核能与核技术（教案）-高教版第三版《物理（通用类）》【上好课】

高教版第三版《物理（通用类）》 主题七 核能及其应用 第二节 核能 核技术 授课班级 授课类型 新授课 授课教师 教学时长 1课时（45分钟） 教材分析 本课承接原子核组成知识，从重核裂变、质量亏损和核能切入，依次认识链式反应、核反应堆和压水堆核电站，再比较轻核聚变与受控核聚变。教学以核反应方程、装置功能和技术评价为主线，引导学生理解核能的巨大价值、严格控制条件与安全责任，并关注我国核电、聚变和量子技术进展。 学情分析 学生已知道原子核由质子和中子组成，也接触过能源与发电，但对质量亏损与能量释放的联系、链式反应的可控条件、核电站双回路和聚变约束较陌生。学生容易把核反应等同于危险爆炸，或只记装置名称而说不清功能，需借助方程核对、流程复述和对比评价建立系统认识。 教学目标 1.能说明重核裂变、质量亏损、核能、链式反应和临界体积，能核对典型裂变与聚变方程的质量数和电荷数。 2.能说明核反应堆控制棒的调节原理，按能量传递顺序描述压水堆核电站工作流程并解释安全壳作用。 3.能比较裂变与聚变的对象、条件和控制方法，从资源、环境、安全和工程成熟度评价核技术，认同科学家精神与安全责任。 教学重难点 重点：重核裂变、质量亏损与核能；链式反应的控制；轻核聚变与受控聚变条件。 难点：用质量数和电荷数核对核反应方程，区分反应控制、能量转换和安全防护的功能层次。 教学方法 情境问题、教材定义先行、核反应方程核对、流程建模、装置功能分析、裂变聚变对比、数据证据评价和技术责任讨论。 课前准备 教师准备：教材、演示课件。 学生准备：教材、笔记本。 教学环节设计 教学环节 教学内容 设计意图 教学导入 【教材情境】2017年5月25日，采用我国自主第三代核电技术的“华龙一号”全球首堆示范工程完成穹顶吊装。 【问题】核电站为什么要安装圆球形或蛋形穹顶？核能从哪里来，又怎样做到平稳释放和安全利用？ 学生观察核电站结构，结合已有的原子核组成知识，提出“核反应释放能量、设备控制反应、安全壳隔离防护”等初步解释。 【教师归纳】穹顶是安全壳的一部分，要兼顾内部空间、承压、防撞击和防止放射性物质外泄；本课从裂变和聚变两条路径认识核能及其技术应用。 以华龙一号穹顶问题串联能量来源、反应控制和安全防护，形成贯穿全课的真实工程任务。 新知讲授 一、重核裂变、质量亏损与核能 【教师补充】核子之间存在很强的相互作用，可概括为核力。核结构发生变化时，核的质量与能量也会随之变化。 【教材史实】费米发现，用慢中子轰击靶物质更容易引起核反应；哈恩和斯特拉斯曼等发现铀核受中子轰击后会发生分裂。 【教材定义】重原子核分裂成两个或多个中等质量原子核的过程，称为重核裂变，简称裂变。 【教材核反应方程】 【教材定义】一些核反应后的生成物总质量比反应前的反应物总质量减少，这种现象称为质量亏损。 【教材关系】爱因斯坦质能方程为，质量亏损对应核反应释放的能量。 【教材定义】核反应中放出的能量称为核能。1 kg铀全部裂变释放的核能约相当于2 500 t优质煤完全燃烧释放的化学能。 【即时练习1】铀裂变方程左右两侧的质量数和电荷数是否分别相等？ 答案：分别相等。质量数左侧为236，右侧为141+92+3=236；电荷数左侧为92，右侧为56+36=92。 解析：核反应方程要同时满足质量数守恒和电荷数守恒，不能只核对其中一项。 【即时练习2】为什么重核裂变出现质量亏损时会释放核能？ 答案：质量与能量由联系；反应后的质量减少，所对应的能量以核能形式释放。 解析：质量亏损不是物质凭空消失，而是核反应体系的静质量减少并伴随能量释放。 【教师归纳】裂变改变原子核结构，质量亏损与核能释放相联系；判断核反应方程还要核对质量数和电荷数。 二、链式反应、核反应堆与核电站 【教材定义】铀核裂变放出的中子继续引起其他铀核裂变，使裂变不断进行并释放越来越多能量，这就是链式反应。 【教材定义】能够产生链式反应的铀块的最小体积称为临界体积。 【用途辨析】超过临界体积且反应速率不可控时，能量会在极短时间内剧烈释放；核反应堆则人工控制链式反应，使核能平缓释放。 