5.4 核裂变与核聚变 导学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理导学案围绕核裂变与核聚变展开，引导学生掌握核裂变、核聚变、链式反应的定义及条件，学会书写核反应方程、计算核能，了解核反应堆工作原理。通过必备知识填空搭建基础，展示讨论的中子碰撞问题衔接应用，以表格、例题等为支架梳理知识脉络。 资料注重概念与应用结合，通过小组讨论（科学推理）、例题变式（如核电站控制棒问题）、核污染处理及优点分析（科学态度与责任），培养学生物理观念与科学思维。课堂小测即时反馈，结构完整，助力高效教学与自主学习。

4．核裂变与核聚变 【课标要求】关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。 【学习目标】 1．知道什么是核裂变、核聚变和链式反应，知道链式反应和核聚变的条件。 2．会书写核裂变和核聚变方程，会利用质量亏损计算核裂变和核聚变产生的核能。 3．了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度。 【学习重难点】 重点：核裂变反应及链式反应的条件、核聚变反应及条件。 难点：受控核聚变反应。 课堂导练 必备知识 一、核裂变的发现 1．核裂变：_________________________，这类核反应定名为核裂变。 2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是 __________________________________________。 3．链式反应：____________________________________________________________________，这样的过程叫作核裂变的链式反应。 4．临界体积和临界质量：____________________叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 二、反应堆与核电站 1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它的主要组成部分： 组成部分 材料 作用 裂变材料(核燃料) 铀棒(浓缩铀) 提供核燃料 减速剂(慢化剂) 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度 热交换器 水或液态的金属钠 传输热量 防护层 厚水泥层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害 2．工作原理 (1)核燃料发生核裂变释放能量，使反应区温度升高。 (2)能量输出：_____________________________________________________________________________________。 三、核聚变 1．定义：_______________________________________。 2．核反应方程(举例)：___________________________________。 3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内。 方法：___________，因此核聚变又叫热核反应。 4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。 1．在核反应堆中，用什么方法控制核裂变的速度？ 2．什么是核聚变？核聚变过程中的能量转化有什么特点？ 展示讨论 小组讨论课本导练内容，并完成下列问题讨论且进行展示。 1．在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速。碳核的质量是中子的12倍，假设中子与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的。 （1）设碰撞前中子的动能是，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少？ （2）至少经过多少次碰撞，中子的动能才能小于？ 点评点拨 一、核裂变的发现 核裂变的能量 重核裂变为中等质量的原子核、发生质量亏损，所以放出能量。 如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能。 裂变反应的应用 ①由于裂变反应放出的能量多,加之可以进行链式反应,不需要人工持续提供反应能量,所以一般将可控的裂变反应用作核电站; ②不可控的重核裂变反应用作原子弹. 例1． 2019年4月1日，在中国核能可持续发展论坛上，生态环境部介绍2019年会有核电项目陆续开工建设，某核电站获得核能的核反应方程为 ，已知铀核的质量为m1，钡核的质量为m2，氪核的质量为m3，中子的质量为m4，下列说法中正确的是（ ） A．该核电站通过核聚变获得核能 B．铀核的中子数为143 C．在上述核反应中x=2 D．一个铀核发生上述核反应，释放的能量为 变式训练1． 受中子轰击时会发生裂变，产生 和 ，同时放出200 的能量。现要建设发电能力是 的核电站，用 作为原子锅炉的燃料，假设核裂变释放的能量全部用来发电，那么一天需要纯 的质量为多少？（阿伏加德罗常数取 ） 二、反应堆与核电站 核电站的基本结构 1．燃料:铀棒,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%~4%)制成. 2．慢化剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用石墨、重水或普通水作慢化剂使反应生成的快中子变为慢中子,便于铀235吸收,发生裂变,慢化剂附在铀棒周围. 3．控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法控制中子的数目,采用在反应堆中插入镉棒的方法,利用镉吸收中子的特性,就可以控制链式反应的速度.当反应过于激烈时,将镉棒插入深一些,让它多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些. 