高中物理 第十九章 7核聚变教案 新人教版选修3-5(2篇)

核聚变

★新课标要求

（一）知识与技能

1．了解聚变反应的特点及其条件.

2．了解可控热核反应及其研究和发展.

3．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。（二）过程与方法

通过让学生自己阅读课本，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力

（三）情感、态度与价值观

1．通过学习，使学生进一步认识导科学技术的重要性，更加热爱科学、勇于献身科学。2．认识核能的和平利用能为人类造福，但若用于战争目的将给人类带来灾难，希望同学们努力学习，为人类早日和平利用核聚变能而作出自己的努力。

★教学重点

聚变核反应的特点。

★教学难点

聚变反应的条件。

★教学方法

教师启发、引导，学生讨论、交流。

★教学用具：

多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。

★课时安排

1 课时

★教学过程

（一）引入新课

教师：1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功。从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，我国仅用了两年零八个月。前苏联用了四年，美国用了7年。氢弹爆炸释放核能是通过轻核的聚变来实现的。这节课我们就来研究聚变的问题.

学生：学生认真仔细地听课

点评：通过介绍我国第一氢弹爆炸，激发同学们的爱国热情。

（二）进行新课

1．聚变及其条件

提问：请同学们阅读课本第一段，回答什么叫轻核的聚变？

学生仔细阅读课文

学生回答：两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变。

投影材料一：核聚变发展的历史进程［1］

提问：请同学们再看看比结合能曲线（图19.5-3），想一想为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？

让学生了解聚变的发展历史进程。

学生思考并分组讨论、归纳总结。

学生回答：因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大

点评：学生阅读课本，回答问题，有助于培养学生的自学能力。

教师归纳补充：

（1）氢的聚变反应：

21H+21H→31He+11H+4 MeV、

21H+31H→42He+10n+17.6 MeV

（2）释放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6 MeV，平均每个核子释放能量3 MeV以上，约为裂变反应释放能量的3～4倍

提问：请同学们试从微观和宏观两个角度说明核聚变发生的条件？

学生阅读教材，分析思考、归纳总结并分组讨论。

得出结论

微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15 m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。

宏观上：要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温。

点评：从宏观和微观两个角度来考虑核聚变的条件，有助于加深理解。

教师说强调：聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去，在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。

教师补充说明：

（1）热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107 K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！

教师：希望同学们课后查阅资料，了解更多的太阳能有关方面的知识及其应用。

（2）上世纪四十年代，人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹，氢弹是利用热核反应制造的一种在规模杀伤武器，在其中进行的是不可控热核反应，它的威力是原子弹的十几倍。提问：氢弹爆炸原理是什么？

学生阅读教材：课本图19.7-1是氢弹原理图，它需要用原子炸药来引爆，以获得热核反应所需要的高温，而这些原子炸药又要用普通炸药来点燃。

［教师点拨］

［录像］氢弹的构造简介及其爆炸情况。

根据你收集的资料，还能通过什么方法实现核聚变？

学生回答：日英开发出激光核聚变新方法、有人提出利用电解重水的方法实现低温核聚变。点评：学生自学看书，自己归纳总结，

有助于培养学生分析问题、解决问题的能力，逐步提高学生的归纳总结能力。

2．可控热核反应

（1）聚变与裂变相比有很多优点

提问：目前，人们还不能控制核聚变的速度，但科学家们正在努力研究和尝试可控热核反应，以使核聚变造福于人类。我国在这方面的研究和实验也处于世界领先水平。请同学们自学教材，了解聚变与裂变相比有哪些优点？

投影材料二[2]：可控热核反应发展进程

例：一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是21H+31H→42He+10n，其中氘核的质量：mD=2.014 102 u、氚核的质量：mT=3.016 050 u、氦核的质量：mα=4.002 603 u、中子的质量：mn=1.008 665 u、1u=1.660 6×10-27kg，e = 1.602 2×10-19C，请同学们求出该核反应所释放出来的能量。

学生计算：

根据质能方程，释放出的能量为：

MeV eV c m m m m mc E n T D 6.17106022.1)103(106606.10186.0)(192

8272

2=?????=--+=?=?--α

教师点拔：平均每个核子放出的能量约为3.3MeV ，而铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV 。

总结：聚变与裂变相比，这是优点之一，即轻核聚变产能效率高。

教师点拔：常见的聚变反应：21H+21H →31He+11H+4MeV 、 21H+31H →42He+10n+17.6 MeV 。在这两个反应中，前一反应的材料是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反应的产物，所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成部分，在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的。从这个意义上讲，轻核聚变是能源危机的终结者。

