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高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 核裂变与核聚变教案设计
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这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 核裂变与核聚变教案设计，共8页。教案主要包含了新课引入，新知探究，课堂小结，随堂演练，教学反思等内容，欢迎下载使用。
物理观念∶知道核聚变与和裂变的不同，通过核反应方程能计算所释放的能量。
科学思维∶能够分清楚裂变和聚变的含义，知道当前核聚变是不受控制的。
科学探究：通过核裂变的示意图推理出三分裂和四分裂的概念，了解物理学常用的方法一—推理法。
科学态度与责任∶通过观看我国原子弹氢弹的爆炸视频，激发学生献身国防的爱国主义热情。
教学重难点
教学重点：核裂变、核聚变。
教学难点：核裂变。
教学过程
【新课引入】
20世纪30年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。原子核在"分裂或聚合"时，会释放出惊人的能量。
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?
【新知探究】
（一）核裂变的发现
1934年，约里奥·居里夫妇发现??粒子轰击铝片首次制造出人工放射性同位素。费米得知后，想到用中子作为入射粒子比??粒子有效得多。
费米与其合作者使用中子按照周期表的顺序依次轰击各种元素，辐照了有68种元素，其中47种产生新的放射性产物。
费米用中子轰击当时最重的元素238U，得到一种半衰期为13分钟的一种放射性产物。经过分析发现不属于从铅到铀之间的重元素。1934年5月，费米以《原子序数高于92的元素可能生成》为题，报道可能产生超铀元素（费米的解释是错误的，实际上是核裂变现象）。
1. 核裂变
奥地利物理学家迈特纳和弗里施进一步研究了这个过程，发现铀核被中子轰击后会复合成一种不稳定的同位素，形状也从原来的球型被拉长成这样。核子间距离远了，核力迅速减小，不足以克服库仑斥力使原子核恢复原来的形状，所以最后原子核会分裂成两块质量差不多的碎块，同时放出中子。弗里施觉得这个过程和细胞分裂挺像的，所以把这类核反应定名为核裂变。即
重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程，叫做核裂变。
裂变的生成物是多种多样。比如会裂为先和斯，也可能会裂变为钡和氪，同时放出一些中子。在这个过程中原子的质量数以及核电荷数是守恒的。
2.链式反应
以中子轰击铀235核的反应为例，过程中会再释放出三个中子。
问题：如果这三个中子再意外撞击了其它铀核，是不是又会引发新的核裂变？
这些中子能与其他铀核继续反应，而且反应中新产生的中子还能继续撞击其他铀核，让反应不断的持续下去。显然这样会产生越来越多的中子，裂变反应了的整体强度不断增大。即
把这种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程，称为核裂变的链式反应。
播放视频：模拟链式反应。
另外刚才这两种裂变都生成两个中等质量的核，所以称为二分裂。相应的还会有三分裂和四分裂的现象，不过概率很低分。我国科学家钱三强夫妇与1947年就测定了概率分时是和。
问题：按照链式反应原理，铀加中子就会有链式反应呢？
链式反应的维持需要有一定的条件，那就是每一次裂变产生的中子，至少平均有一个能引发新的裂变，否则整个反应就会越来越弱，直到无法进行。
3.链式反应的条件
①铀的纯度足够高
因为在反应过程中释放出的中子可能有一部分在杂质吸收，这就会导致反应无法维持下去，因此在那减少裂变物质中的杂质。对于天然的铀矿，使用前要先进行提纯。
②铀块体积大于临界体积
因为每一个原子所在的空间内，原子核只占很小的体积。所以裂变产生的中子，很可能碰不到其他铀核直接飞出铀块，那就白瞎了。因此要保证铀块体积足够大，这样这些中子有足够的概率打中其他铀核，从而让链式反应持续下去。
通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积称为临界体积，把相应的质量称为临界质量。
4.核裂变的标准煤
铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也有差异。一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部发生核裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能。
拓展学习：原子弹
视频播放我国第一颗原子弹爆炸。
学习了链式反应，如果让这个反应在人工控制下进行，那释放出的能量就可以被利用。为此人们建立了核反应堆，也就是人工控制链式反应的装置。
（二）反应堆与核电站
1.核反应堆
①铀棒：浓缩铀作为燃料棒，铀棒越多，反应的速率就越快。
②镉棒：吸收中子，控制反应速率
③慢化剂：使中子变为慢中子，易吸收（石墨，重水和轻水）
④水泥防护层：防止辐射
问题：核反应堆怎么用它发电？
2.核电站
看这个图，核反应堆释放的能量使反应池温度升高，那第一回路中那水温度也升高，然后利用这个热交换器把热量传给第二回路中的水，是它们变成高温高压的蒸汽，带动汽轮机运转，从而让发电机发电。
（三）核聚变
1.核聚变
对比的裂变可以看作是一个重核裂变成两个质量中等的原子核，同时放出能量。
相反的，如果是
两个轻核结合成一个质量较大的核，这种核反应咱称为核聚变。
举个例子，一个氘核与一个氚核聚变，会生成一个氦核与一个中子。这个过程也会释放能量。
①轻核聚变产能效率高
问题：两种核反应谁放出的能量多呢？
核聚变平均每个核子放出了。而裂变的只有，所以是核聚变释放的能量更多。
②燃料氘和氚储量丰富
核聚变的材料更好找，更丰富，因为一升海水中就有大约0.03g的氘，如果让他们发生聚变，放出的能量就相当于燃烧300升汽油，而海水的面积占了地球表面的2/3以上，核聚变的材料几乎是取之不尽用之不竭的。
③无废料，更安全、清洁
因为产物都是稳定的氦和没有放射性，也不污染环境，相比于核裂变产生的核废料，简直不能更安全啦，所以说核聚变是一种解决能源问题的理想途径。