【教材结论】核反应堆用铀棒作核燃料，用石墨、重水或轻水等作中子减速剂，用易吸收中子的控制棒调节裂变反应快慢。控制棒插入越深，吸收中子越多，反应速率越慢。 【核电流程】压水反应堆的一回路水吸收核燃料裂变释放的热量，在热交换器中把热量传给二回路水；二回路产生蒸汽，推动蒸汽轮机并带动发电机发电。 【安全与优势】安全壳兼具防撞击、承压和防泄漏功能。百万千瓦级核电站每年约消耗30 t浓缩铀，同功率火电站约消耗250万t煤；核电还具有单机容量大、运行稳定等特点。 【技术·中国】我国自主研制“华龙一号”和“国和一号”第三代核电机组，在提高功率的同时加强安全设计，体现核电技术自主创新。 【即时练习3】链式反应能够持续进行，为什么还要求铀块达到临界体积？ 答案：体积过小时，裂变放出的中子可能在碰到其他铀核前逸出铀块，不能维持后续裂变；达到临界体积才可能形成持续链式反应。 解析：能否持续不仅取决于一次裂变能放出中子，还取决于足够多的中子能继续引发新的裂变。 【即时练习4】反应堆功率偏高时，应怎样调节控制棒？为什么？ 答案：把控制棒插入得更深，使其吸收更多中子，减少继续引发裂变的中子数，从而降低反应速率。 解析：控制棒通过改变参与后续裂变的中子数调节链式反应，不是直接冷却核燃料。 【教师归纳】核电技术的核心是“可控释放、隔离传热、多重防护”；控制棒调反应速率，双回路传递能量，安全壳承担防护。 三、轻核聚变、受控核聚变与技术应用 【教材定义】某些轻核结合成质量较大的核并释放能量的反应称为轻核聚变，简称聚变。 【教材核反应方程】 【教材结论】轻核要克服电磁斥力并接近到足够小的距离，物质通常要达到以上的高温，因此聚变反应又称热核反应。 【太阳聚变】太阳内部温度很高，热核反应持续进行，每秒辐射能量约为。 【教材定义】设法控制核聚变反应的速度，使能量缓慢释放，称为受控核聚变。 【技术难点】受控聚变需要约以上的高温，普通容器无法承受，需用强磁场约束高温等离子体或用强激光加热。 【应用前景】聚变燃料氘可从海水中提取，聚变几乎不会带来裂变同类的放射性污染问题；我国中国环流三号和EAST不断刷新磁约束聚变运行纪录。 【科学态度与应用拓展】“两弹一星”元勋体现国家利益至上和无私奉献；量子力学还支撑量子通信、量子计算等现代技术，我国“墨子号”“九章”“祖冲之号”取得重要进展。 【即时练习5】从反应对象和发生条件比较重核裂变与轻核聚变。 答案：裂变是重核分裂成中等质量核，可由中子轰击引发；聚变是轻核结合成较大质量核，需要极高温度使轻核克服电磁斥力。 解析：两类反应都能释放核能，但参与反应的原子核、触发条件和控制难点不同。 【即时练习6】为什么受控聚变不能用普通容器盛装高温等离子体？怎样解决？ 答案：约一亿摄氏度会破坏普通容器；可用强磁场约束等离子体，使其脱离器壁。 解析：受控聚变既要达到极高温度，也要稳定约束高温等离子体。 【教师归纳】聚变能量密度高、燃料资源丰富、环境前景好，但点火和稳定约束条件苛刻，仍需持续工程攻关。 按裂变释能、可控利用、聚变前景递进，把核反应方程、装置功能和技术责任组织成完整知识链。 课堂背诵 1. 提问：什么是重核裂变？ 答案：重原子核分裂成两个或多个中等质量原子核的过程，称为重核裂变，简称裂变。 2. 填空：核反应后生成物总质量比反应物总质量减少的现象称为______；核反应中放出的能量称为______。 答案：质量亏损；核能。 3. 提问：什么是链式反应和临界体积？ 答案：裂变中子继续引起其他铀核裂变，使反应不断进行，称为链式反应；能够产生链式反应的铀块最小体积称为临界体积。 4. 提问：核反应堆怎样利用控制棒调节裂变反应快慢？ 答案：控制棒插入越深，吸收中子越多，继续引发裂变的中子越少，反应速率越慢；反之则加快。 5. 提问：什么是轻核聚变和受控核聚变？ 答案：轻核结合成较大质量核并释放能量的反应称为轻核聚变；控制聚变反应速度，使能量缓慢释放，称为受控核聚变。 用提问和填空提取裂变、核能、链式反应、反应堆和聚变的规范表述，强化准确记忆。 师生互动 【任务一：方程核对】核对铀-235裂变方程和氘氚聚变方程两侧的质量数与电荷数。 答案：裂变方程为236=141+92+3、92=56+36；聚变方程为2+3=4+1、1+1=2+0。