总结：聚变与裂变相比，这是优点之二，即地球上聚变燃料的储量丰富。如1L 海水中大约有0.03g 氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L 汽油。

聚变与裂变相比，优点之三，是轻核聚变反应更为安全、清洁。

实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。另外，氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂就所生成的废物的数量少，容易处理。

（2）我国在可控热核反应方面的研究和实验发展情况。

EAST 全超导托卡马克实验装置以探索无限而清洁的核聚变能源为目标，这个装置也被通称为“人造太阳”，能够像太阳一样给人类提供无限清洁的能源。目前，由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST 全超导非圆截面托卡马克实验装置大部件已安装完毕，进入抽真空降温试验阶段。我国的科学家就率先建成了世界上第一个全超导核聚变“人造太阳”实验装置，模拟太阳产生能量。

点评：通过了解我国在可控热核反应方面的成就，激发学生的爱国热情和献身科学的能力。

（三）课堂小结

本节主要研究了聚变核反应的特点和条件，聚变反应要比裂变反应释放更多的能量，但它发生的条件是要达到几百万度的高温，因而聚变反应也叫热核反应.可控热核反应的研究和实验将为人类和平利用核能开发新的途径。

（四）作业：

完成课后练习

★教学体会

本节课虽然教学要求不高，但却是开展中学科技教育活动的生动内容。然而课本的编写，却限于篇幅等因素的影响，存在正如爱因斯坦所说的问题：“科学结论几乎是以完成的形式出现在读者面前，读者学生体验不到探索和发现的喜悦，感觉不到思想形成的生动过程也很难达到清楚地解释全部过程。”

在课堂教学过程中，结合内容的讲授，以史为鉴，虽着墨不多，却寓意深远，本材料正是以此为设计思想的：沿着科学家的足迹，剖析科学家的思维，领略科学家的创造；激发同学们的兴趣，培养同学们的能力，陶冶同学们的情操。

附：

[1]投影材料一 时间

人物 事件 20年代 阿斯顿 指出：中等大小的原子核结合最紧密，核裂变或轻核聚变都会放出

能量，核聚变放出的能量比裂变大许多

1920年爱丁顿猜测：太阳的能量来自亚原子粒子的相互作用

1926年爱丁顿指出：太阳总体积具有2000万度的高温和极高的密度。

1929年罗素指出：太阳总体积的60％是氢气，如果太阳的能量真是依靠核反应的话，那么这种核反应只能是氢气的聚变。

1938年贝特证明：太阳的能量确实是靠氢气的聚变来维持的。

[2]投影材料二

事件人物事件

1933年科学家们在实验室中首次观测到核聚变就是氘的聚变

1934年卢瑟福用氘核去轰击氘靶产生了氚，发现氚聚变温度比氘更低。

1942年特勒在探索制造原子弹的各种途径的讨论中提出了一个可怕的问题。1944年费米用氢的同位素氖和氛做燃料，只需五千万度就可以发生核聚变。

1945年美国原子弹研制成功后，人们立即觉察到，可以利用裂变反应所产生的超高温来实现核聚变反应，这就是氢弹的原理。

7 核聚变

8 粒子和宇宙

学

习目标知识脉络

1.知道聚变反应的特

点．(重点)

2．了解聚变反应的条

件．(难点)

3．知道轻核聚变能够

放出很多的能量，若能

加以控制将为人类提

供广阔的能源前景．

4．初步了解粒子物理

学的基础知识及恒星

演化．

5．了解、感受科学发

展过程中蕴藏着的科

学和人文精神.

核聚变

[先填空]

1．定义

两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应．2．举例

2

1

H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV

3．条件

(1)轻核的距离要达到10－15_m以内．

(2)需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．

4．优点

(1)轻核聚变产能效率高．

(2)地球上聚变燃料的储量丰富．

(3)轻核聚变更为安全、清洁．

5．约束方法

磁约束和惯性约束．

[再判断]

1．核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．(×)

2．轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生．(×)

3．现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应．(√)

[后思考]

1．核聚变为什么需要几百万度的高温？

【提示】要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15 m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万度时，原子核就可以具有这样大的动能．

2．受控核聚变中磁约束的原理是什么？

【提示】原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作用．

[合作探讨]

氢弹是核武器的一种，其杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多，但要使氢弹内发生轻核聚变反应必须有极高的温度和足够大的碰撞几率．探讨1：怎样才能引发氢弹爆炸？

【提示】首先由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发氢弹爆炸．

探讨2：为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？

【提示】因为很轻的原子核比较重的原子核的核子平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大．

[核心点击]

