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人教版高中物理选择性必修3第5章第4节核裂变与核聚变教学设计
课题
核裂变与核聚变
单元
5
学科
物理
年级
高二
学习目标
物理观念：知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念，了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的内容。科学思维：掌握链式反应及核聚变释放能量的计算，理解核电站的工作原理，掌握轻核聚变的条件，提高分析、解决问题的能力。科学探究：通过对链式反应的探究，理解原子弹、核反应堆的原理，体会热核反应的条件及科学发现新粒子的进步。科学态度与责任：学习科学家们研究问题的方法，坚持实事求是的科学态度，体验其工作的艰辛，激发探索未来科学的热情。
重点
核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念，链式反应及核聚变释放能量的计算。
难点
链式反应及核聚变释放能量的计算
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢?
阅读课本问题，思考如何利用原子核在分裂和合并过程中产生的能量。观察原子弹爆炸的图片。
通过引导学生思考如何利用原子核分裂和合并过程中产生的能量。提高学生的学习兴趣。
讲授新课
一、核裂变的发现
裂变:重核分裂成质量较小的核，并释放核能的反应。链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过条件：每次裂变产生的中子，至少平均有一个能引发新的裂变①保证的纯度←提纯②铀块的大小临界体积:裂变物质能够发生链式反应的最小体积相应的质量：临界质量二分裂质量数守恒，电荷守恒如果
1
kg
铀全部裂变，它放出的能量就相当于
2800
t
标准煤完全燃烧时放出的化学能。课堂练习：1、(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是( )A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应解析：用中子和轰击等少数重核元素才能发生裂变反应,铀核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D错误,C正确;铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。答案：BC二、反应堆与核电站核反应堆：人工控制链式反应的装置核能发电的基本原理二战时期，美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。在长崎投掷的原子弹爆炸后形成蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多，长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市37%
；广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%。
课堂练习2、(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是( )A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能B.镉棒的作用是控制反应堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能解析：铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,故B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却,控制温度,故D正确。答案：ABD三、核聚变核聚变：某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核的核反应思考讨论：发生聚变的条件:
使原子核间的距离达到
10-15
m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们靠近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量的原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？方法:①用加速器加速原子核
②原子核加热到很高的温度108～109K1、受控核聚变热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性1）轻核聚变产能效率高2）地球上聚变燃料的储量丰富（每升水中就含有
0.03
g
氘，地球上有
138.6
亿亿立方米的水，大约有
40
万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有2000
亿吨）3）轻聚变更为安全、清洁（高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氘，高速中子，质子与其他物质反应生成的发射性物质，比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理）2、实现核聚变的方法①难点：地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温。②方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。磁约束：带电粒子运动时在均匀磁场中会在洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。惯性约束：由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。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。四、重核裂变与轻核聚变的区别
课堂练习3、关于轻核聚变释放核能,下列说法正确的是( )A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大C.聚变反应中粒子的比结合能变小D.聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量增大解析：在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,故A错误;由于聚变反应中释放出巨大的能量,则比结合能一定增加,质量发生亏损,故C、D错误。答案：B
学习裂变的概念。知道裂变的过程。阅读课本120页内容，总结链式反应的概念以及发生链式反应的条件。通过核裂变方程，观察核反应遵循的规律：质量数守恒、电荷守恒。完成课堂练习。观察核反应堆结构。阅读材料。完成课堂练习。类比核裂变理解记忆核聚变的含义。思考让粒子加速的方法。阅读课本材料。了解实现核聚变的困难之处和所采取的方案。总结对比核裂变和核聚变的区别和联系。完成课堂练习。
通过类比细胞的分裂，让学生更好的理解“裂变”的概念。采用学生阅读材料，总结知识点的方式，让学生明确链式反应的概念，并由学生总结链式反应发生的条件。提高学生的自主学习能力。通过课堂练习，巩固基础知识。通过观察核反应堆的结构图、阅读课本材料，理解人工控制链式反应的原理。让学生明白科技在推动人类进步的同时，也可以给人们带来灾难，培养学生的爱国主义精神。让学生在学习过程中学会对比和归纳。养成良好的学习习惯。引导学生在平时的学习过程中养成归纳、总结、类比的学习习惯。
拓展提高
1、(多选)日本福岛第一核电站在地震后,数秒内就将控制棒插入核反应堆芯,终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统,因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量,核燃料棒温度不断上升,对周边环境产生了巨大的危害。则下列说法正确的是( )A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制B.控制棒插入核反应堆芯后,被吸收的中子数量变多C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的解析：控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制,选项A、B正确;泄漏中放射性物质对周边环境产生了巨大的危害,选项D正确;因为是核裂变反应且有能量释放,可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小,故C错误。答案：ABD2、1938年哈恩用中子轰击铀核,发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是( )A.这个实验的核反应方程是B.这是一个核裂变过程,反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和C.这个反应中释放出来的能量可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算D.实验中产生的γ射线穿透能力极强解析：根据质量数守恒、电荷数守恒,铀核裂变的核反应方程应为,选项A错误;铀核裂变过程中产生γ射线,放出能量,发生质量亏损,释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算,选项B、C错误;核反应中产生的γ射线,穿透能力极强,是能量极高的光子,选项D正确。答案：D3、一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.0073
u,中子质量mn=1.0087
u,氚核质量mT=3.0180
u。(1)写出聚变方程;(2)释放出的核能为多大?(3)平均每个核子释放的能量是多大?解析：（1）聚变方程：(2)质量亏损Δm=mH+2mn-m=(1.007
3+2×1.008
7-3.018
0)u=0.0067
u,释放的核能ΔE=Δmc2=0.006
7×931.5
MeV=6.24
MeV。(3)平均每个核子放出的能量为
MeV=2.08
MeV。
完成拓展提高练习题。
课堂小结
一、核裂变的发现1、定义2、链式反应3、链式反应条件二、核聚变1、轻核的聚变2、受控热核反应
总结本节课所学习知识。
帮助学生梳理基础知识，建立知识框架。
板书
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精品试卷·第
2
页
（共
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核裂变与核聚变
人教版高中物理
选择性必修3
新知导入
较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢?
