核能的利用与安全

1 聚焦常态课 促进有效教学聚焦常态课 促进有效教学 核能的利用与安全核能的利用与安全 的教学设计的教学设计 张建国 鹤岗市第十九中学 1 学习任务分析 在全球发展低碳经济的大背景下 在能源日益短缺的今天 人类对新能源的探究与利 用也显得越来越重要 核能的发现与利用无疑是人类最伟大的发明之一 它将是一种清洁 廉价 具有巨大发展前景的新能源 它将大大地缓解人类的能源危机 然而 我们也不能 忽视核能所潜在的威胁 核能的泄漏 核废料的放射 核能对环境及人类健康的影 响 你认为发展核能是利大于弊还是弊大于利呢 本节课学习 核能是什么 核能的 利用 核能的安全 三个相关内容 教学应以讲授为主 由于核能 裂变 聚变 链式反应等概念均涉及到核反应知识 而学生头脑里 这部分知识是一个空白 因此 讲授过程中要贯彻通俗性原则 不宜过深 尽可能采取恰当的比喻来帮助学生理解这些知识 2 学习者分析 14 日上午 福岛第一核电站 3 号机组发生的最新爆炸再次揪起了世界的心 现在主要 利用的化石能源是不可再生的能源 学生对核能还是不很了解 他们非常关心这个世界究 竟发生了什么 核能不是很危险吗 为什么还要用它来发电呢 核能量是从哪里来的 这些充满好奇的疑问正是教学中难得的教学资源 3 教学目标 知识与技能 1 知道释放核能的两种方式 2 了解铀核链式反应的大致情况和核电站的大致工作过程 过程与方法 通过活动和生活经验感受力的作用效果 了解物体间力的作用是相互的 并能解释有关现象 2 情感态度与价值观 培养认识物质世界的兴趣 4 教学重点 获取核能的两条途径 重核的裂变和轻核的聚变 5 教学难点 核电站的工作原理 6 教学过程设计 7 教学资源 教材 义务教育课程标准实验教科书 物理 人民教育出版社 教学硬件 笔记本电脑 大屏幕投影 教学软件 PowerPoint 8 教学过程 8 1 创设物理情境 引入新课 播放一段 日本地震海啸 的视频 2011 年 3 月 11 日下午 13 时 46 分日本发生 9 0 级地震 并引发海啸 次生灭害相继发 生 核泄漏与核安全成为人们最大的担忧 核电该如何发展 核辐射该如何防护 这些问 题又引起人们重新思考 今天我们来研究 核能的利用与安全 3 月 12 号 14 号 15 号福岛第一核电站 1 3 2 4 机组相继发生爆炸 很多民众陷 创设物理情境 引入新课 呈现学习任务 小结 核能是什么 核能的利用 核能的安全 防范核辐射 3 入恐慌状态 这不仅对日本这个国家是雪上加霜的事件 并且对全世界的安全都构成一定 程度的威胁 我们禁不住会问 8 2 授新课 8 2 1 核能是什么 1 要了解 核能是什么 首先得了解原子结构 电子是人们在微观世界探索中最早发现的带有单位负电荷的一种基本粒子 它的发现 直接涉及到对原子结构的研究 真正从实验上认识电子的存在 是 1897 年由英国科学家 J J 汤姆逊作出的 1911 年 J J 汤姆逊的学生 一位英格兰人 剑桥毕业后在曼彻斯特大学任教 他就 是大名鼎鼎的卢瑟福 在实验的基础上 以丰富的想象力和敏锐的洞察力提出原子的核式 结构理论 即原子是由带负电荷的电子和带等量正电荷的原子核构成 当卢瑟福的核式结 构理论受到挑战和质疑的时候 卢瑟福的一位学生 丹麦物理学家 N 玻尔从剑桥来到曼 彻斯特与老师并肩工作 支持并逐步完善这一理论 原子是由电子和原子核组成 原子核又是由什么组成的呢 早在 1920 年 卢瑟福凭借着丰富的科学想象力预言可能存在着一种中性粒子 终于 1932 年他的另一位学生 一查德威克在实验中找到了这种粒子 并命名为中子 中子的 发现具有划时代的意义 是原子核物理发展史上的一个里程碑 这是因为中子的发现不仅 4 使人们了解了原子核是由中子和质子所组成 而且中子不带电 用它作为 炮弹 去轰击 其他原子核时 不受静电斥力 使它有更多的机会和靶核发生碰撞 中子 炮弹 的利用 为原子核物理的研究开辟了崭新的道路 为后来核能的利用打 下了基础 由于中子和质子除质量微小差别以及电荷差异外 