第二节 核能与核安全（教学课件）物理新教材北师大版（北京）九年级全一册

该初中物理课件围绕核能与核安全，系统讲解核能概念、核裂变与核聚变原理、链式反应及核电站应用，从原子结构切入，通过氢原子、氧原子模型过渡到原子核结合能，构建“微观结构-能量释放-实际应用”的知识支架。 其亮点在于融合科学史与中国科技成就，如哈恩发现裂变、钱三强等科学家事迹及EAST装置进展，渗透科学态度与责任；通过火柴类比链式反应、核反应方程分析，培养科学思维。采用“想想议议”探究环节，学生能激发兴趣，教师可高效落实教学重点。

第二十章 能源与可持续发展 物理九年级全一册 •北师大版（北京） 第二节 核能与核安全 学习目标 01 02 03 04 物理观念 掌握核裂变、链式反应、核聚变的基本原理，构建起对核能产生机制的物理观念。 科学思维 通过对核反应原理的分析，培养逻辑思维和分析推理能力；能运用类比、模型等思维方法，理解核裂变和核聚变过程，如将链式反应类比为多米诺骨牌效应。 科学探究 经历探究核能利用的过程，提出关于核能开发与应用的相关问题。 科学态度与责任 认识到科学技术对社会发展的重要影响，培养对核能科学的好奇心和求知欲。 重点难点 教学重点 教学重点 核能的概念、获取核能的途径（核裂变和核聚变）。 理解核裂变和核聚变的微观过程和原理；链式反应的机制和控制；认识核辐射的危害及核废料处理等复杂的核安全问题。 1．原子结构 H2O分子 　　以水分子为例：它由一个氧原子和两个氢原子组成。 一、核能 探究新知 H 　　原子由原子核和核外电子组成。 　　（1）氢原子由原子核和一个核外电子组成。 　　原子核有一个质子，质子带正电荷，核外电子带负电荷。二者电荷量相同。 探究新知 O 　　（2） 氧原子由原子核和八个核外电子组成。 　　原子核有八个质子和八个中子，由于中子不带电，所以正负电荷量仍然相同。 探究新知 　　质量较大的原子核发生分裂或者质量较小的原子核相互结合时，就有可能释放出惊人的能量，这就是核能。 2．核能 　　质子和中子依靠强大的核力紧密地结合在一起。要使它们分裂或结合都是极其困难的。 探究新知 质量亏损与质能方程 探究新知 1.裂变：把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变． 2.聚变：把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做聚变． 〓 聚变 〓 裂变 探究新知 1938年，科学家用中子轰击质量比较大的铀235原子核，使其发生了裂变。 1 kg铀全部裂变，释放的能量超过2 000 t煤完全燃烧时释放的能量。 　　用中子轰击铀核，铀核才能发生裂变，放出能量。 　　外界中子停止轰击，裂变也就停止了。怎样才能让裂变继续下去呢？ 1．发生裂变的条件 二、裂变 探究新知  1938年，德国物理学家哈恩和他的助手史特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，发现有钡的产生，他们提出铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反映是裂变为钡和氪，同时放出三个中子，其核反应方程是： + → + + 探究新知 探究新知 那么，地球上的能源是否是无尽的呢？ 　　将火柴搭成左下图所示结构，点燃第一根火柴后，会发生什么？ 2．链式反应 　　用中子轰击铀235原子核，铀核在分裂时，会释放出核能，同时还会产生几个新的中子，这些中子会继续轰击其他铀核。于是就导致一系列铀核持续裂变，并释放出大量核能，这就是裂变中的链式反应。 想想议议 探究新知 　　核电站的核心设备是核反应堆。核反应堆是原子核发生链式反应的场所。 　　1942年，人类利用核反应堆第一次实现了可控制的铀核裂变。 　　目前，全世界已经建成了几百座核电站，核电发电量接近全球发电量的1/5。 