问题：既然优点这么多，为什么很少听说核聚变在生活中的应用呢？
2.核聚变的条件
核聚变应用的难度确实有点儿大，首先让氘核与氚核这样的轻核发生聚变，必须让他们核子间的距离接近10-15m。这样核力才能起作用，但这个过程需要克服核子间距大的库伦斥力，难度很大。必须保证原子核有很大的动能才行。
办法：加热到几百万卡尔文
温度越高分子的平均动能越大，只有加热到几百万摄氏度，才能让他们有足够的动能发生聚变，因此核聚变的反应又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再要外界给它能量，靠自身产生的热就会反应继续下去。
3.核聚变的例子
①太阳的能量来自热核反应
②用于制造氢弹（视频播放我国第一颗氢弹爆炸）
4.可控核聚变的方案
无论是氢弹还是太阳内的热核反应，都是不可控呢。因为他们的温度太高了，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。这构成了实现可控核聚变的主要困难。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。
例1：下列说法中正确的是（ ）
原子弹是利用核聚变反应
氢弹是利用核裂变反应
铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核
为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235
解析：原子弹是利用核裂变反应，氢弹是利用核聚变反应，铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样啊，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多。铀中有杂质会吸收中子，使得裂变无法进行。故选D。
例2：利用重核裂变释放核能时选用铀 235，主要因为（ ）
它比较容易发生链式反应
能自动裂变，与体积无关
铀核比较容易分裂成为三部分或四部分，因而放出更多的核能
铀 235 价格比较便宜，而且它裂变时放出的核能比其他重核裂变时放出的核能要多
解析：铀235俘获任何能量的中子都会发生裂变反应，吸收低能量的中子裂变的几率更大，故选A。
例3：镉棒在核反应堆中所起的作用是（ ）
使快中子变成慢中子
使慢中子变成快中子
使反应速度加快
控制反应速度，调节反应速度的快慢
解析∶在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用.镉棒又叫控制棒，起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，故选项D正确。
例4：太阳不断地向外辐射能量，仍保持1千万度以上的高温，其主要原因是太阳内部进行着剧烈地（ ）
衰变反应
人工核反应
裂变反应
热核反应
解析：太阳的内部时刻都在进行着氢核的聚变，即热核反应。故选D。
【课堂小结】
【随堂演练】
1．关于重核的裂变，以下说法中正确的是（ ）
A．铀235被中子轰击后都会分裂成两块质量差不多的碎块，同时放出几个中子
B．铀235被中子轰击后二者都会发生分裂
C．要使铀块发生链式反应，其体积必须足够大
D．铀235分裂成两个中等质量的核，比结合能减小，放出核能
答案C
2．现已建成的核电站发电的能量来自于（ ）
A．天然放射性元素衰变放出的能量
B．人工放射性同位素放出的能量
C．重核裂变放出的能量
D．化学反应放出的能量
答案C
4．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．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大
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，故反应后质量变大
答案B
5．我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了“EAST ”装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1000s，温度超过1亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平。合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方。核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富。已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，23He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是
A．两个氘核聚变成一个23He所产生的另一个粒子是质子
B．两个氘核聚变成一个23He所产生的另一个粒子是中子
C．两个氘核聚变成一个23He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2
D．两个氘核聚变成一个23He所释放的核能为(2m1－m3－m2)c2
答案BD
【教学反思】
通过本堂课的学习，主要让学生知道核裂变与核聚变的概念，了解核能在当今社会生产生活中的应用。另外本节内容比较抽象，教师注意引导，采取形象化的比喻来给学生总结、归纳，加强对知识的理解。另外播放我国在原子弹和氢弹的研制上的记录视频，提升学生的爱国情怀和民族自信心。
物理观念∶知道核聚变与和裂变的不同，通过核反应方程能计算所释放的能量。
科学思维∶能够分清楚裂变和聚变的含义，知道当前核聚变是不受控制的。
科学探究：通过核裂变的示意图推理出三分裂和四分裂的概念，了解物理学常用的方法一—推理法。
科学态度与责任∶通过观看我国原子弹氢弹的爆炸视频，激发学生献身国防的爱国主义热情。
教学重难点
教学重点：核裂变、核聚变。
教学难点：核裂变。
教学过程
【新课引入】
20世纪30年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。原子核在"分裂或聚合"时，会释放出惊人的能量。
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?
