2020学年高中物理 第三章 原子核 第5、6节 核裂变 核聚变教案 教科版选修3-5

2020学年高中物理 第三章 原子核 第5、6节 核裂变 核聚变教案 教科版选修3-5

五、六 核裂变 核聚变 ‎ 教学目标 ‎1．知道核裂变、核聚变现象，理解核裂变、核聚变放出巨大能量的原理 ‎2．能根据ΔE=Δmc2核裂变、核聚变情况下放出的能量 ‎3．知道什么叫链式反应及链式反应的条件；了解核电站工作原理 ‎4．了解可控核聚变反应的优点、困难。‎ 重点难点 重点：（1）核裂变、核聚变现象；（2）能根据ΔE=Δmc2核裂变、核聚变情况下放出的能量 难点：核裂变、核聚变放出巨大能量的原理、核电站工作原理 设计思想 核裂变、核聚变对学生而既熟悉又陌生，平时都听说过原子弹、核电站，特别是当今的世界因“核”而引发的各国之间口水战，学生或多或少都了解一些，这部分内容学生一定很感兴趣，所以，讲授时我们可以以问题的形式让学生观看PPT，自已去看书、思考，整理相关的知识，掌握要掌握的内容。‎ 教学资源 多媒体课件 教学设计 ‎【课堂引入】‎ 问题：在上一节中，我们学习了原子核的比结合能曲线，知道中等核的比结合能最大，那么一个重核分裂成两个中等原子核或两个较轻原子核结合成质量数较大原子核时要释放能量还是要吸收能量呢？‎ ‎【课堂学习】‎ 一、核裂变 ‎●核裂变：重核分裂成几个中等质量原子核并释放出核能的反应，称为核裂变。‎ ‎★铀核的裂变：用中子（10n）‎ 轰击铀核，铀核发生裂变，分裂成两个中等质量的原子核，从而释放出巨大能量。核裂变的方程： ‎ 问题1：写重核裂变方程应注意什么？‎ ‎（1）满足“质量数、核电荷数”守恒；‎ ‎（2）只能用“ ”，不能用“=”；‎ ‎（3）两边的中子不能约去 学习活动一：在核裂变U＋n →Ba＋Kr＋310n反应中，质量亏损Δm=0.2153u，则 ‎（1）一个铀核裂变释放多少能量E？平均每个核子释放的能量E0是多少 解：E=Δm×931.5Mev=200.55Mev E0=E/235=0.853Mev ‎（2）‎1g这样的铀（原子核质量m=235.0439u）发生裂变放出多少能量E？这些能量相当于燃烧多少煤所释放的化学能（无烟煤的燃烧3.35×107J/kg）？‎ 解：E=1×6.02×1023×200.55×1.6×10-13/235=8.22×1012J m=8.22×1012/3.35×107=2.45×‎‎103kg 由此可见核能是十分巨大的 ‎●链式反应 学习活动二：观看PPT，掌握有关链式反应的知识 ‎★链式反应：核裂变释放出能量的同时，平均每次可以放出2—3个中子，这些中子又轰击其他核，使之发生裂变，这样不断继续，使裂变反应就会持续进行，就形成了裂变的链式反应（原子弹就是利用重核的裂变）‎ 问题2：链式反应的维持需要什么条件？（铀块体积足够大）‎ ‎★临界体积：通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积。‎ ‎●核电站[‎ 学习活动三：观看PPT及书上相关的内容，总结出相关的知识点 ‎★核电站的核心部位——核反应堆：在人为控制下安全进行链式反应 核燃料：用浓缩铀制成的铀棒 ‎★核反应堆 慢化剂（石墨、重水和普通水）：使快中子 慢中子（热中子）‎ 镉棒：吸收中子，控制反应速度 混凝土防护层 学习活动四：核能给我们带来好处，同时也给我们带来风险，你能举例说明吗？‎ 如：核废料的处理、校电站的安全 二、核聚变 ‎●核聚变：把轻原子核聚合成较重原子核的反应（氢弹主要利用的核聚变）‎ 如：11H+10n 21H+Q 21H+21H 42H+Q 问题3：核聚变有何条件？（课本P56）‎ ‎（原子核带正电，之间存在库仑斥力，故需要足够高的温度（足够的动能）使两原子核达到核力的作用范围，然后通过核力作用发生聚变，此后就不需要外界再提供能量，靠自身的能量就可以使反应继续）‎ 问题4：核聚变为何又称“热核反应”？‎ 问题5：核聚变与核裂变相比有那些优点？‎ ‎（1）相同质量的燃烧核聚变能释放更多的能量 ‎（2）核聚变没有象核裂变产生放射性废料 ‎（3）核聚变的燃烧氘在地球上非常丰富 问题6：核聚变与核裂变相比有很多优点，为什么现在仍利用核裂变发电？‎ ‎（核聚变在技术难以控制）‎ ‎●可控核聚变反应研究进展（课本P58）‎ ‎★聚变反应堆：可控热核反应（托卡马克受控热核反应）‎ ‎★聚变反应具有普遍性，它在宇宙中时刻进行着，太阳内部就是一个巨大的热核反应 ‎★核聚变是一种安全、不产生放射性物质、原料成本低的能源 学习活动五：已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u，32He核的质量为3.0150u.（1）写出两个氘核结合成32He的核反应方程。（2‎ ‎）计算上述核反应中释放的核能.