用加速器加速原子核，但这种方法很不经济，因为原子核的体积占原子的体积比例极小，直接加速定向轰击的话，发生反应的比例太小，可能不到万分之一，结果导致大部分能量都变成热能了，即聚变生成的能量远不足以抵消这些消耗；另一种方法，就是把它们加热到很高的温度，当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能去克服库仑斥力，发生碰撞，产生聚变反应。因此，聚变又叫热核反应。聚变反应一旦发生，就不再需要外界继续提供能量，靠自身产生的能量就可以使反应继续进行下去。（3）受控热核反应。利用核聚变反应，人类发明了氢弹。氢弹为一次性聚变，是利用原子弹爆炸的能量进行点火、引发聚变，聚变产生的能量在瞬间一次性爆发。所以，人类想要利用核聚变的能量，就必须使核聚变的反应过程实现可控，如可以随时控制聚变的开始和停止以及聚变反应的速度。一旦聚变反应实现了可控，它就可以用于发电，可以很好地解决当今世界的能源危机，减少能源战争。但是，要实现受控热核反应，科学技术要求很高，因为当热核反应发生后，高温等离子体会四处逃逸，我们需要人为地充分约束这些高温等离子体，让其能充分地进行聚变反应，如此才能不断地释放更多的能量。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，分别是磁约束和惯性约束。所谓磁约束，就是利用带电粒子在均匀磁场中受洛伦兹力作用而不飞散，因而有可能利用磁场来约束参加反应的物质。苏联科学家于20世纪60年代建立了一种环形磁约束受控热核反应装置，也叫托卡马克。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈，在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，将其中的\t"/item/%E6%89%98%E5%8D%A1%E9%A9%AC%E5%85%8B/_blank"等离子体加热到很高的温度，实现等离子体热核燃料的“点火”，但常规托卡马克装置体积庞大、效率低，突破难度大。2012年7月10日，我国“东方超环”超导托卡马克装置（EAST）科研项目获得了多项重大成果，创造了两项世界纪录。组织学生观看关于EAST的相关视频，通过视频让学生了解中国科学家为制造“人造太阳”所付出的努力。除了磁约束，核聚变还可以通过激光惯性约束实现。2000年，我国在这方面取得了重要进展，建立了“神光”系列和“天光”系列装置，而这一切成就离不开激光惯性约束创始人——物理学家王淦昌。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（组织学生观看惯性约束核聚变过程演示视频）。3．组织讨论，加深对核能的认识。组织学生小组讨论（或小组辩论）：核电站的建立，可以帮助我们解决能源问题，但同时它也