魯科版選35核聚變、核能的利用與環(huán)境保護(hù)　 第1課時(shí) 學(xué)案.docx

第3節(jié)核聚變第4節(jié)核能的利用與環(huán)境保護(hù)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解聚變反應(yīng)的特點(diǎn)及其條件，并能計(jì)算核聚變釋放的能量2.了解可控?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展前景3.了解核電站的構(gòu)造和基本原理，了解核武器的種類(lèi)4.了解核能利用的優(yōu)勢(shì)、危害及其防護(hù)措施學(xué)習(xí)重難點(diǎn)：重點(diǎn)：計(jì)算核聚變釋放的能量難點(diǎn)：了解可控?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展前景學(xué)習(xí)過(guò)程：預(yù)習(xí)知識(shí)1輕核聚變采用輕核聚合成較重核引起結(jié)合能變化的方式可獲得核能這樣的核反應(yīng)稱(chēng)為輕核聚變2太陽(yáng)內(nèi)部核聚變的反應(yīng)方程hhhen.3核子聚變的條件要使核子發(fā)生聚變，必須使核子接近核力能發(fā)生作用的范圍4物質(zhì)第四態(tài)等離子態(tài)高溫等離子體的密度及維持時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)才能實(shí)現(xiàn)聚變5約束等離子體的三種方式引力約束、磁約束、慣性約束6核電站：將反應(yīng)堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電廠工作流程：將反應(yīng)堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為蒸汽的內(nèi)能，再利用蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能燃料：反應(yīng)堆以u(píng)為燃料7核武器：原子彈和氫彈是眾所周知的兩種核武器8核能的優(yōu)勢(shì)(1)核能發(fā)電比燃煤發(fā)電的成本低(2)核電站對(duì)環(huán)境污染比燃煤發(fā)電小得多9核能利用存在的危害(1)核廢料的高輻射性(2)放射性物質(zhì)泄漏，產(chǎn)生核污染(3)核武器威力巨大，不僅能摧毀生命，而且會(huì)使生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞思考1.為什么制造氫彈必須要具有制造原子彈的能力？【提示】氫彈爆炸是熱核反應(yīng)，需要達(dá)到幾百萬(wàn)攝氏度的高溫才能進(jìn)行，只有利用原子彈爆炸時(shí)的高溫高壓，才能使氫彈中的聚變材料達(dá)到熱核反應(yīng)的條件，故只有具備了制造原子彈能力的國(guó)家才能制造氫彈2.原子彈和氫彈的裝置有何不同？【提示】(1)原子彈是一種沒(méi)有減速劑、不加控制的爆炸性鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置(2)氫彈是一種靠慣性約束、不需人工控制而實(shí)現(xiàn)聚變的反應(yīng)裝置自主整理1.目前核電站的反應(yīng)堆以_為燃料，發(fā)電成本低于煤電.2.原子彈是一種沒(méi)有減速劑、不加控制的_裝置.一種裝置稱(chēng)為_(kāi)裝置；另一種方法稱(chēng)為_(kāi).3.氫彈是一種靠_不需人工控制而實(shí)現(xiàn)聚變的反應(yīng)裝置.在彈體內(nèi)裝有熱核材料_、_以及_.當(dāng)普通炸藥爆炸時(shí)，鈾塊或钚塊迅速合為一體，使其體積超過(guò)_而發(fā)生原子彈爆炸.爆炸的高溫高壓使氘、氚等輕核發(fā)生_，產(chǎn)生很高的能量直至再次發(fā)生更大規(guī)模的爆炸.知識(shí)簡(jiǎn)介：原子彈 原子彈就是設(shè)法使鈾235的體積超過(guò)它的臨界體積，只要有中子進(jìn)入鈾塊，就會(huì)立即引起鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在極短時(shí)間內(nèi)，釋放出大量的核能，發(fā)生猛烈爆炸.氫彈 氫彈則是利用原子彈爆炸產(chǎn)生的熱核反應(yīng)提供所需溫度，使氘和氘發(fā)生聚變，從而引起新的爆炸.中子彈 中子彈是以氘和氘進(jìn)行熱核反應(yīng)為主要能量來(lái)源，以爆炸中產(chǎn)生大量的高能中子作為主要?dú)蛩氐囊环N小當(dāng)量戰(zhàn)術(shù)核武器.中子彈實(shí)際上是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的加強(qiáng)輻射的小型氫彈，與氫彈不同的是它要求裂變初級(jí)的裂變當(dāng)量不能大(一般為幾百到上千噸tnt當(dāng)量).自1945年世界上成功地進(jìn)行了第一次核試驗(yàn)以來(lái)，由于核武器具有巨大的威力，得到了各國(guó)政府的高度重視，在國(guó)際政治、軍事、外交等各方面起著極其重要的作用.名師解惑1.氫彈爆炸的原理剖析：氫彈是利用輕核聚變制成的爆炸武器，其構(gòu)造如圖4-4-1所示.聚變材料是氘和氚,產(chǎn)生聚變反應(yīng)的高溫條件是原子彈的爆炸提供的.