两项均守恒。 【教师归纳】质量数守恒与电荷数守恒是核对核反应方程的两条独立门槛。 【任务二：流程与安全】按给定流程说明核电站能量传递，并解释穹顶作用。 答案：一回路吸收裂变热量，经热交换器传给二回路；蒸汽驱动轮机和发电机。穹顶用于承压、防撞击和防止放射性物质外泄。 【教师归纳】核电站既要完成能量转换，也要通过回路隔离和安全壳实现多重防护。 【任务三：技术评价】比较核电与火电，并评价受控核聚变的前景和难点。 答案：核电燃料少、容量大、运行稳定，但须严格控制反应和放射性风险；聚变燃料丰富、环境前景好，但高温等离子体难以产生并稳定约束。 【教师归纳】评价核技术要综合考虑资源、环境、安全、可控性和工程成熟度。 通过方程核对、核电流程复述和技术评价，让学生在合作表达中建立证据、功能与结论的联系。 课堂练习 1. 填空：核反应出现质量亏损时，质量与能量的联系可用质能方程______表示；核反应释放的能量称为______。 答案：；核能。 解析：质量亏损对应能量释放，质能关系中的光速平方使很小的质量变化对应很大的能量。 2. 下列过程属于重核裂变的是（　　）。 A．两个氘核结合 B．铀核受中子轰击后分裂 C．电子从原子中飞出 D．物体燃烧放热 答案：B。 解析：铀核受中子轰击后分裂，符合重核裂变定义。 3. 核反应堆功率偏高时，合理的调节是（　　）。 A．拔出控制棒，减少吸收中子 B．插深控制棒，增加吸收中子 C．移去减速剂，加快中子 D．打开安全壳释放压力 答案：B。 解析：控制棒插入越深，吸收中子越多，参与后续裂变的中子越少，反应速率下降。 4. 百万千瓦级核电站每年约消耗30 t浓缩铀，同功率火电站约消耗250万t煤。这组数据主要说明核电具有什么特点？还应关注什么安全问题？ 答案：说明核燃料能量密度高、燃料消耗少；同时必须控制链式反应，防止放射性物质外泄，并妥善处理相关安全问题。 解析：评价能源技术既要依据资源和效率数据，也要考虑安全与环境责任。 5. 为什么轻核聚变需要极高温？受控核聚变为何常采用磁约束？ 答案：轻核都带正电，接近时存在很强的电磁斥力，极高温使部分轻核获得足够动能；磁约束可使高温等离子体悬浮并脱离器壁。 解析：达到温度条件解决“能否碰撞”，稳定约束解决“能否持续”，两者缺一不可。 6. 有同学说：“核裂变和核聚变都能释放核能，因此二者的反应对象、发生条件和控制方法完全相同。”请评价并说明理由。 答案：错误。裂变是重核分裂，可由中子轰击引发并用控制棒调节链式反应；聚变是轻核结合，需要极高温并解决高温等离子体约束问题。 解析：共同点是释放核能，不能由此推出反应对象、条件和控制方法相同。 以概念辨析、装置调节和技术比较检查迁移，纠正常见错误。 课堂小结 【教师提问】裂变为什么能够释放核能？ 【教师归纳】重核分裂时出现质量亏损，质量与能量由联系，所对应的能量释放为核能。 【教师提问】链式反应怎样实现可控利用？ 【教师归纳】核反应堆用减速剂调节中子速度，用控制棒改变被吸收的中子数，使裂变能量平缓释放。 【教师提问】压水堆核电站如何发电并保证安全？ 【教师归纳】一、二回路经热交换器隔离传热，蒸汽驱动轮机和发电机；安全壳承担承压、防撞击和防泄漏作用。 【教师提问】聚变的条件、优势和主要难点是什么？ 【教师归纳】聚变需极高温，燃料资源丰富、环境前景好；受控聚变的主要难点是产生并长期稳定约束高温等离子体。 围绕裂变释能、可控链式反应、核电安全和聚变前景四条主线收束课堂，形成结构化认识。 作业布置 1．复习本节课的知识点； 2．完成课后练习； 3．整理笔记和易错题。 教学反思 ①目标达成：学生能区分裂变与聚变，能核对核反应方程，并能说明核反应堆调节和核电站能量转换过程。 ②典型问题：部分学生把质量亏损理解为质量凭空消失，把控制棒误认为冷却装置，或只记住聚变高温而忽略稳定约束。 ③原因分析：学生对核反应的微观过程缺少直观经验，容易把能量转换、安全防护和反应控制混成同一环节。 ④改进措施：用方程守恒核对、核电流程复述和裂变聚变对照表分层复习，要求每个结论同时写出证据或装置作用。 学科网（北京）股份有限公司 $