高中物理-7 核聚變教學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)情分析教材分析課后反思

PAGE3PAGE19．7核聚變（一）引入新課教師：1967年6月17日，我國(guó)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(guó)僅用了兩年零八個(gè)月。前蘇聯(lián)用了四年，美國(guó)用了7年。氫彈爆炸釋放核能是通過輕核的聚變來實(shí)現(xiàn)的。這節(jié)課我們就來研究聚變的問題.學(xué)生：學(xué)生認(rèn)真仔細(xì)地聽課演示我國(guó)第一顆氫彈爆炸視頻點(diǎn)評(píng)：通過介紹我國(guó)第一氫彈爆炸，激發(fā)同學(xué)們的愛國(guó)熱情。（二）進(jìn)行新課1．聚變及其條件提問：請(qǐng)同學(xué)們閱讀課本第一段，回答什么叫輕核的聚變？學(xué)生仔細(xì)閱讀課文學(xué)生回答：兩個(gè)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：請(qǐng)同學(xué)們?cè)倏纯幢冉Y(jié)合能曲線（圖19.5-3），想一想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？讓學(xué)生了解聚變的發(fā)展歷史進(jìn)程。學(xué)生思考并分組討論、歸納總結(jié)。學(xué)生回答：因?yàn)檩^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(gè)核子釋放的能量就更大點(diǎn)評(píng)：學(xué)生閱讀課本，回答問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。教師歸納補(bǔ)充：（1）氫的聚變反應(yīng)：21H+21H→31H+11H+4MeV、21H+31H→42He+10n+17.6MeV（2）釋放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6MeV，平均每個(gè)核子釋放能量3MeV以上，約為裂變反應(yīng)釋放能量的3～4倍提問：請(qǐng)同學(xué)們?cè)噺奈⒂^和宏觀兩個(gè)角度說明核聚變發(fā)生的條件？學(xué)生閱讀教材，分析思考、歸納總結(jié)并分組討論。得出結(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10-15m，要使原子核接近到這種程度，必須使它們具有很大的動(dòng)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(dòng)能，就要把它加熱到幾百萬攝氏度的高溫。點(diǎn)評(píng)：從宏觀和微觀兩個(gè)角度來考慮核聚變的條件，有助于加深理解。教師說強(qiáng)調(diào)：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(shí)間釋放巨大的能量，這就是聚變引起的核爆炸。教師補(bǔ)充說明：（1）熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽和很多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)107K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3.8×1026J，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(jì)，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(gè)時(shí)間很長(zhǎng)很長(zhǎng)！教師：希望同學(xué)們課后查閱資料，了解更多的太陽能有關(guān)方面的知識(shí)及其應(yīng)用。（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(zhēng)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？學(xué)生閱讀教材：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(diǎn)燃。［教師點(diǎn)撥］［錄像］氫彈的構(gòu)造簡(jiǎn)介及其爆炸情況。根據(jù)你收集的資料，還能通過什么方法實(shí)現(xiàn)核聚變？學(xué)生回答：日英開發(fā)出激光核聚變新方法、有人提出利用電解重水的方法實(shí)現(xiàn)低溫核聚變。點(diǎn)評(píng)：學(xué)生自學(xué)看書，自己歸納總結(jié)，有助于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，逐步提高學(xué)生的歸納總結(jié)能力。2．可控?zé)岷朔磻?yīng)（1）聚變與裂變相比有很多優(yōu)點(diǎn)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?cè)旄Ｓ谌祟?。我?guó)在這方面的研究和實(shí)驗(yàn)也處于世界領(lǐng)先水平。請(qǐng)同學(xué)們自學(xué)教材，了解聚變與裂變相比有哪些優(yōu)點(diǎn)？