19.7 核聚变 教案

19.7核聚变教案
【教学目标】
总体定位：引领学生站在工程师的角度，以核能的开发为主线，以问题解决为驱动，在解决聚变反应过程中遇到的各种困难的过程中，落实知识和技能，贯彻情感的教育。
? ? 具体目标：
1、知道核聚变的概念，知道太阳能是聚变的能。
2、知道核聚变的条件与优点。
3、知道轻核的聚变能够释放出很多的能量。
3、知道可控核聚变的重大意义。
4、民族自豪感，认识到科学技术的重要性，增强热爱科学、勇于献身科学。
【学情分析】
学生已经学习了核力与比结合能的知识，并且通过核裂变的知识对核反应已经具备了一定的基础，本节课旨在进一步强化应用理论知识解决实际问题的能力。
【教学重点、难点】
核聚变的条件，核聚变的控制。
一、引入
上课之前，我们先来看一张图片，1964年我国爆炸了第一颗原子弹，原子弹是通过裂变反应释放的是核能，其实还有一种释放核能的炸弹，它就是氢弹。紧接着，1967年我国又爆炸了第一颗氢弹，这是爆炸录像，两弹的成功爆炸极大地增强了我国的国防力量。从原子弹到氢弹是一种质的飞跃，美国用了约7年，前苏联用了约四年，而我国仅用了两年零八个月。
原子弹与氢弹释放出的是巨大的核能，为了更好理解这种能量，让我们先来回顾这幅图像，如果我们将图像横坐标按质量数大小大致划分为三个区域的话，我们可以分别称这些原子核为轻核、中等核和重核。
[提问]：从比结合能的变化看，请问原子核的质量数如何变化才会释放核能呢?
[引导]：比结合能越大原子核的能量越小，从比结合能小的原子核变成比结合能大的原子核时会释放出核能。
[总结] ：途径有这样两条（投影指示符），重核变成中等核的称为裂变，原子弹就是裂变的原理，轻核变成中等核的称为聚变，氢弹聚变正是聚变的原理。我们已经知道弹子弹的原理就是裂变，其实氢弹的原理就是聚变，这节课我们一起来学习核聚变。
二、新课
1、定义的得出
[提问]：如果要给核聚变下个定义，该怎么说好呢?
[投影]：ppt投影核聚变定义。
像这样的一种轻核变成中等核的反应叫核聚变，比如两个轻核氘与氚反应变成氦。这样写有什么问题吗?
原来核反应也要像化学反应一样遵守电荷数、质量数守恒定律，所以同学们断定这里还应该要放出一个:中子。
[验证中子]：其实科学与同学们所见略同，据报道，英国一个13岁学生成功搞出一个核聚变反应堆，科学家就是根据是否产生了中子来判断氢是否成功发生了聚变。当然，我们知道，反应还要放出一定的能量(投影能量)，并且这个能量是非常巨大的，播放视频(板书:能量大)。
[过渡]：能量真是太强大了，如果要让我们去制造这种炸弹，怎样才能使这个聚变反应发生?
2、条件的得出
[提问]：反应需要什么样的条件呢?
或许我们可以从核裂变那里得到些启发，这是一个重核，当中子飘过来撞上去时，重核发生裂变。再来看聚变反应，这是两个都是原子核，当其中一个过来时跟刚才裂变时中子撞向重核时有什么区别呢？可以适当的时候提示学生从受力的角度比较。
[学生讨论]：因为当核子靠得很近的时候巨大的库仑斥力，所以聚变会更难。
[总结]：因为中子不受库仑斥力，所以可以让它慢慢飘过去实现反应，相比于裂变反应，原子核要相互靠近发生聚变反应困难多了。
[播放视频]：形象感受斥力(板书:反应难)。
[过渡]：大家都知道现在的核电站都是什么电站吗?这或许就跟聚变反应更难实现有一定的关系。
这节课就让我们迎难而上，像科学家一样一起来开发这种能量吧。
我们知道，核力是短程力，只有核子间距离小于10-15m时，核力才能起到平衡库仑斥力作用并且使核子紧密结合发生聚变反应。
思考与讨论1：怎样才能使核子靠得这么近呢？(板书: 迎难而上)
[学生活动]：要有足够大的初动能(投影)，引导出方案1:用加速器加速原子核(投影)。
[教师投影]：这是世界上最大的位于瑞士附近的强子对撞机，这是核子发生对撞时的聚变景象。再看一个视频……，所以加速可以实现聚变反应。
[过渡引导]：但加速过程所消耗的能量远大于产生的能量，不够经济，这种方式主要用于探索高能粒子的碰撞规律，看来开发核能需要寻找其它路径了。
[过渡引导]：加热也实现核聚变，因为高温状态下的粒子因为剧烈的热运动而具备足够大的动能 (投影)。同学们可能会不相信那是真的，因为我们似乎从来没有见识过通过加热应能实现核聚变的，现在就让我们来见一下吧，实氢弹的聚变就是这样实现的。
分析氢弹:氢弹由……组成，其实这部分就是一个小型的原子弹，由原子弹产生上亿度的温度再去加热氢(投影加热方式)，氢原子核因为作剧烈的热运动具有足够的动能而产生聚变反应。
一般核聚变都是通过第二种方式实现的。再看这种方式，由于通过加热发生聚变所需的温度达上亿度，所以聚变反应也称热核发应。
3、可控聚变的提出、方案与困难
通过高温加热的方式，我们制造了氢弹，但它是一种杀伤性武器，所释放的核能不能为我们所用，和平利用聚变能量并造福全人类才是我们的研究核聚变的主要方向。
要控制这个能量，我们可以先从聚变核燃料开始研究，大量高速粒子要发生碰撞，如果距离太大，很容易导致”擦肩而过”而撞不上，所以高效的聚变，其反物应该是高密度的，同时聚变反应要能够维持下去还必须是高温度的。要控制这样的燃料，我们该用什么样容器去控制它，像我们平时用的饭盒可以吗？
上亿度的高温，在地球上是找不到任何一个这样的容器的。
思考与讨论2：没有这样的容器怎么办？
学生陷入迷失状态。
①磁约束
[教师引导]：高温下的核子是高速运动的带电粒子，我们可以用什么控制它?