【新知探究】
（一）核裂变的发现
1934年，约里奥·居里夫妇发现??粒子轰击铝片首次制造出人工放射性同位素。费米得知后，想到用中子作为入射粒子比??粒子有效得多。
费米与其合作者使用中子按照周期表的顺序依次轰击各种元素，辐照了有68种元素，其中47种产生新的放射性产物。
费米用中子轰击当时最重的元素238U，得到一种半衰期为13分钟的一种放射性产物。经过分析发现不属于从铅到铀之间的重元素。1934年5月，费米以《原子序数高于92的元素可能生成》为题，报道可能产生超铀元素（费米的解释是错误的，实际上是核裂变现象）。
1. 核裂变
奥地利物理学家迈特纳和弗里施进一步研究了这个过程，发现铀核被中子轰击后会复合成一种不稳定的同位素，形状也从原来的球型被拉长成这样。核子间距离远了，核力迅速减小，不足以克服库仑斥力使原子核恢复原来的形状，所以最后原子核会分裂成两块质量差不多的碎块，同时放出中子。弗里施觉得这个过程和细胞分裂挺像的，所以把这类核反应定名为核裂变。即
重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应的过程，叫做核裂变。
裂变的生成物是多种多样。比如会裂为先和斯，也可能会裂变为钡和氪，同时放出一些中子。在这个过程中原子的质量数以及核电荷数是守恒的。
2.链式反应
以中子轰击铀235核的反应为例，过程中会再释放出三个中子。
问题：如果这三个中子再意外撞击了其它铀核，是不是又会引发新的核裂变？
这些中子能与其他铀核继续反应，而且反应中新产生的中子还能继续撞击其他铀核，让反应不断的持续下去。显然这样会产生越来越多的中子，裂变反应了的整体强度不断增大。即
把这种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程，称为核裂变的链式反应。
播放视频：模拟链式反应。
另外刚才这两种裂变都生成两个中等质量的核，所以称为二分裂。相应的还会有三分裂和四分裂的现象，不过概率很低分。我国科学家钱三强夫妇与1947年就测定了概率分时是和。
问题：按照链式反应原理，铀加中子就会有链式反应呢？
链式反应的维持需要有一定的条件，那就是每一次裂变产生的中子，至少平均有一个能引发新的裂变，否则整个反应就会越来越弱，直到无法进行。
3.链式反应的条件
①铀的纯度足够高
因为在反应过程中释放出的中子可能有一部分在杂质吸收，这就会导致反应无法维持下去，因此在那减少裂变物质中的杂质。对于天然的铀矿，使用前要先进行提纯。
②铀块体积大于临界体积
因为每一个原子所在的空间内，原子核只占很小的体积。所以裂变产生的中子，很可能碰不到其他铀核直接飞出铀块，那就白瞎了。因此要保证铀块体积足够大，这样这些中子有足够的概率打中其他铀核，从而让链式反应持续下去。
通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积称为临界体积，把相应的质量称为临界质量。
4.核裂变的标准煤
铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也有差异。一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部发生核裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能。
拓展学习：原子弹
视频播放我国第一颗原子弹爆炸。
学习了链式反应，如果让这个反应在人工控制下进行，那释放出的能量就可以被利用。为此人们建立了核反应堆，也就是人工控制链式反应的装置。
（二）反应堆与核电站
1.核反应堆
①铀棒：浓缩铀作为燃料棒，铀棒越多，反应的速率就越快。
②镉棒：吸收中子，控制反应速率
③慢化剂：使中子变为慢中子，易吸收（石墨，重水和轻水）
④水泥防护层：防止辐射
问题：核反应堆怎么用它发电？
2.核电站
看这个图，核反应堆释放的能量使反应池温度升高，那第一回路中那水温度也升高，然后利用这个热交换器把热量传给第二回路中的水，是它们变成高温高压的蒸汽，带动汽轮机运转，从而让发电机发电。
（三）核聚变
1.核聚变
对比的裂变可以看作是一个重核裂变成两个质量中等的原子核，同时放出能量。
相反的，如果是
两个轻核结合成一个质量较大的核，这种核反应咱称为核聚变。
举个例子，一个氘核与一个氚核聚变，会生成一个氦核与一个中子。这个过程也会释放能量。
①轻核聚变产能效率高
问题：两种核反应谁放出的能量多呢？
核聚变平均每个核子放出了。而裂变的只有，所以是核聚变释放的能量更多。
②燃料氘和氚储量丰富
核聚变的材料更好找，更丰富，因为一升海水中就有大约0.03g的氘，如果让他们发生聚变，放出的能量就相当于燃烧300升汽油，而海水的面积占了地球表面的2/3以上，核聚变的材料几乎是取之不尽用之不竭的。
③无废料，更安全、清洁
因为产物都是稳定的氦和没有放射性，也不污染环境，相比于核裂变产生的核废料，简直不能更安全啦，所以说核聚变是一种解决能源问题的理想途径。
问题：既然优点这么多，为什么很少听说核聚变在生活中的应用呢？
2.核聚变的条件
核聚变应用的难度确实有点儿大，首先让氘核与氚核这样的轻核发生聚变，必须让他们核子间的距离接近10-15m。这样核力才能起作用，但这个过程需要克服核子间距大的库伦斥力，难度很大。必须保证原子核有很大的动能才行。
办法：加热到几百万卡尔文