例：一個(gè)氘核和一個(gè)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=2.014102u、氚核的質(zhì)量：mT=3.016050u、氦核的質(zhì)量：mα=4.002603u、中子的質(zhì)量：mn=1.008665u、1u=1.6606×10-27kg，e=1.6022×10-19C，請(qǐng)同學(xué)們求出該核反應(yīng)所釋放出來的能量。學(xué)生計(jì)算：根據(jù)質(zhì)能方程，釋放出的能量為：教師點(diǎn)拔：平均每個(gè)核子放出的能量約為3.3MeV，而鈾核裂變時(shí)平均每個(gè)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(diǎn)之一，即輕核聚變產(chǎn)能效率高。教師點(diǎn)拔：常見的聚變反應(yīng)：21H+21H→31H+11H+4MeV、21H+31H→42He+10n+17.6MeV。在這兩個(gè)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(shí)現(xiàn)這兩個(gè)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(gè)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(diǎn)之二，即地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富。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。聚變與裂變相比，優(yōu)點(diǎn)之三，是輕核聚變反應(yīng)更為安全、清潔。實(shí)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(dòng)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(shí)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(guó)在可控?zé)岷朔磻?yīng)方面的研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)展情況。EAST全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置以探索無限而清潔的核聚變能源為目標(biāo)，這個(gè)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(jì)制造的EAST全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置大部件已安裝完畢，進(jìn)入抽真空降溫試驗(yàn)階段。我國(guó)的科學(xué)家就率先建成了世界上第一個(gè)全超導(dǎo)核聚變“人造太陽”實(shí)驗(yàn)裝置，模擬太陽產(chǎn)生能量。點(diǎn)評(píng)：通過了解我國(guó)在可控?zé)岷朔磻?yīng)方面的成就，激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)熱情和獻(xiàn)身科學(xué)的能力。（三）課堂小結(jié)本節(jié)主要研究了聚變核反應(yīng)的特點(diǎn)和條件，聚變反應(yīng)要比裂變反應(yīng)釋放更多的能量，但它發(fā)生的條件是要達(dá)到幾百萬度的高溫，因而聚變反應(yīng)也叫熱核反應(yīng).可控?zé)岷朔磻?yīng)的研究和實(shí)驗(yàn)將為人類和平利用核能開發(fā)新的途徑。（四）作業(yè)：完成課后練習(xí)通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已對(duì)核反應(yīng)、核裂變、核能已有一定的了解。在此基礎(chǔ)上，通過教師合理誘導(dǎo)，按照遷移規(guī)律科學(xué)地設(shè)計(jì)問題情境，促進(jìn)學(xué)生探究，獲得新知。盡管學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備不足，猜想可能缺乏科學(xué)性，表達(dá)也許欠妥。但只要始終參與到學(xué)習(xí)情境中，五官體驗(yàn)激活思維，大膽猜想，敢于表達(dá)，就都能獲得發(fā)展和提高。學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)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)。核能的和平利用能為人類造福，但若用于戰(zhàn)爭(zhēng)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。課堂教學(xué)效果是教師進(jìn)行課堂教學(xué)的落腳點(diǎn)，一切教學(xué)手段的運(yùn)用和教學(xué)方法的選擇最終的目的是課堂教學(xué)效果的最大化。學(xué)生是課堂的主體，通過學(xué)生表情的變化、思維的速度，回答問題、練習(xí)、測(cè)試、動(dòng)手操作的準(zhǔn)確性等信息反饋，可獲知教學(xué)信息的傳輸是否暢通，亦可看出新知識(shí)新技能的掌握情況。