新知讲解
裂变:重核分裂成质量较小的核，并释放核能的反应。
一、核裂变的发现
中子
新知讲解
链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过
条件：每次裂变产生的中子，至少平均有一个能引发新的裂变
①保证
的纯度←提纯
②铀块的大小
临界体积:裂变物质能够发生链式反应的最小体积
相应的质量：临界质量
新知讲解
多种多样
二分裂
三分裂
四分裂
...
概率：
二分裂的
二分裂的
质量数守恒，电荷守恒
新知讲解
如果
1
kg
铀全部裂变，它放出的能量就相当于
2800
t
标准煤完全燃烧时放出的化学能。
=
1
kg
2800
t
课堂练习
1、(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是( )
A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分
B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量
C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分
D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应
BC
解析：用中子轰击
等少数重核元素才能发生裂变反应,铀核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D错误,C正确;铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。
新知讲解
二、反应堆与核电站
核反应堆：人工控制链式反应的装置
吸收中子、控制反应速率
慢中子
(石墨、轻水、重水)
(浓缩铀)
核燃料
新知讲解
核能发电的基本原理
新知讲解
二战时期，美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。在长崎投掷的原子弹爆炸后形成蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多，长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市37%
；广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%。
课堂练习
2、(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是(
)
A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
解析：铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,故B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却,控制温度,故D正确。
ABD
新知讲解
核聚变：某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核的核反应
三、核聚变
新知讲解
思考讨论：发生聚变的条件:
使原子核间的距离达到
10-15
m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们靠近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量的原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？
方法:
①用加速器加速原子核
②原子核加热到很高的温度108～109K
新知讲解
大阳是一个巨大的热核反应堆
弹体
引爆装置
氘、氚、重氢化钾等
铀
235
外壳
普通炸药
氢弹结构示意图
小型原子弹
释放核能
新知讲解
热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性
1）轻核聚变产能效率高
2）地球上聚变燃料的储量丰富
（每升水中就含有
0.03
g
氘，地球上有
138.6
亿亿立方米的水，大约有
40
万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有2000
亿吨）
3）轻聚变更为安全、清洁
（高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氘，高速中子，质子与其他物质反应生成的发射性物质，比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理）
1、受控核聚变
新知讲解
①难点：地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温。
②方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。
磁约束：带电粒子运动时在均匀磁场中会在洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。
2、实现核聚变的方法
托卡马克（环流器）磁约束装置
新知讲解
惯性约束：由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。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。
惯性约束聚变激光
新知讲解
四、重核裂变与轻核聚变的区别
比较项目
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核,放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核,放出核能
原料的蕴藏量
核裂变燃料铀在地球上储量有限,尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%
主要原料是氘,氘在地球上的储量非常丰富
可控性
速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用核裂变反应释放核能
目前,除氢弹以外,人们还不能控制它
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3~4倍
核废料处理难度
聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
课堂练习
3、关于轻核聚变释放核能,下列说法正确的是( )
A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大
C.聚变反应中粒子的比结合能变小
D.聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量增大
解析：在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,故A错误;由于聚变反应中释放出巨大的能量,则比结合能一定增加,质量发生亏损,故C、D错误。
B
拓展提高
1、(多选)日本福岛第一核电站在地震后,数秒内就将控制棒插入核反应堆芯,终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统,因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量,核燃料棒温度不断上升,对周边环境产生了巨大的危害。则下列说法正确的是(
)
A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制
B.控制棒插入核反应堆芯后,被吸收的中子数量变多
C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大
D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的
ABD
拓展提高
解析：控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制,选项A、B正确;泄漏中放射性物质对周边环境产生了巨大的危害,选项D正确;因为是核裂变反应且有能量释放,可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小,故C错误。
拓展提高
2、1938年哈恩用中子轰击铀核,发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是( )
B.这是一个核裂变过程,反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和
C.这个反应中释放出来的能量可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算
D.实验中产生的γ射线穿透能力极强
D
拓展提高
解析：根据质量数守恒、电荷数守恒,铀核裂变的核反应方程应为
,选项A错误;铀核裂变过程中产生γ射线,放出能量,发生质量亏损,释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算,选项B、C错误;核反应中产生的γ射线,穿透能力极强,是能量极高的光子,选项D正确。
拓展提高
3、一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.0073
u,中子质量mn=1.0087
u,氚核质量mT=3.0180
u。
(1)写出聚变方程;
(2)释放出的核能为多大?
(3)平均每个核子释放的能量是多大?
(2)质量亏损Δm=mH+2mn-m=(1.007
3+2×1.008
7-3.018
0)u=0.0067
u,
释放的核能ΔE=Δmc2=0.006
7×931.5
MeV=6.24
MeV。
(3)平均每个核子放出的能量为
MeV=2.08
MeV。
课堂总结
核裂变与核聚变
核裂变的发现
核聚变
链式反应
定义
轻核的聚变
受控热核反应
链式反应条件
板书设计
核裂变与核聚变
核裂变的发现
核聚变
链式反应
定义
轻核的聚变
受控热核反应
链式反应条件
作业布置
课后练习和同步练习
谢谢
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