高中物理 46 核能利用教案 粤教版选修3-5
高中物理第四章裂变和聚变核能利用小粒子与大宇宙学案(含解析)粤教版选修3_5
学案7 小粒子与大宇宙(略)[学习目标定位] 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件.3.会判断和书写核裂变和核聚变方程，能计算核反应释放的能量.4.了解裂变反应堆的工作原理，了解常用裂变反应堆的类型，知道核电站工作模式．1．核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒．2．核能运算：ΔE＝Δmc2.(1)若Δm单位为kg，则ΔE的单位为J；(2)若Δm单位为u，则ΔE的单位为MeV，可直接利用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算核能．3．重核的裂变(1)核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的较轻原子核，并放出核能的过程．(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235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n.(3)链式反应：这种由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应．(4)链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于临界体积．4．核聚变(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变．轻核聚变必须在高温下进行，因此又叫热核反应．(2)能量变化：轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量．(3)核反应举例：21H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV.(4)核反应条件：必须使原子核的距离达到10－15 m以内，为达到这么近的距离，一般需要在高温下进行．5．核能的利用利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒；(2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水作减速剂；(3)控制棒：利用镉吸收中子的能力很强的特性，在反应堆中采用插入镉棒的方法控制链式反应的速度．(4)冷却系统：利用水或液态的金属钠等流体作为冷却剂，在反应堆内外循环流动，把反应堆中的热量传输出去.一、核裂变和链式反应[问题设计](1)铀核裂变是如何发生的？(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗？答案(1)铀核的裂变①核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状．②核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应．(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地发生．铀核裂变不会自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂产生更多的中子，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，这样就形成了链式反应．[要点提炼]1．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，其中两种典型的反应是235 92U ＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n；235 92U＋10n→136 54Xe＋9038Sr＋1010n.2．链式反应由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应．3．链式反应的条件(1)铀块的体积大于临界体积．(2)有足够数量的慢中子．二、裂变过程中核能的分析与计算[问题设计]重核裂变为什么能释放核能？人们获得核能的途径有哪些？通过图1说明．图1答案中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重核和轻核的核子的平均质量较大．如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核B和C，会有质量亏损，放出巨大的核能．获得核能的主要途径：一是重核裂变，二是轻核聚变．[要点提炼]铀核裂变释放核能的计算1．首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm.2．根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能计算时要注意Δm与ΔE单位的对应关系：若Δm用kg做单位，则ΔE用J做单位；若Δm用u做单位，则ΔE用MeV做单位，1 u相当于931.5 MeV的能量．3．若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE.三、轻核的聚变1．聚变两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变．聚变反应又称为热核反应．2．聚变方程：21H＋31H→42He＋10n.3．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力，要求使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万度以上的高温．4．重核裂变与轻核聚变的区别一、对重核裂变的理解及应用例1 (单选)关于重核的裂变，下列说法正确的是( )A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应C．重核裂变释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能解析根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程．因而其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积．如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中核子数是不会减少的，如235 92U裂变为9038Sr和136 54Xe的核反应，其核反应方程为：235 92U＋10n→9038Sr＋136 54Xe ＋1010n查阅相关资料可得其中各粒子质量分别为m U＝235.043 9 u，m n＝1.008 67 um Sr＝89.907 7 u，m Xe＝135.907 2 u质量亏损为Δm＝(m U＋m n)－(m Sr＋m Xe＋10m n)＝0.151 0 u可见铀裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C错误．