本節(jié)課在教師的引導(dǎo)幫助下，全體學(xué)生的潛力得到很大限度的挖掘，智力好的學(xué)生吃得飽，中等水平的學(xué)生吸收得好，差的學(xué)生消化得了，學(xué)生人人學(xué)有所得。課堂教學(xué)中充分體現(xiàn)師生平等、教學(xué)民主的思想，師生信息交流暢通，情感交流融洽，合作和諧，配合默契，教與學(xué)的氣氛達(dá)到最優(yōu)化，課堂教學(xué)效果達(dá)到最大化。教師教得輕松，學(xué)生學(xué)得愉快。本節(jié)主要講授聚變反應(yīng)的特點(diǎn)及其條件；了解可控?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展；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。1．把兩個(gè)質(zhì)量較________的原子核結(jié)合成質(zhì)量較________的原子核的過程叫_______________，由于這種反應(yīng)需要在幾百萬度的高溫下進(jìn)行，所以也叫_________________。2．輕核聚變與重核裂變相比有更多的優(yōu)點(diǎn)，第一，輕核聚變產(chǎn)能效率較________；第二，地球上核聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量______________；第三，核聚變更____________、更清潔?？茖W(xué)家設(shè)想的受控?zé)岷朔磻?yīng)有兩種方案：即______________和_______________。3．下列核反應(yīng)中屬于輕核聚變的是()A．H＋H→He＋nB．Th→Pa+eC．Be+He→C+nD．U→Th+H4．關(guān)于輕核聚變，下列說法正確的是()A．兩個(gè)輕核聚變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)釋放出能量B．同樣質(zhì)量的物體發(fā)生聚變時(shí)放出的能量比同樣質(zhì)量的物質(zhì)裂變時(shí)釋放的能量大很多C．聚變反應(yīng)的條件是聚變物質(zhì)的體積達(dá)到臨界體積D．發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)的原子核必須有足夠大的動(dòng)能5．關(guān)于我國(guó)已建成生產(chǎn)的秦山和大亞灣核電站，下列說法正確的是()A．它們都是利用核聚變釋放核能B．它們都是利用核裂變釋放核能C．兩者的核燃料都是純鈾235D．前者是利用核聚變釋放核能，后者是利用核裂變釋放核能6．一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變成一個(gè)氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量為1.0073u，中子質(zhì)量為1.0087u，氚核質(zhì)量為3.0180u，（1）寫出核反應(yīng)方程；（2）求該反應(yīng)中釋放的核能。來源:學(xué).科.網(wǎng)]7．太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核的熱核反應(yīng)，這個(gè)核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽的能源。(1)寫出這個(gè)核反應(yīng)方程；(2)這一核反應(yīng)能釋放多少能量？(3)已知太陽每秒釋放的能量為3.8×1026J，則太陽每秒減少的質(zhì)量為多少千克？(mp＝1.0073u，mα＝4.0015u，me＝0.00055u)[來源:Z*xx*k.Com]8.氘核和氚核發(fā)生聚變，放出一個(gè)中子和17.6MeV的能量.計(jì)算2克氘和3克氚聚變放出的能量，并寫出核反應(yīng)方程.[來源:學(xué)&科&網(wǎng)Z&X&X&K]參考答案:1、小，大，輕核聚變，熱核反應(yīng)2、高，豐富，安全，磁約束，慣性約束，3、A4、BD5、B6、（1）H＋2n→H（2）6.24MeV7、解析：(1)核反應(yīng)方程是4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e(2)這一核反應(yīng)的質(zhì)量虧損是Δm＝4mp－mα－2me＝0.0266u，ΔE＝Δmc2＝0.0266×931.5MeV＝24.78MeV(3)由ΔE＝Δmc2得每秒太陽質(zhì)量減少Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(3.8×1026,(3.0×108)2)kg＝4.2×109kg。答案：(1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e(2)24.78MeV(3)4.2×109kg8、核反應(yīng)方程：釋放的能量：△E=NE0=6.02×1023×17.6MeV=1.06×1025MeV本節(jié)課雖然教學(xué)要求不高，但卻是開展中學(xué)科技教育活動(dòng)的生動(dòng)內(nèi)容。然而課本的編寫，卻限于篇幅等因素的影響，存在正如愛因斯坦所說的問題：“科學(xué)結(jié)論幾乎是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前，讀者學(xué)生體驗(yàn)不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅，感覺不到思想形