(已知1u相当于931.5MeV能量)‎ 解：（1）21H＋21H 32He＋10n （2）E=3.26Mev ‎【板书设计】‎ 一、重核裂变 ‎●核裂变：重核分裂成几个中等质量原子核并释放出核能的反应（原子弹）‎ ‎★铀核的裂变：‎ ‎●链式反应及条件 ‎●核电站[‎ ‎★核电站的核心部位——核反应堆：在人为控制下安全进行链式反应 核燃料：用浓缩铀制成的铀棒 ‎★核反应堆 慢化剂（石墨、重水和普通水）：使快中子 慢中子（热中子）‎ 镉棒：吸收中子，控制反应速度 混凝土防护层 二、轻核聚变 ‎●核聚变：把轻原子核聚合成较重原子核的反应（氢弹）——热核反应 ‎11H+10n 21H+Q 21H+21H 42H+Q ‎●可控核聚变反应研究进展 ‎★聚变反应堆：可控热核反应（托卡马克受控热核反应）‎ ‎★太阳内部就是一个巨大的热核反应 ‎★核聚变是一种安全、不产生放射性物质、原料成本低的能源 ‎【课堂反馈】‎ ‎1.吸收一个慢中子后,分裂成和,同时还放出( )‎ A．1个α粒子 B．1个氘核 C．2个中子 D．3个中子 ‎2.设质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2和m3,那么,当一个质子和一个中子结合 成一个氘核时,释放的能量是( )‎ A．mc2. B．(m1+m2)c‎2 ‎‎ C．(m3-m2-m1)c2 D．(m1+m2-m3)c2‎ ‎3．一核反应方程为10n+11H→21H+2.22MeV,以下说法中不正确的是( )‎ A.10n和11H结合成21H要释放2.22MeV核能.‎ B.该逆过程的反应式是:21H+γ→10n+11H.‎ C.把21H分解成一个质子和一个中子至少要吸收2.22MeV的能量才行.‎ D.10n和11H结合成21H要吸收2.22MeV核能.‎ ‎4．下列核反应方程式中,表示轻核聚变过程的是( )‎ A.3015P→3014Si+01e B.21H+31H→42He+10n C‎.146C→147N+0-1e D.23892U→23490Th+42He ‎5．对于下述四个核反应方程说法中正确的有( )‎ ‎① ②能量 ‎③ ④‎ A．①是发现中子的核反应方程 B．②是链式反应方程 C．③是核裂变方程,其中x=10 D．④是α衰变方程,其中Y是质子 ‎6．科学研究发现太阳发光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的核聚变反应，即在太阳内部4个氢核（11H）转化成一个氦核（42He）和两个正电子（01e）并放出能量。已知质子质量mP = 1.0073u，α粒子的质量mα = 4.0015u，电子的质量me = 0.0005u． 1u的质量相当于931.MeV的能量．①写出该热核反应方程？‎ ‎②一次这样的热核反应过程中释放出多少MeV的能量?（结果保留四位有效数字）‎ 答案：1．D 2．D 3．D 4．B 5．AC ‎6．①411H 42He＋201e ②24.87Mev ‎【课后测评】‎ ‎1.有三个核反应方稗,分别是：411H→42He+201e, 22688Ra→22286Rn+42He,‎ ‎23592U+10n→9034Se+13658Sr+1010n，它们的核反应类型分别是( )‎ A．裂变、裂变、衰变 B．衰变、衰变、人工转变 C．人工转变、裂变、裂变 D．聚变、衰变、裂变 ‎2.下列原子核反应式中,x代表α粒子的反应式是( )‎ A． B．‎ C． D.‎ ‎3．太阳辐射能量住要来自太阳内部的( )‎ A．化学反应 B．放射性衰变 C．裂变反应 D．热核反应 ‎4．（2020广东卷）下列释放核能的反应方程，表述正确的有（ ）‎ A．是核聚变反应 B．是β衰变 C．是核裂变反应 D．是α衰变 ‎5．(2020全国新课标)（1）氘核和氚核可发生热核聚变而释放巨大的能量，该反应方程为：，式中x是某种粒子。已知：、、和粒子x的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u；1u=931.5MeV/c2，c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知，粒子x是__________，该反应释放出的能量为_________ MeV（结果保留3位有效数字）‎ ‎6．在所有能源中，核能具有能量密度大、区域适应性强的优势。在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量的核能。‎ ‎（1）核反应方程U＋n →Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，则α的值为多少，X表示哪一种核？‎ ‎（2）上述反应中，分别用mU、mBa、mKr表示U、Ba、Kr的质量，用mn和mp表示 中子和质子的质量，则该反应过程中释放的核能为多少？‎ ‎（3）有一座核能发电站，发电能力P＝1×106kW，核能转化为电能的效率η＝40%，设反应 堆中发生的裂变反应全是（1）中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能E1＝2.78×‎ ‎10-11J，铀核的质量mU＝3.9×10‎-25kg，求每年（365天）需要消耗的铀的质量。‎ 答案：1．D 2．C 3．D 4．AC 5．中子（10n） 17.6Mev ‎6．（1）3 中子（10n） （2）1.1×‎‎103kg