温度越高分子的平均动能越大，只有加热到几百万摄氏度，才能让他们有足够的动能发生聚变，因此核聚变的反应又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再要外界给它能量，靠自身产生的热就会反应继续下去。
3.核聚变的例子
①太阳的能量来自热核反应
②用于制造氢弹（视频播放我国第一颗氢弹爆炸）
4.可控核聚变的方案
无论是氢弹还是太阳内的热核反应，都是不可控呢。因为他们的温度太高了，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。这构成了实现可控核聚变的主要困难。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。
例1：下列说法中正确的是（ ）
原子弹是利用核聚变反应
氢弹是利用核裂变反应
铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核
为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235
解析：原子弹是利用核裂变反应，氢弹是利用核聚变反应，铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样啊，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多。铀中有杂质会吸收中子，使得裂变无法进行。故选D。
例2：利用重核裂变释放核能时选用铀 235，主要因为（ ）
它比较容易发生链式反应
能自动裂变，与体积无关
铀核比较容易分裂成为三部分或四部分，因而放出更多的核能
铀 235 价格比较便宜，而且它裂变时放出的核能比其他重核裂变时放出的核能要多
解析：铀235俘获任何能量的中子都会发生裂变反应，吸收低能量的中子裂变的几率更大，故选A。
例3：镉棒在核反应堆中所起的作用是（ ）
使快中子变成慢中子
使慢中子变成快中子
使反应速度加快
控制反应速度，调节反应速度的快慢
解析∶在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用.镉棒又叫控制棒，起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，故选项D正确。
例4：太阳不断地向外辐射能量，仍保持1千万度以上的高温，其主要原因是太阳内部进行着剧烈地（ ）
衰变反应
人工核反应
裂变反应
热核反应
解析：太阳的内部时刻都在进行着氢核的聚变，即热核反应。故选D。
【课堂小结】
【随堂演练】
1．关于重核的裂变，以下说法中正确的是（ ）
A．铀235被中子轰击后都会分裂成两块质量差不多的碎块，同时放出几个中子
B．铀235被中子轰击后二者都会发生分裂
C．要使铀块发生链式反应，其体积必须足够大
D．铀235分裂成两个中等质量的核，比结合能减小，放出核能
答案C
2．现已建成的核电站发电的能量来自于（ ）
A．天然放射性元素衰变放出的能量
B．人工放射性同位素放出的能量
C．重核裂变放出的能量
D．化学反应放出的能量
答案C
4．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．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大
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，故反应后质量变大
答案B
5．我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了“EAST ”装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1000s，温度超过1亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平。合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方。核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富。已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，23He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是
A．两个氘核聚变成一个23He所产生的另一个粒子是质子
B．两个氘核聚变成一个23He所产生的另一个粒子是中子
C．两个氘核聚变成一个23He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2
D．两个氘核聚变成一个23He所释放的核能为(2m1－m3－m2)c2
答案BD
【教学反思】
通过本堂课的学习，主要让学生知道核裂变与核聚变的概念，了解核能在当今社会生产生活中的应用。另外本节内容比较抽象，教师注意引导，采取形象化的比喻来给学生总结、归纳，加强对知识的理解。另外播放我国在原子弹和氢弹的研制上的记录视频，提升学生的爱国情怀和民族自信心。
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