《6重核的裂变》教学设计(江西省市级优课)-物理教案

《核裂变》教学设计师：上课生：起立师：同学们好！生：老师好！师：同学们请坐。生：谢谢老师。师：同学们，还记得去年的九月三日是什么日子吗？生：是中国抗日战争胜利70周年纪念日。师：很好。在七十多年前的1945年9月2日，日本向同盟国投降，标志着第二次世界大战的结束。那么同学们知道是哪个国家用了什么武器迫使日本投降的吗？生：是美国用原子弹轰炸了日本的广岛、长崎，使得日本本土受到了重创，天皇不得已而向同盟国投降。师：那同学们，你们知道什么是原子弹吗？知道原子弹为什么有如此强大的威力从而使得日本迅速投降的吗？知道原子弹能够产生巨大能量的原因吗？生：（摇头）不知道。师：没关系。通过今天这节课的学习，我们就能回答这些问题。师：好。现在开始我们的新课。今天我们讲的是高中物理选修3-5的第十九章《原子核》的第六节《核裂变》。在进入到这节知识的学习之前，我们一起来回顾一下我们上节课所学习的知识。上节课我们学习的是第5节《核力与结合能》，有哪一位同学能够站起来回顾一下这一节中有哪些重要的知识？生：1、核力2、四种基本相互作用3、结合能与原子能（核能）4、比结合能（平均结合能）5、质量亏损和质能方程师：很好，很完整，请坐。XX同学将上一节的内容基本上都回顾了一遍，那么在这里我再为大家总结一下1、核力（使得质子和中子能够克服库仑力结合在一起从而形成原子核，是强力的一种表现）2、四种基本相互作用（强、电磁、弱、万）3、结合能（把原子核拆散成核子时原子核所需要吸收的能量，也就是外界需要提供的能量）与原子能（核能）（核子结合成原子核时所释放出的能量，也就是外界需要吸收的能量）4、比结合能（平均结合能）（结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。）质量亏损（原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象就叫做质量亏损。亏损的质量用Δm表示。质量亏损一般很小，所以只有在核反应中才能明显地表现出来）和质能方程（说明了物体的质量与能量之间的关系，即一定的质量与一定的能量相对应，二者满足如下关系式：E=mc2，其中c为真空中的光速。当物体的质量变化了Δm时，其能量的变化为：ΔE=Δmc2师：这些内容就是我们上节课的所有内容。那么在上节课的最后，书上提到了这样的一段话：“如果使较重的原子核分裂成中等大小的核，或者把几个较小的原子核合并成中等大小的核，原子核中核子的比结合能都会增加，即核子将发生新的质量亏损，释放新的核能。这些能量是不是能供人使用呢？前景很诱人，但是通过怎样的方法才能使得原子核发生分裂或合并呢？”这里谈到了使原子核发生分裂或合并，这是两个不同的过程。而我们今天要讲的就是这两个中的第一个过程，也就是使原子核分裂的过程，即核裂变。师：接下来我们一起看一个视频。这是中国的第一颗原子弹在1964年10月16日实验成功时的记录片。（视频）师：好，视频看完了。视频里原子弹爆炸产生的一系列现象使我们感受到了原子弹爆炸带来的冲击力和震撼力。但是要解释原子弹的制造原理和产能机制则需要我们一起认真地来学习这一节的内容。那么，言归正传，我们正式开始学习这节内容。请各位同学把书翻到P83。师：我们这节课的名称叫作核裂变，那么我们首先得知道什么是核裂变，也就是要知道核裂变的定义：物理学中把重核在其他粒子的轰击下分裂成中等质量的原子核，并且释放出核能的反应叫做核裂变，由于核裂变一般只针对质量较大的原子核，因而也叫做重核裂变。师：除此之外还要注意：核裂变只发生在人工控制的核反应中，自然界中不会自发产生。由于核裂变释放出核能，所以裂变过程中有质量亏损。人类最早实现的核裂变是铀235的裂变。铀235的裂变形式有很多，但其中最主要的是二分裂的情况，即铀核受到一个中子的撞击分裂成两个中等质量的核以及2~3个甚至10个中子的情况。当然除了二分裂，有极为少数的铀235原子会发生三分裂、四分裂、甚至五分裂。师：在裂变中铀核吸收中子之后又会放出不同数量的中子，这些中子有快有慢。如果要让这些放出的中子继续与其他的铀核发生反应，然后引起新的核裂变，就能使得核裂变反应不断地进行下去。在物理学中，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，叫做核裂变的链式反应。这是我们遇到的一个新的物理概念——链式反应，之所以把这样的一个裂变的过程称为链式反应，原因是中子像链条一样将裂变反应一代一代的链接起来。使后面的铀核产生裂变反应的中子是前面的铀核裂变时产生的。师：而物质的体积大小是链式反应能否进行的重要因素。因为原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大中子在铀块中通过时就有可能碰不到铀核而跑到铀块外面去，这样一来链式反应就不能继续了。只有当铀块足够大时，裂变产生的中子才有足够大的概率打中某个铀核，从而使裂变反应进行下去。我们通常把使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。因此要产生链式反应，铀块的质量必须大于临界质量，或者铀块的体积必须大于临界体积。师：铀核裂变释放的能量是巨大的。根据计算，一个铀235裂变时释放的能量约为200Mev，那么如有1kg的铀235全部发生裂变，其产生的能量相当于2800吨标准煤完全燃烧时释放的总化学能！