[学生活动]：学生设计方案并讨论的可行性。
[教师引导]：可以通过磁场将粒子约束在一定的区域内，其实科学家也是这么想的。
这是一个磁约束装置的结构原理图，名为托卡马克或环流器。第一个托卡马克由前苏联阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明。这是产生磁场的环形线圈，高能粒子被约束在形内，同学们知道它是怎么约束粒子的吗?
[进一步引导]：假如有这样一个沿径向运动的粒子，大家知道是怎么约束在环内的吗?
[学生讨论回答] ：磁场足够强时，粒子的运动半径就会很小，从而被约束在环内。
[教师总结]：这是放大图，实质就是带电粒子在磁场中的运动。
[知识拓展]：实际的运动粒子可能同时还具有垂直环面的速度，所以粒子将作这样的螺旋线运动，考虑到空间的磁场也不可能都是匀强的，所以粒子的实际运动应该是这样的。(ppt展示)，这是一个磁约束动画模拟(播放视频)
[爱国教育]：这是中国超导托卡马克,聚变反应能持续102秒，是目前世界最先进的。
我们把利用磁场进行约束的方式称为磁约束。
②惯性约束
[教师引导]：随着激光技术的发展，除了磁约束，还出现了另一种约束方式，这是它的原理图。用高能激光从各个方向同时照射核燃料，使得静止的核燃料瞬间获得高温，因为粒子具有保持静止的惯性，从而使得粒子在瞬间获得高温而飞散之前实现核聚变，这种方法利用了惯性原理，所以称为惯性约束。
[动画模拟]：这是惯性约束动画模拟。
[展望]：人类社会对这两种约束的研究还在路上，科学家预测:2050年有可能实现可控核聚变! 一旦实现核聚变，地球将不再有能源危机，可控核聚变的成功开发或许迎来人类历史上的第四次工业革命。世界上哪个国家先掌握了聚变能的开发与利用技术，谁就能率先带领人类脱离能源危机。
4、规律的得出
[提问]：那么核聚变反应方程需要遵守什么规律呢?
我们先来看太阳内的核聚变主要方程，请分析其中的规律。
[学生]：电荷数守恒，质量数守恒等
[教师引导]：这是一张平均核子质量与原子质量数的关系图，核聚释放能量同时质量减小，可见还满足质量亏损，比结合能增大的规律。太阳内太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻，转化为能量的物质是400万吨。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能撑几十亿年。
[学生活动]：验证3.8×1026 J与400万吨关系。
4、优点的总结
[提问]：相对于核裂变，核聚变有什么优点吗?
[学生总结]：教师投影，学生得出结论。从比结合能图像看，聚变的比结合能变化快，单位核子释放的能量大。投影：” 反应所用的氘与氚可以从海水中提炼或制取，氘储量达40多万亿吨，几乎是取之不近。” 这说明原料丰富，投影：”1、生成物氦没有辐射。 2、泄漏的氚、高速中子、质子等放射性物质，比裂就所生成的废物的数量少，容易处理。”说明污染少。
5、应用
[应用拓展]：我们来看一个视频：2013年2月15日，俄罗斯的车里雅宾斯克(Chelyabinsk)上空出现的小行星。
据观测，我们的地球附近有可能撞击地球的小行星有1000多颗，地球的危险无时不在，恐龙的灭绝或许就是小行星撞击地球引起的。据科学家预测，“阿波菲斯”小行星于 2029年与2036年先后两次与地球“擦肩而过”，人类在密切关注该行星的运动轨道的同时，也已经作好了应对的措施，其中包括核弹摧毁方案。
三、小结回顾
三、控制
磁约束
惯性约束
五、优点
能量大
原料丰富
污染少
四、规律
电荷数守恒
质量数守恒
质量亏损
比结合能变大
二、条件
足够大的初动能
:加速
(热核反应)
一、定义
轻核→中等核
小结
四、作业巩固
根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:
氘核的质量：mD＝2.014102u
氚核的质量：mT＝3.016050u
氦核的质量：mα＝4.002603u
中子的质量：mn=1.008665u
五、板书设计
核聚变
反应难
能量大
控制难
加速不经济
加 热
约 束
知难而进
开 发
输出难
展 望
六、思维导图
七、前置知识
比结合能，质能方程，核子，核力(短程力)，核裂变。