3．核电站利用核能发电 探究新知 水泥防护层 控制棒——镉棒 （吸收中子） 燃料棒—铀棒 减速剂 （速度与热运动速度相当的中子最适合引发裂变，称热中子或慢中子） （常用慢化剂有石墨、重水、和普通水） 链式反应的应用—— 核电站慢中子反应堆 核电站 浓缩铀（铀235含量占2%—4%) 探究新知 核反应堆 用人工的方法控制核裂变链式反应速度获得核能的装置，叫做反应堆。 核燃烧裂变释放的能量使反应区温度升高，水或者液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。 探究新知 　　链式反应如果不加以控制，大量原子核就在一瞬间发生裂变。释放出极大的能量。 　　在人类实现可控核裂变大约三年后，即1945年，利用不加控制的核裂变制造的毁灭性武器——原子弹爆炸了。 探究新知 原子弹之父---奥本海默 美国犹太人物理学家，曼哈顿计划的领导者，1945年主导制造出世界上第一颗原子弹，被誉为“原子弹之父”。 1904~1967 探究新知 18 原子弹爆炸时的蘑菇云 “小男孩”（前）和“胖子” 探究新知 我国的原子弹发展史 探究新知 钱三强 1913~1992 中国核能科学事业的创始人，中国“两弹一星”元勋，中国科学院院士。1946年底，荣获法国科学院亨利·德巴微物理学奖。1948年，任清华大学物理系教授，中国科学院近代物理中国科学院副院长兼浙江大学校长，中国科协副主席、名誉主席，中国物理学会副理事长、理事长。 探究新知 中国的原子弹之父 在法国的居里实验室跟着约里奥夫妇 21 何泽慧 核物理学家 。1914年生于江苏苏州；1936年毕业于清华大学；1940年获德国柏林高等工业大学工程博士学位；1980年当选为中国科学院学部委员。 中国科学院高能物理研究所研究员。被称为中国的居里夫人。 1914~2011 探究新知 报着“考不上就去做小保姆”的念头，何泽慧考了个女状元。她最不抱希望的清华，也被她考中了。总共录取28人，她是其中之一。虽然浙江大学发了录取通知书，何泽慧最终还是选择了清华。清华的学习格外繁重，最终只有10人顺利毕业。何泽慧又是这十人中的第一名。这十人中，第二名就是成为她丈夫的钱三强。 22 钱三强何泽慧夫妇 探究新知 1945年，32岁的钱三强终于鼓起勇气，向远在德国的何泽慧发出了25个字之内的求婚信：“经过长期通信，我向你提出结婚的请求，如能同意，请回信，我将等你一同回国。”然而此时，盟军已经开始对德国柏林进行大规模的轰炸，寄出求婚信之后，钱三强整日焦虑不安，他担心自己被拒绝，更担心何泽慧在德国的安全。不久，他终于在不安中等到了何泽慧的回信:“感谢你的爱情，我将对你永远忠诚。等我们见面后一同回国。” 1946年，二战结束后的第一个春天，何泽慧来到巴黎，他们如期举行了婚礼。 令人怀念的皮埃尔和玛丽·居里夫妇，曾经在一个实验室中亲密合作，以后，我和伊蕾娜又结为伴侣。事实证明，我们这样的结合，其后果非常之好。亲爱的钱先生，尊敬的何小姐，我们的传染病今已又传给你们了。我和伊蕾娜共同祝福你们家庭美满，祝你们亲密合作，在科学事业上做出令举世振奋的丰硕果实。 约里奥在告别舞会上跟他说：你们都是非常优秀的物理学家，我希望你们能终生留在居里实验室工作，但是我也知道你们非常热爱自己的祖国。。。 23 总理看望老人 20世纪90年代初，他曾到这里拜访过钱三强夫妇。 温家宝对何泽慧说：“我一定不失约，每年都来看您，就是希望您身体健康！ 探究新知 您一直那么朴素，穿的衣服像工作服，就像是在实验室一样。这是您作为一个科学家的本色：朴素、真实、勤奋、诚实，讲真话 24 杨承宗 中华人民共和国放射化学奠基人，中国科技大学建校元勋、原副校长，中国科技大学放射化学和辐射化学系首任系主任，原合肥联合大学首任校长，合肥学院名誉校长。1932年毕业于上海大同大学。 