7　核聚变教学设计实例

19．7

核聚变

壶镇中学

王勇

★新课标要求

（一）知识与技能

1．知道核聚变反应

2．了解可控热核反应及其研究和发展

（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．通过核能的利用，思考科学技术与社会的关系

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。

★教学重难点

重点：聚变反应的特点。

难点：聚变反应的条件。

★教学方法

问题探究，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：3部剪辑视频。

★课时安排

1 课时

★教学过程

（一）引入新课

教师：钢铁侠这部影片想必大家都看过，也非常喜欢，我们在观看科幻片的时候有没有思考物理问题。我们知道科幻源于现实，请同学们观看一段震撼影片，思考超级英雄钢铁侠的能力或者说能量来源于什么？

请学生作答：钢铁侠的能量来源于胸口的方舟反应堆

教师：其实钢铁侠的能源装置是由现实的原型改编而来，也就是核聚变及其控制装置。大家想不想了解一下？那么今天我们来一起学习一下核聚变。

板书课题

19.7核聚变

点评：通过播放青少年都喜欢的钢铁侠影片剪辑，提起学生对这堂课的兴趣，养成在生活中思考物理的习惯。

（二）进行新课

1．聚变及其条件

提问：问题1：什么是核聚变？

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。

提问：问题2：为什么聚变能释放能量呢？

请学生回答

播放视频【放能原因】爱因斯坦质能方程。

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：回顾爱因斯坦质能方程，裂变和聚变均发生了质量亏损，释放出能量。

教师归纳补充：

（1）氢的聚变反应：

23411H+1H→2He+0n+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

核聚变比核裂变释放的能量要大，为何不用于发电造福人类呢？

提问：问题3：核聚变的反应条件是什么？

学生阅读教材，分析思考、归纳总结并分组讨论。

结合书本P79，走进原子核内部

微观上：要使两个核子结合在一起，需要借助极强的力--核力（强相互作用），然而这种力只在1.5*10-15m之内起作用，吸引核子，让他们结合，所以要让轻核发生聚变，

必须使它们间的距离达到10-15m以内。

由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。

也就是说，原子核需要很大的动能才会“撞”到一起。

问题4：什么办法能使大量原子核获得足够的动能来发生聚变呢？

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。所以聚变反应又叫热核反应。

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。

热核反应的利用——氢弹

（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］

氢弹的构造简介及其爆炸情况。

2．可控热核反应

（1）问题5：聚变和裂变相比，具有那些优点？

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？

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：

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3.3MeV，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。

问题6：实现核聚变的难点是什么？

地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。

既然不能容纳，那我们就想办法约束核聚变。联系太阳上的核聚变，巨大的引力约束这热核反应，那么我们能不想想办法在地球上用其它力来约束核聚变，实现可控呢？

问题7：科学家设想了那些解决方案？

1.磁约束，呼应开头，钢铁侠的方舟反应堆的原型，就是托卡马克装置。磁场中，B越大，r越小，运动电荷绕圈子，不飞散。

2.惯性约束。

（2）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【人造太阳】中国EAST全超导托卡马克核聚变实验装置

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）巩固练习

题目1：

科学家使用核反应获取氚,再利用氘和氚的核反应获得能量,核反应方程分别为：

X+Y→

42He+ 31H+4.9MeV 和

21H+ 31H→

42He+X+17.6MeV下列表述正确的有(

) A. X是中子

B. Y的质子数是3，中子数是6 C. 两个核反应都没有质量亏损

D. 氘和氚的核反应是核聚变反应

题目2：试计算核聚变放出的能量

氘核的质量：mD＝2.014102u 氚核的质量：mT＝3.016050u 氦核的质量：mα＝4.002603u 中子的质量：mn=1.008665u 注：碳原子质量的1/12叫做原子质量单位，用u表示。（参考课本82页）

Δm=mD+mT-(mα+mn)=0.018884u=17.59MeVΔE=Δmc2=0.01884×931.5MeV（四）课堂小结

（1）什么是核聚变。

轻核

重核

（2）核聚变反应条件。

10-15m

高温高压

（3）热核反应的利用。

氢弹

受控热核反应

老师寄语：强大之处不在于胸口的能源，

而是如何控制和利用它的大脑。

少年强则国强，同学们，学好物理，

你们是中国“核心”科技的未来，

是新生的太阳，去创造属于自己的光芒！

（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。