1．聚变发生的条件

要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．

2．轻核聚变是放能反应

从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．

3．核聚变的特点

(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．

(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去．

(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．

4．核聚变的应用

(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．

(2)可控热核反应：目前处于探索阶段．

5．重核裂变与轻核聚变的区别

300 L汽油相当

可控性

速度比较容易进行人工控制，

现在的核电站都是用核裂变反

应释放核能

目前，除氢弹以外，人们还不

能控制它

1．(多选)下列关于聚变的说法中正确的是()

A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功

B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应

C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应

D．自然界中不存在天然的热核反应

【解析】轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．

【答案】ABC

2．(多选)科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应方程为32He＋32He→211H＋42He，关于32 He聚变下列表述正确的是()

A．聚变反应会释放能量

B．聚变反应产生了新的原子核

C．聚变反应没有质量亏损

D．目前核电站都采用32He聚变反应发电

【解析】核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一．目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电．

【答案】AB

3．氘核(21H)和氚核(31H)结合成氦核(42He)的核反应方程如下：21H＋31H→42He＋10n

＋17.6 MeV

(1)这个核反应称为________．

(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6 MeV是核反应中________(填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)．

【解析】在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可

以求得Δm＝ΔE

c2≈3×10

－29 kg.

【答案】(1)核聚变(2)放出减少3×10－29

(1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据.

(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算.

粒子和宇宙

[先填空]

1．基本粒子不基本

(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子．

(2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构．

2．发现新粒子

(1)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等．

(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子．

(3)夸克模型的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认

为强子是由夸克构成的．

3．宇宙及恒星的演化

(1)宇宙演化

根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期．在大爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和胶子等粒子，随后经过强子时代、轻子时代、核合成时代．继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系．

(2)恒星的演化

①恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云团，进一步凝聚使引力势能转变为内能，温度升高，直到发光，于是恒星诞生了．

②恒星演变：核聚变反应，层级递进地在恒星内发生，直到各种热核反应不再发生时，恒星的中心密度达到极大．

③恒星归宿：恒星最后的归宿有三种，它们是白矮星、中子星、黑洞．

[再判断]

1．质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×)

2．质子和反质子的电量相同，电性相反．(√)

3．按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元．(√)

[后思考]

1．为什么说基本粒子不基本？

【提示】一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的．

2．恒星是如何形成的？它在哪个阶段停留的时间最长？

【提示】宇宙尘埃在外界影响下聚集，某些区域在万有引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，形成星云团，星云团进一步凝聚使得引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时就开始发光，形成恒星．恒星在辐射产生向外的压力和引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长．

[合作探讨]

探讨1：什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子吗？

【提示】实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量

相反的粒子，叫反粒子．按照粒子的对称性，有一个粒子，就应该有一个反粒子．探讨2：夸克模型的提出有什么物理意义？

【提示】夸克模型的提出是物理学发展史中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷．而另一方面也说明科学正是由于一个一个的突破才得到进一步的发展．

[核心点击]

1．新粒子的发现及特点

(1)夸克的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．

(2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)．

(3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的

－13或＋23.例如，上夸克带的电荷量为＋2e 3，下夸克带的电荷量为－e 3.

(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷．

4．(多选)根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )

A ．夸克

B ．质子

C ．轻子

D ．中子

【解析】 宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此A 、C 正确，B 、D 错误． 【答案】 AC

5．目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u 夸克和d 夸克的两类夸克组成．u

夸克带电荷量为23e ，d 夸克带电荷量为－13e ，e 为元电荷，下列论断可能正确的是

( )

【导学号：54472096】

A ．质子由1个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由1个u 夸克和2个d 夸克组成

B ．质子由2个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由1个u 夸克和2个d 夸克组成

C ．质子由1个u 夸克和2个d 夸克组成，中子由2个u 夸克和1个d 夸克组成

D ．质子由2个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由1个u 夸克和1个d 夸克组成

【解析】 由于质子带e 的正电荷，则由两个u 夸克和一个d 夸克组成，其总的电荷量为e ；中子不带电，则由一个u 夸克、两个d 夸克组成，其总的电荷量为0，由此可知B 正确．

【答案】 B

6．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特

别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H的核反应，间接地证实了中微子的存在．

(1)中微子与水中的11H发生核反应，产生中子(10n)和正电子(01e)，即：中微子＋11 H→10n＋01e

可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．

(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即01e＋0－1e→2γ已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量约为________J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么？

【解析】(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0.

(2)产生能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，

则E＝Δmc2，故一个光子的能量为E

2，代入数据得

E

2＝8.2×10

－14 J．正电子与水中

的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故只有产生2个光子，此过程才遵循动量守恒定律．

【答案】(1)0和0(2)8.2×10－14原因略

对核反应中新生成粒子的认识

新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律．