7　核聚变教学教案设计

19．7

核聚变

教案

三维目标：

（一）知识与技能

1．知道核聚变反应，了解其特点及条件。

2．关注受控聚变反应研究的发展。

3．通过核能的利用，思考科学技术与社会进步的关系。

（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

★课时安排：1 课时

★教学过程

（一）引入新课

教师：万物生长靠太阳，那么，太阳是靠什么发光发热的？（播放视频）总结：太阳的发光原理是聚变，这节课我们就来学习“核聚变”。

点评：通过介绍太阳发光原理，激发学生的学习兴趣。

（二）进行新课

学生根据阅读提纲通读课本：

1. 什么是核聚变反应？

2.为什么核聚变会释放出巨大的能量？

3.产生核聚变反应需要哪些条件？

4.聚变与裂变相比有哪些优点

5. 氢弹是怎样爆炸的？

6.发展可控核聚变的必要性是什么？

7.实现受控热核反应的困难和解决方案是什么?

8.磁约束中粒子的运动轨迹是怎样的？

9.目前我国科学家研究的可控热核反应进展如何？

点评：学生阅读课本，回答问题，有助于培养学生的自学能力。

1．聚变及其条件

(1)定义：物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变；把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反映叫做聚变。

氢核聚变核反应方程式：

212231234131H21H2He0n

1H1H2He1H

1H1H2He0n

(2)提问：请同学们再看看比结合能曲线（图19.5-3）及核子平均质量曲线，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？

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

实例：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的能量。

学生计算：

根据质能方程，释放出的能量为：

0.01861.66061027(3108)2Emc(mDmTmmn)ceV17.6MeV

1.6022101922教师点拔：平均每个核子放出的能量约为3.5MeV，而铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV，约为裂变反应释放能量的3～4倍

(3)提问：请同学们尝试从微观和宏观两个角度说明核聚变发生的条件？

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。因此，聚变又叫热核反应。

点评：从宏观和微观两个角度考虑核聚变的条件，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。

播放视频，教师补充说明：

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！

（4）应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹。那么，氢弹爆炸原理是什么？

课本图19.7-1是氢弹原理图，它需要用原子炸药引爆，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点燃。

播放视频：太阳核聚变持久，氢弹瞬间的原因

点评：过渡引入可控热核反应

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。请同学们归纳总结聚变与裂变相比有哪些优点？

播放视频，总结：

优点一：轻核聚变产能效率高。（见前面分析）

优点二：地球上聚变燃料的储量丰富。

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，轻核聚变是能危机的终结者。

优点三：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）核聚变的技术难点在哪？解决方案是什么？

播放视频后总结

技术难点：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。

解决方案：惯性约束和磁约束。

（3）我国在可控热核反应方面的研究和实验发展情况。（播放视频）

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。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。

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。

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）课堂练

1.关于核聚变，以下说法正确的是

（

）

A．轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫做热核聚变

B．一定质量的聚变物质聚变时放出的能量比相同质量的裂变物质裂变时释放的能量大很多倍

C．聚变发生的条件是聚变物质的体积大于临界体积

D．发生聚变反应时，原子核必须有足够大的动能

2.发生轻核聚变的方法是（

）

A．用中子轰击

B．保持室温环境，增大压强

C．用γ光子照射

D．把参与反应的物质加热到几百万度以上的高温

3. 现有三个核反应：

下列说法正确的是（

）

A. ①是裂变，

②是β衰变，

③是聚变

B. ①是聚变，

②是裂变，

③是β衰变

C. ①是β衰变，

②是裂变，

③是聚变

D. ①是β衰变，

②是聚变，

③是裂变

344.已知核反应方程：

21H1H2Hex

，用c表示光速，则（

）

A．x是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘c2

B．x是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘c2

C．x是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘c2

D．x是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘c2

5、雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中徽子（

）而获得了2002年度诺贝尔物理学奖。他探测中徽子所用的探测器的主体是一个贮满615t四氯乙烯（C2Cl4）溶液的巨桶。电37370子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为

：

ve17Cl18Ar1e已知

17

Cl

核的质量为36.95658u，18

Ar

核的质量为36.95691u，



的质量为0.00055u，1u质量对应的能量为931.5MeV。根据以上数据，可以判断参与1e03737

上述反应的电子中微子的最小能量为：(

)

A、0.82 MeV

B、0.31 MeV C、1.33 MeV

D、0.51 MeV

（四）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。

（五）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

20年代

1920年

1926年

1929年

1938年

人物

阿斯顿

爱丁顿

爱丁顿

罗素

贝

特

事件

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

猜测：太阳的能量自亚原子粒子的相互作用

指出：太阳总体积具有2000万度的高温和极高的密度。

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。

证明：太阳的能量确实是靠氢气的聚变维持的。

事件

[2]投影材料二

事件

人物

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

1944年

费米

1945年

美国

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。

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。

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实现核聚变反应，这就是氢弹的原理。