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，发生质量亏损，从而释放出核能．综上所述，选项D正确．答案 D例2 用中子轰击铀核(235 92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(141 56Ba)和氪(9236Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：m U＝390.313 9×10－27 kg，m n＝1.674 9×10－27 kg；m Ba＝234.001 6×10－27 kg，m Kr＝152.604 7×10－27 kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒，就可以写出核反应方程．根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能．铀核裂变方程为10n＋235 92U→141 56Ba＋9236Kr＋310n，则核反应前后的质量亏损为Δm＝m U＋m n－m Ba－m Kr－3m n＝0.357 8×10－27 kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J＝3.220 2×10－11J.答案 10n ＋23592U→14156Ba ＋9236Kr ＋310n 3.220 2×10－11J二、对轻核聚变的理解及核能计算例 3 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源． (1)写出这个核反应方程． (2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026J ，则太阳每秒减少的质量为多少千克？ (m p ＝1.007 3 u ，m He ＝4.001 5 u ，m e ＝0.000 55 u) 解析 (1)由题意可得核反应方程应为411H→42He ＋2 0＋1e.(2)反应前的质量m 1＝4m p ＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u ，反应后的质量m 2＝m He ＋2m e ＝4.001 5 u ＋2×0.000 55 u＝4.002 6 u ，Δm ＝m 1－m 2＝0.026 6 u ，由质能方程得，释放能量ΔE ＝Δmc 2＝0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV. (3)由质能方程ΔE ＝Δmc 2得每秒减少的质量 Δm ＝ΔE c 2＝3.8×10263×108 2 kg ＝4.2×109 kg.答案 (1)411H→42He ＋2 0＋1e (2)24.78 MeV (3)4.2×109kg1.裂变和聚变⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧核裂变⎩⎪⎨⎪⎧定义及发现链式反应的条件⎩⎪⎨⎪⎧ V ≥V临足够的慢中子应用⎩⎪⎨⎪⎧ 原子弹核电站核聚变⎩⎪⎨⎪⎧定义聚变发生的条件受控热核反应⎩⎪⎨⎪⎧ 优点可控方案2．核能的利用⎩⎪⎨⎪⎧核反应堆核电站1．(双选)关于铀核裂变，下列说法正确的是( )A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B．铀核裂变时能同时释放2～3个中子C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235D．铀块的体积对产生链式反应无影响答案BC解析铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况比较多，也有的分裂成多块，并放出2～3个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故B、C正确．2．(单选)下列关于聚变的说法中，不正确的是( )A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B．轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫做热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行答案 D解析轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文时才有这样的能量，这样高的温度通过利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错误．3．(单选)1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(N A为阿伏加德罗常数)( )A．N A×196 MeVB．235N A×196 MeVC．235×196 MeVD.N A235×196 MeV答案 D解析由于1 mol的铀核质量为235 g,1 g铀235 的物质的量为1235mol，因此1 g铀235释放的能量E＝N A235×196 MeV，故D正确．4．(单选)一个235 92U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为235 92U ＋10n→X＋9438Sr＋210n，则下列叙述正确的是( )A．X原子核中含有86个中子B．X原子核中含有141个核子C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少答案 A解析X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误；中子数为140－(92－38)＝86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错误．5．(双选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是( ) A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H→42He＋10nB．“人造太阳”的核反应方程是235 92U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋310nC．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同答案AC解析21H＋31H→42He＋10n是氢核聚变方程，故A项正确；根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确．[概念规律题组]1．(单选)在原子核的人工转变过程中，科学家常用中子轰击原子核，这是因为( ) A．中子的质量较小B．中子的质量较大C．中子的能量较大D．