當(dāng)引爆裝置引起普通炸藥爆炸時(shí)，將鈾塊迅速合攏產(chǎn)生原子彈爆炸，由此產(chǎn)生的高溫使氘和氚迅速、劇烈地進(jìn)行生成氦的熱核反應(yīng)，引起氫彈的爆炸.氫彈的炸藥氘和氚沒(méi)有臨界體積的限制，可以做得很大.但氚是不穩(wěn)定的核素，其半衰期為12.5年，所以不能久存.氫彈常用氘化鋰和氚化鋰作原料，在原子炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的大量中子轟擊鋰核可以產(chǎn)生氚，以補(bǔ)充氚的供應(yīng).氫彈爆炸時(shí)完成以下反應(yīng)：圖4-4-1+4.8 mev+52he+17.6 mev2.太陽(yáng)能剖析：太陽(yáng)每時(shí)每刻都在向太空輻射著巨大的能量，其輻射功率大約是1026 js-1.這些能量來(lái)自太陽(yáng)上持續(xù)進(jìn)行的熱核反應(yīng).目前，人們認(rèn)為太陽(yáng)上主要存在著兩種聚變過(guò)程：一種是所謂的碳氮循環(huán)，其具體反應(yīng)過(guò)程如下：+總的循環(huán)結(jié)果是把四個(gè)質(zhì)子聚合成了一個(gè)，同時(shí)放出了兩個(gè)+粒子、兩個(gè)中微子和大約26 mev的能量.在這個(gè)循環(huán)中碳和氮數(shù)量不變，只起媒介作用.另一種是氫氫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，具體反應(yīng)如下：+這些反應(yīng)總的結(jié)果與上面碳氮循環(huán)反應(yīng)相同.根據(jù)目前的數(shù)據(jù)，氫氫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在太陽(yáng)中是主要的反應(yīng)過(guò)程，產(chǎn)生的能量約占總能量的96%.講練互動(dòng)【例題】核聚變能是一種具有經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越、安全可靠、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)的新能源.近年來(lái)，受控核聚變的科學(xué)可行性已得到驗(yàn)證，目前正在突破關(guān)鍵技術(shù)，最終將建成商用核聚變電站.一種常見(jiàn)的核聚變反應(yīng)是由氫的同位素氘(又叫重氫)和氚(又叫超重氫)聚合成氦，并釋放一個(gè)中子.若已知氘原子的質(zhì)量為2.014 1 u，氚原子的質(zhì)量為3.016 0 u，氦原子的質(zhì)量為4.002 6 u，中子的質(zhì)量為1.008 7 u，1 u=1.6610-27 kg.(1)寫(xiě)出氘和氚聚合的反應(yīng)方程.(2)試計(jì)算這個(gè)核反應(yīng)釋放出來(lái)的能量.(3)若建一座功率為3.0105 kw的核聚變電站，假設(shè)聚變所產(chǎn)生的能量有一半變成了電能，每年要消耗多少氘的質(zhì)量？(一年按3.2107 s計(jì)算，光速c=3.00108 m/s，結(jié)果取兩位有效數(shù)字)解析：(1)+.(2)e=mc2=(2.014 1+3.016 0-4.002 6-1.008 7)1.6610-27321016j=2.810-12 j.(3)m=2.014 11.6610-27 kg=kg=23 kg.答案：(1)+(2)2.810-12 j (3)23 kg變式訓(xùn)練海水中含有豐富的氘，完全可充當(dāng)未來(lái)的主要能源.兩個(gè)氘核的核反應(yīng)如下：+，其中氘核質(zhì)量為2.013 6 u，氦核質(zhì)量為3.015 0 u，中子質(zhì)量為1.008 7u.求：(1)核反應(yīng)中釋放的核能.(2)在兩個(gè)氘核以相等的動(dòng)能0.35 mev進(jìn)行對(duì)心碰撞，并且核能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的情況下，求反應(yīng)中產(chǎn)生的中子和氦核的動(dòng)能.解析：(1)由e=mc2得：釋放的核能e=(22.013 6-3.015 0-1.008 7) u931.5 mev/u=3.26 mev.(2)把兩個(gè)氘核作為一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)撞過(guò)程動(dòng)量守恒，由于反應(yīng)前兩氘核動(dòng)能相同，其動(dòng)量等值反向，因此反應(yīng)前后系統(tǒng)的總動(dòng)量恒為零，即0=mhevhe+mnvn又因?yàn)榉磻?yīng)前后總能量守恒，即mhevhe2+mnvn2=e+2ek0因?yàn)閙hemn=31，所以氦核和中子的速率之比為：把這兩個(gè)關(guān)系代入式得：e+2ek0=4mhevhe2=4ekhe即(3.26+20.35) mev=4ekhe所以ekhe=0.99 mevekn=3ekhe=2.97 mev.答案：(1)3.26 mev(2)ekhe=0.99 mev，ekn=2.97 mev體驗(yàn)探究【問(wèn)題】為什么國(guó)際社會(huì)不允許無(wú)核武器國(guó)家獲取或制造核武器？導(dǎo)思：主要從放射性物質(zhì)對(duì)人類(lèi)、自然界的危害來(lái)考慮.探究：核武器主要原料是這一放射性物質(zhì)，還包括和以及其他高放射性物質(zhì).