1911~2011 探究新知 在法国巴黎大学镭研究所随伊莱娜·约里奥-居里夫人从事放射化学研究，获博士学位。 约里奥-居里先生听说杨将回中国，特地约见他，并诚恳相告：“请转告毛泽东，你们要保卫和平，要反对原子弹，你们必须自由有原子弹；原子弹也不是那么可怕的，原子弹的原理不是美国人发明的；你们有自己的科学家……"他辞去法国国家科学研究中心的优厚待遇回国，将此言告诉钱三强，决定由钱三强报告新中国领导人。 25 我国的原子弹 探究新知 我国第一颗原子弹在罗布泊爆炸 26 我国的原子弹 1964年10月16日下午3时，中国在罗布泊成功地爆炸了第一颗原子弹，继美国、苏联、英国 、法国之后，成为世界第五个拥有核武装的国家。 中国政府发表声明称，中国发展核武器，完全是为了保卫中国人民免受核战斗的威胁。同时郑重宣布，中国在任何时候，任何情况下，都不会首先使用核武器，并建议召开世界各国首脑会议，讨论全面禁止和彻底销毁核武器问题。 探究新知 第一座核反应堆 探究新知 在芝加哥大学的费米实验时 28 　　将质量较小的原子核结合起来，也会释放出巨大的核能。 氘 氚 氦核 中子 　　氘核与氚核在超高温下结合形成氦核和一个中子，能释放大量核能。这一过程就是聚变。 三、聚变 能量 聚变 探究新知 热核反应在宇宙中是很普遍的.太阳内部和许多恒星内部，温度高达lO7K以上，热核反应在那里激烈地进行着．太阳每秒钟辐射出来的能量约为3．8×l026J就是由热核反应产生的。地球只接受了其中的二十亿分之一左右，就使得地面温暖，万物生长．但是目前除了氢弹以外，人们还不能控制聚变反应，和平利用聚变时释放的核能是未来人们研究新能源的发展方向。 太阳就是一个巨大的热核反应堆 探究新知 核聚变的利用——氢弹 探究新知 核聚变的利用——氢弹 弹体 引爆装置 小型原子弹 三种炸药： 普通炸药 Ｕ235 氘、氚 爆炸 裂变 聚变 氘、氚、重氢化钾等 铀235 外壳 普通炸药 探究新知 　　氘核和氚核都属于氢核的一种。大量氢核的聚变，可以在瞬间释放惊人的能量。氢弹利用的就是聚变瞬间释放的能量。 　　可控聚变尚未实 现，海水中蕴藏着丰 富的氘核，科学家预 言，通过可控聚变来 利用核能，将有望彻 底解决人类能源问题。 探究新知 核聚变的利用——可控热核反应 现在的技术还不能控制热核反应。 问题有： （１）热核反应的的点火温度很高； （２）如何约束聚变所需的燃料； 磁场约束 探究新知 托卡马克 是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。 探究新知 全超导托卡马克核聚变实验装置装置，其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。2009年，世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置（EAST）首轮物理放电实验取得成功，标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。 2016年2月，中国EAST物理实验获重大突破，实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。 2018年11月12日，从中科院合肥物质科学研究院获悉，EAST近期实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。 探究新知 中国环流器二号M装置是中国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置。 2020年12月4日14时02分，中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成并实现首次放电。 探究新知 核能 裂变 聚变 原子弹 核反应堆 氢弹 课堂小结 谢谢聆听 谢谢聆听 $$