由此足以看出裂变的威力。师：由于裂变反应释放出的能量巨大，当时的人们就想制造一种武器，这种武器由裂变释放能量，可以给他国带来不可想象得重创，这种武器就是我们在之前提到的原子弹。师：请翻到书上P84，书上在这里有一个课外阅读——原子弹与科学家的责任，同学们应该在之前预习的时候已经看过了这篇文章吧？生：（点头）是的，看过了。师：那好，由于这里不是我们这节课的重点内容，老师在这里就简要地讲一讲这篇文章里的几个要注意的地方，而其他的部分则要求同学们自主学习。师：首先我们了解一下什么是原子弹。原子弹是一种具有强大的杀伤力的武器，它是利用重核裂变的链式反应释放的巨大核能对目标进行毁灭性的打击。这些是关于原子弹的图片。这张是原子弹爆炸时产生的蘑菇云，这两张是原子弹的实物图，这一张是一种类型的原子弹的内部结构图。根据原子弹的结构不同可以分为“内爆式”和“枪式”两种，它们的内部结构图如图所示。师：由于原子弹发生的核裂变属于不受控核裂变，也就是裂变发生之后就不再受人为控制了，而且其释放的核能非常巨大，我们不能加以利用。但是我们可以制造一些装置，让它内部产生受控核裂变，也就是裂变发生之后还能够通过人工手段来控制链式反应的进程，这样一来其释放的核能就可以被我们利用，从而造福全人类。这类装置就是核反应堆，它是利用人工方法控制核裂变链式反应的速度并获得核能的装置。其实在世界上第一颗原子弹（1945）被制造出来之前，科学家们就已经实现了核能的可控释放。1942年，意大利裔美籍物理学费米就主持建立了世界上第一个可控核反应堆——芝加哥一号堆，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。这张图片就是当年的第一个核反应堆芝加哥一号堆的实物图。核反应堆是核电站最基本最重要的组成部分，没有它，核电站就不可能发出电来。由此可见，核反应堆的作用巨大。师：那么现在我们就一起来学习核反应堆的内部结构以及各结构的作用。我们现在最为常见的核反应堆是“热中子（慢中子）”核反应堆，这种反应堆中利用的是速度较低的慢中子，其速度与分子热运动的速度相当（约为10^5m/s），因此也被称为热中子。而在核反应堆中使用热中子（慢中子）的原因是因为如果中子的速度太快，中子就很容易与铀235的原子核“擦肩而过”，从而使得铀核不能“捕捉”到它，这样就不能发生核裂变了。通过实验，科学家们发现，速度与分子热运动的速度相当的中子（即热中子或慢中子）最适于引发裂变。师：好，现在ppt上所呈现的就是“热中子（慢中子）”核反应堆的结构示意图，可以看到它由功能不同的四个部分组成。首先我们看到它的最外部，叫做水泥防护层，这个部分的作用就是用来屏蔽核裂变的产物放射出的各种射线，从而防止核反应堆外面的人员和动植物受到射线的影响。第二个部分就是核反应堆中最重要的部分——核燃料，又叫铀棒，它是用浓缩铀（铀235的含量为2%-4%，其余的绝大部分为铀238）制成的，其作用就是产生核裂变，从而释放核能。第三个部分就是用于调节中子数目以控制链式反应速度的镉棒，也叫控制棒。镉吸收中子的能力很强，当链式反应过于激烈时我们可以将镉棒插入的深一些，这样就可以使镉棒多吸收一些中子，从而使得链式反应的速度减慢一些。第四个部分叫做慢化剂，也叫减速剂，常用的慢化剂有石墨、重水和普通水（也叫轻水）。它的作用是使核裂变产生的快中子减速，从而变为慢中子继续参与后续的核反应。其实在我们这个示意图中还缺少一个必要的装置，同学们知道吗？生：缺少了触发核裂变的装置。师：非常正确！我们都知道要产生核裂变仅仅有核燃料（铀棒）是不够的，还需要能够产生中子从而触发核裂变的装置，即中子发生器，也称为中子源。常用的中子源是利用α粒子轰击铍核产生中子的，这个反应我们在前面的课程中就已经学习过了。师：这五个部分就是一个核反应堆的主要组成部分，但是一个核电站只有核反应堆也是没办法发电的，它还需要其他的装置与核反应堆一起工作产能完成发电。这个图就是核电站的内部结构示意图（也叫原理流程图）。可以看到核电站的内部有三个循环过程，通过这三个循环过程就能将铀核裂变产生的核能转化为电能输出。下面简要介绍一下这三个循环过程：（略）通过这三个循环核电站就能利用核能发电了。但是在核反应的过程中会产生一些目前我们没办法使用的废料，这些废料具有很强的放射性，因此不能随意丢弃，这类由核反应产生的废料就叫做核废料。那么应该怎样处理核废料呢？师：对于核废料的处理，国际上通常采用海洋和陆地两种方法处理核废料。一般是先经过冷却、干式储存，然后再将装有核废料的特制的金属罐投入选定海域4000米以下的海底，或深埋于建在地下厚厚岩石层里的核废料处理库中。而在这两种处理方法中，国际上普遍认为后者较前者更加安全可靠。师：由于核电站的产能效果好，效率高，而且在不发生事故的情况下对周围环境的污染很小，因此很多国家都建造了核电站，现今的核能发电已经超过世界总发电量的六分之一。在这页ppt中，老师将核发电量占总发电量比例最多的10个国家列了出来。其中绝大多数都是欧洲国家，由此可见，欧洲国家的核能利用比我们国家超前许多。但是也不要感到遗憾，我们国家现在也慢慢地赶了上来，现在我们国家已经成为世界上核电在建规模最大的国家。相信要不了多久，我们就能赶上ppt中的这些国家。师：好，今天的所有内容到这里就讲完了，但是为了检测一下同学们对本节知识的理解、掌握程度，我们一起做几道习题：（略）师：好的，习题做完了，看来同学们对今天的内容掌握