核武器爆炸后在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)生物不能生存，甚至致癌，或?qū)е潞蟠?造成大面積的地區(qū)污染，給人類(lèi)和自然界帶來(lái)恐慌和動(dòng)蕩，所以要禁止核擴(kuò)散.作業(yè)：1以下說(shuō)法正確的是()a聚變是裂變的逆反應(yīng)b如果裂變釋放能量，則聚變反應(yīng)必定吸收能量c聚變須將反應(yīng)物加熱至數(shù)百萬(wàn)度以上高溫，所以聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)d裂變與聚變均可釋放巨大能量e裂變反應(yīng)速度可以實(shí)現(xiàn)人工控制，但卻不容易控制輕核聚變反應(yīng)速度【解析】聚變是輕核聚合成次輕核，裂變是重核分裂成中等質(zhì)量的核，二者無(wú)直接關(guān)系，故a錯(cuò)聚變和裂變?cè)谀芰苛飨蛏弦矡o(wú)直接關(guān)系，故b錯(cuò)核聚變反應(yīng)是熱核反應(yīng)，需數(shù)百萬(wàn)度的高溫，但聚變反應(yīng)一旦開(kāi)始所釋放的能量就遠(yuǎn)大于所吸收的能量，因此聚變反應(yīng)還是釋放能量的，故c、d正確，現(xiàn)在已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)裂變反應(yīng)速度的人工控制，但除氫彈外，還不能實(shí)現(xiàn)輕核聚變的人工控制，e正確【答案】cde2能源是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)展核能是解決能源問(wèn)題的途徑之一，下列釋放核能的反應(yīng)方程，表述正確的是() a.hhhen是核聚變反應(yīng)b.hhhen是衰變c.unbakr3n是核裂變反應(yīng)d.unxesr2n是衰變e.nliheh是原子核的人工轉(zhuǎn)變反應(yīng)【解析】hhhen是輕核聚變反應(yīng)，a正確，b錯(cuò)誤；unbakr3n和unxesr2n均為重核裂變反應(yīng)，c正確，d錯(cuò)誤；nliheh是用人工方法獲得輕核聚變?nèi)剂系娜斯まD(zhuǎn)變反應(yīng)，e正確【答案】ace3氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出巨大的能量，該反應(yīng)方程為：hhhex，式中x是某種粒子已知：h、h、he和粒子x的質(zhì)量分別為2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u，c是真空中的光速由上述反應(yīng)方程和數(shù)據(jù)可知，粒子x是_，該反應(yīng)釋放出的能量為_(kāi)mev(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)【解析】根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得x是n(中子)核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為m2.014 1 u3.016 1 u4.002 6 u1.008 7 u0.018 9 u所以該反應(yīng)釋放出的能量為emc217.6 mev.【答案】n(或中子)17.64為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高清潔能源的比重，我國(guó)制定了優(yōu)先選擇核能，其次加快發(fā)展風(fēng)電和再生能源的政策，在核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中要求2020年核電運(yùn)行裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到4 000萬(wàn)千瓦的水平，請(qǐng)根據(jù)所學(xué)物理知識(shí)，判斷下列說(shuō)法中正確的是()a核能發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染比火力發(fā)電要小b核能發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染比火力發(fā)電要大c所有核電站都只利用重核裂變釋放大量的原子能d所有核電站既有重核裂變，又有輕核聚變釋放大量的原子能e如果核電站能實(shí)現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理更簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境污染更小【解析】目前核電站都用核裂變，其原料是鈾，且核能是比較清潔的能源，故a、c正確，b、d錯(cuò)，如果核電站能實(shí)現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理起來(lái)比鈾核裂變廢料更容易，對(duì)環(huán)境污染也更小，e正確【答案】ace5關(guān)于核能的利用，下列說(shuō)法正確的是()a核電站的反應(yīng)堆將釋放的核能轉(zhuǎn)化為蒸汽的內(nèi)能，再轉(zhuǎn)化為電能b采用“內(nèi)爆法”促使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，