中子是电中性的答案 D解析科学家常用中子轰击原子核，这是因为中子不带电，比其他带电粒子更能充分地接近原子核，故正确选项是D.2．(单选)下列核反应中，属于核裂变反应的是( )A.105B＋10n→73Li＋42HeB.238 92U→234 90Th＋42HeC.147N＋42He→178O＋11HD.235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n答案 D解析由核裂变反应的特点知，D正确．3．(单选)镉棒在核反应堆中所起的作用是( )A．使快中子变成慢中子B．使慢中子变成快中子C．使反应速度加快D．控制反应速度，调节反应速度的快慢答案 D解析在核反应堆中石墨(重水)起变快中子为慢中子的作用．镉棒又叫控制棒，起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，故D正确．4．(双选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一．下列释放核能的反应方程中，表述正确的是( )A.31H＋21H→42He＋10n是核聚变反应B.31H＋21H→42He＋10n是β衰变C.235 92U＋10n→141 56Ba＋8936Kr＋310n是核裂变反应D.235 92U＋10n→140 54Xe＋9438Sr＋210n是α衰变答案AC解析B项为轻核聚变，β衰变的实质为一个中子转化为一个质子后释放出一个电子，选项B错误；α衰变的实质是释放氦核(α粒子)，而D项是重核裂变，并未释放α粒子，选项D错误，正确选项为A、C.5．(单选)在核反应方程235 92U＋10n→9038Sr＋136 54Xe＋k X中( )A．X是中子，k＝9B．X是中子，k＝10C．X是质子，k＝9D．X是质子，k＝10答案 B解析设X的电荷数是Z，质量数是A，根据核反应的关系式，由电荷数守恒得92＋0＝38＋54＋k Z解得k Z＝0，又由质量数守恒得235＋1＝90＋136＋k A解得k A＝10.综合解得k≠0，Z＝0，可知X是中子；A＝1，k＝10，可知选项B正确．6．(双选)关于聚变，以下说法正确的是( )A．两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核，同时吸收能量B．同样质量的物质发生核聚变反应时放出的能量比同样质量的物质发生核裂变反应时释放的能量大得多C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能答案BD7．(单选)关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( )A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量大C．聚变反应中粒子的比结合能变小D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后总质量变大答案 B[方法技巧题组]8．(单选)一个铀235吸收一个中子后发生的核反应方程是235 92U＋10n→136 54Xe＋9038Sr＋1010n，放出的能量为E，铀235核的质量为M，中子的质量为m，氙136核的质量为m1，锶90核的质量为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于( )A．(M－m1－m2)c2B．(M＋m－m1－m2)c2C．(M－m1－m2－9m)c2D．(m1＋m2＋9m－M)c2答案 C解析铀235裂变时的质量亏损：Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝M－m1－m2－9m，由质能方程可得E＝Δmc2＝(M－9m－m1－m2)c2.9．(单选)某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为11H ＋12 6C→13 7N＋Q1，11H＋15 7N→12 6C＋X＋Q2.方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：以下推断正确的是( )A ．X 是32He ，Q 2 ＞Q 1 B ．X 是42He ，Q 2 ＞Q 1 C ．X 是32He ，Q 2 ＜Q 1 D ．X 是42He ，Q 2 ＜Q 1 答案 B解析 本题考查核反应方程的书写和计算核反应释放的能量，意在考查考生的推理判断和运算能力．由核反应过程必须遵守质量数守恒和电荷数守恒知X 是42He.放出热量分别为Q 1和Q 2的两个核反应中质量亏损分别为0.002 1 u 和0.0053 u ，故Q 2＞Q 1. 10．(单选)我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于23592U 的裂变，现有四种说法：①23592U 原子核中有92个质子，143个中子；②23592U 的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程为23592U ＋10n→13954Xe ＋9538Sr ＋210n ；③235 92U 是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45 亿年，升高温度半衰期缩短； ④一个23592U 裂变能放出200 MeV 的能量，合3.2×10－11J.以上说法中完全正确的是( )A ．①②③ B．②③④ C．①③④ D．①②④ 答案 D解析 由235 92U 的质量数和电荷数关系易知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算知④正确，故答案为D. 11．在氢弹爆炸中发生的核聚变方程为21H ＋31H→42He ＋10n ，已知21H 的质量为2.013 6 u ，31H 的质量为3.016 6 u ，42He 的质量为4.002 6 u ，10n 的质量为1.008 7 u ，阿伏加德罗常数N A ＝6.02×1023mol －1，求此氢弹爆炸中合成1 kg 的氦时所释放的能量． 答案 2.65×1027 MeV解析 由题意可知，当一个21H 核与一个31H 核发生反应合成一个42He 核时放出的能量为 ΔE ＝Δmc 2＝0.018 9×931.5 MeV≈17.6 MeV而1 kg 氦中含有的原子数目为N ＝10004×6.02×1023＝1.505×1026(个)所以合成1 kg 氦核时所放出的总能量为E ＝N ΔE ≈2.65×1027MeV [创新应用题组]12．一个原来静止的锂核(63Li)俘获一个速度为7.7×104m/s 的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103m/s ，方向与中子的运动方向相反． (1)试写出核反应方程． (2)求出氦核的速度大小．(3)若让一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核，同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量．