其余性质十分相似 于是人们把中 子和质子统称为核子 在接受了核由中子和质子组成的假设后 人们不禁要问 带正电的质子怎么能聚集在 一起呢 因为同种电荷相互排斥 万有引力又不足够大 所以物理学家当时就猜想有第三 种相互作用存在 这就是核子与核子之间的核力 是一种极强的相互作用 2 核能的由来 科学研究发现 当所有核子 中子与质子 由于核力作用相互吸引而聚集在一起形成 原子核时 会释放出一定能量 5 科学家进一步研究发现 如果使分散的核子聚合成结构紧密的原子核 在核子数目一 样的情况下 聚集成两个中等质量的原子核放出的能量要比聚集成一个大质量的原子核放 出的能量多得多 由此推想 如果在某条件下质量大的原子核变成两个中等质量的原子核 就会存在一 个能量之差 并释放出来 这部分能量就是人们可利用的核能量 简称核能 这种获取核 能的方式称为核裂变 现在已经实现了 实验还发现另一种获取核能的方式 依靠两个质量很小的原子核 如氕 氘 聚合成 一个中等质量的原子核 也会伴有大量能量释放出来 这种获取核能的方式称为轻核的聚 变 6 我们进一步分析核裂变 科学家发现 利用中子作为 炮弹 去轰击铀的原子核 结 果铀原子核 简称铀核 分裂成两个不同质量的原子核 同时再放出一些新的中子作为新 炮弹 再去撞击其他铀核 这种现象称为重核的链式反应 铀是 92 号元素 原子量是 238 这种原子的原子核是质量较大的重核 它还有一种同 位素 原子量是 235 其原子核也是质量较大的重核 简称 235U 这种235U 是人们目前发现 的最好的裂变材料 8 2 2 核能的利用 人们利用重核裂变方法制成了原子弹和原子反应堆 原子反应堆是核电站的核心部分 是核航空母舰 核潜艇的动力源 说到原子弹 大家来看一段视频 2 随着常规能源日益耗竭 人类对能源需求急剧增加 以及环境污染的严重 特别是核 7 技术的成熟 人们逐渐地把目光移到了一种新型清洁能源上来 核能 这样就有一个问题存在 这种链式反应既不能过快 也不能随意中断停止 过快了就 成了原子弹了 要平和地利用核能 必须实现人工可控制 核电站及核动力装置的 心 脏 就是核反应堆 又称为原子反应堆 是装配了核燃料以实现大规模可控制 裂变链 式反应的装置 核反应堆是如何实现可控制的呢 它包括四个主要方面 1 核燃料 核反应堆中的反应材料称为核燃料 主要是金属铀 还需要说明 的是 铀矿石不能直接做核燃料 要经过精选 碾碎 酸浸 浓缩等程序 制成有一 定铀含量 一定几何形状的铀棒才能参与反应堆工作 2 慢化剂 也称 减速剂 核燃料裂变反应释放的中子 是运动速度极快的 快中子 反应堆中需要的是使用运动速度不快的 慢化中子 2200 m s 来维持铀核的 链式反应 慢化剂就是使快中子的动能减少 使之成为 运动速度不快的慢化 中子的 物质 如 石墨块 水等 3 控制棒 为了控制链式反应的速率在一个预定的水平上 需用能吸收中子的材 料做成吸收棒 也称控制棒 如镉棒 8 4 冷却剂 在循环泵驱动 从堆心带走热量并传给 堆外汽轮机的 物质 如水 等 以驱动汽轮机发电 核反应堆是如何来发电的呢 工作原理 链式反应产生大量热能 用循环水 或其他物质 带走热量才能避免反 应堆因过热烧毁 导出的热量可以使水变成水蒸气 推动气轮机发电 日本的核电 就是在冷却剂循环中出现了故障 由于地震使导热管道断裂 致使反应堆内温度迅速 升高 核燃料外壳 金属锆发生熔化 金属锆与水发生锆水反应 生成大量氢气 发生 化学爆炸 具体请看专家的分析 播放一段视频 3 8 2 3 核能的安全 20 世纪初 随着原子科学的发展 从理论和实验上为原子能的利用奠定了基础 如今 核电已成为全球能源中不可缺少的组成部分 核电的优势在哪里呢 把核电说得这么好 日本核电不是出事儿了吗 核能真的安全吗 请听专家的解读 核能的安全 视频 4 8 3 总结 我们这节课学习了什么呢 本节课从 核能的由来 核能的利用 及 核能的安 全 三个层面做了简单的了解 应该说是关于 核能 的科普讲座 同学们进入高中和大 9 学