高三物理教案：《核聚變》教學(xué)設(shè)計

　　三維教學(xué)目標(biāo)

　　1、知識與技能

　　(1)了解聚變反應(yīng)的特點及其條件;

　　(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、過程與方法：通過讓學(xué)生自己閱讀課本，培養(yǎng)他們歸納與概括知識的能力和提出問題的能力

　　3、情感、態(tài)度與價值觀

　　(1)通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識導(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);

　　(2)認(rèn)識核能的和平利用能為人類造福，但若用于戰(zhàn)爭目的將給人類帶來災(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:聚變核反應(yīng)的特點。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。

　　(一)引入新課

　　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。

　　(二)進(jìn)行新課

　　1、聚變及其條件

　　提問：什么叫輕核的聚變?(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)

　　提問：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)

　　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?

　　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。

　　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。

　　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3.8×1026 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。科學(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!

　　(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?

　　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。

　　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?

　　可控?zé)岷朔磻?yīng)發(fā)展進(jìn)程：

　　例1：一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 6×10-27kg，e = 1.602 2×10-19C，請同學(xué)們求出該核反應(yīng)所釋放出來的能量。

　　根據(jù)質(zhì)能方程，釋放出的能量為：

　　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。

　　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。

　　總結(jié)：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。