核污染的处理 由于发生裂变反应时,会产生一些危险的放射性物质(中等质量的核,一般是放射性同位素),为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染,需要在反应堆的外面修建很厚的水泥层,用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线.核反应堆中的核废料具有很强的放射性,需要装入特制的容器,深埋地下. 核电站发电的优点 1．消耗的核燃料少。 2．作为核燃料的铀、钍等地球上可采储量大，所能提供的能量大。 3．对环境的污染比火力发电小。 例2． 在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是（　　） A．使用浓缩铀 B．改变铀块的临界体积 C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制中子数 D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度 变式训练2． 如图所示，“核反应堆”通过可控的链式反应实现核能的释放，核燃料是铀棒，在铀棒周围放“慢化剂”，石墨是很好的慢化剂，快中子和慢化剂中的原子核碰撞后，中子速度减小变为慢中子，控制棒是用能吸收慢中子的镉制成，以控制链式反应速度，下列说法正确的是（ ） A．将控制棒插入的更深一些，反应堆的链式反应速度将降低 B．裂变产生的新核的比结合能小于铀核的比结合能 C．石墨在反应堆中起到降低核反应速度的作用 D．一个 裂变释放的能量是200 MeV，则该核反应中质量亏损约为 kg 三、核聚变 核聚变的优点 与核裂变相比,核聚变有以下优点: (1)轻核聚变产能效率高; (2)地球上核聚变燃料氘储量丰富,而氚可以利用锂来制取,足以满足核聚变的需求; (3)轻核聚变更为安全、清洁. 实现可控核聚变的难点 现在的技术还不能控制热核反应,实现可控核聚变的难点是,地球上没有任何容器能够经受如此高的温度,科学家设想了两种方案,即磁约束和惯性约束. (1)磁约束:利用磁场来约束参加反应的物质.目前性能最好的一种磁约束装置是环流器(音译为托卡马克). (2)惯性约束:在惯性约束下,可以用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应的物质,使它们“挤”在一起发生反应.由于核聚变反应的时间非常短,核聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应. 例3． 2020年12月4日，我国自主研制的核聚变关键装置——“中国环流器二号M”装置在成都建成并实现首次放电，标志着我国核聚变发展取得重大突破。设此装置利用热核反应进行的聚变方程为 ，如果一个氘核和一个氚核发生核聚变时，平均每个核子释放的能量为5.6×10-13J。则该聚变过程中的质量亏损约为（已知光速为c=3.0×108m/s）（ ） A．1.9×10-21kg B．9.3×10-21kg C．3.1×10-29kg D．6.2×10-30kg 变式训练3． 我国“嫦娥五号”探测器登上月球，探测到月球储藏大量可控核聚变燃料氦3，可控核聚变释放能量，下列说法正确的是（    ） A．核聚变方程Y是中子 B．核聚变方程Y是正电子 C．核子平均质量比核子平均质量小 D．比的比结合能大 小结小测 一、课堂小结 二、课堂小测 （1）铀核的裂变是一种天然放射现象。（ ） （2）铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。（ ） （3）控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的。（ ） （4）核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。（ ） 【参考答案】 课堂导练 必备知识 【答案】 一、1．核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。 2．铀核裂变 用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是 。 3．链式反应 中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应。 4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 二、1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它的主要组成部分： 组成部分 材料 作用 裂变材料(核燃料) 铀棒(浓缩铀) 提供核燃料 减速剂(慢化剂) 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度 热交换器 水或液态的金属钠 传输热量 防护层 厚水泥层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害 2．工作原理 (1)核燃料发生核裂变释放能量，使反应区温度升高。 (2)能量输出：水或液态的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。 三、1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 2．核反应方程(举例) MeV。 3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内。 方法：需要加热到很高的温度，因此核聚变又叫热核反应。 4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。 1．【答案】用控制棒控制链式反应速度，用水降低中子运动的速度 2．【答案】两个轻核结合成质量较大的核,这样的核反应叫做聚变.聚变发生时需要提供巨大的能量,但反应中放出的能量比提供的能量要大得多 展示讨论 1．【答案】（1）；（2）42 。 点评点拨 例1．【答案】B 变式训练1．【答案】 0.527 kg 例2．【答案】C 变式训练2．【答案】A 例3．【答案】C 变式训练3．【答案】C 小结小测 二、课堂小测 【答案】 × √ √ × 学科网（北京）股份有限公司 $