(已知氘核质量为m D ＝2.014 102 u ，氚核质量为m T ＝3.016 050 u ，氦核质量m He ＝4.002 603 u ，中子质量m n ＝1.008 665 u ，1 u ＝1.660 6×10－27 kg) 答案 (1)63Li ＋10n→31H ＋42He (2)2×104 m/s (3)2.82×10－12 J 解析 (1)63Li ＋10n→31H ＋42He(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得 m n v 0＝－m T v 1＋m He v 2v 2＝m n v 0＋m T v 1m He＝1×7.7×104＋3×1.0×1034m/s ＝2×104 m/s(3)核反应方程为21H ＋31H→42He ＋10n质量亏损为：Δm ＝m D ＋m T －m He －m n＝(2.014 102＋3.016 050－4.002 603－1.008 665) u ＝0.018 884 u≈3.136×10－29 kg 根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2＝3.136×10－29×(3×108)2 J≈2.82×10－12 J。
高中创新设计物理粤教版选修3-5学案：4-64-7 核能利用 小粒子与大宇宙 Word版含解析
第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙[目标定位] 1.了解裂变反应堆的工作原理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨度．一、反应堆1．核反应堆是人工控制链式反应的装置．它主要由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒；(2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水作减速剂；(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．2．工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高．3．能量输出：利用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．4．核污染的处理：修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，埋入深地层来处理．二、核电站、核能利用1．核电站利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站．2．核能利用(1)核力发电；(2)核动力；(3)原子核物理实验制造各种放射性同位素．三、小粒子与大宇宙1．从小粒子到大宇宙——空间跨度(1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次大爆炸，其后逐渐诞生出恒星、星团、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今天的宇宙世界．(2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从10－15_m到1027_m，共跨越了约42个数量级．2．从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度(1)宇宙的年龄的数量级：1018_s.(2)微观粒子的最短寿命：10－25_s.(3)物质世界的时间尺度：约从10－25_s到1018_s，跨越了将近43个数量级．预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题1问题2问题3一、核反应堆裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结构和工作原理如下表：组成部分材料作用裂变材料(核燃料)浓缩铀(23592U)提供核燃料慢化剂(减速剂)石墨、重水和普通水使裂变产生的快中子减速控制棒镉吸收减速后的中子，控制反应速度反射层石墨阻止中子逃逸热交换器水产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电防护层金属套和钢筋混凝土防止射线对人体及其他生物体的侵害速剂．中子在重水中可与21H核碰撞减速，在石墨中与12 6C核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？ 答案 见解析解析 设中子质量为m n ，靶核质量为m ，由动量守恒定律得：m n v 0＝m n v 1＋m v 2由能量守恒得：12m n v 02＝12m n v 12＋12m v 22解得v 1＝m n －m m n ＋m v 0， 在重水中靶核质量m H ＝2m nv 1H ＝m n －m H m n ＋m Hv 0＝－13v 0， 在石墨中靶核质量m C ＝12m n ，v 1C ＝m n －m C m n ＋m Cv 0＝－1113v 0 与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．借题发挥 (1)中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒．(2)因为靶核的质量大于中子的质量，故靶核的质量比中子的质量大得越少，减速效果越好，如质量相等时可以使中子的速度减为零．针对训练1 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，以改变中子数D ．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度答案 C解析 控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目．二、核电站的工作原理核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平利用，因此核电站是可控的链式反应．铀235裂变需要一定的条件：(1)要有足够浓度的铀235；(2)要有足够数量的慢中子；(3)铀块的体积要大于临界体积．当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能，这就叫链式反应．原子弹中裂变一旦开始，裂变放出的快中子，又引起其他铀核裂变的速度很快，在极短的时间内释放大量的能量，因此杀伤力强大．在核电站中，核反应堆是热源，如图1为简化的核反应堆的示意图：图1铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成．石墨(或重水)为减速剂，使反应生成的快中子变为慢中子，利于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围．镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些，吸收中子少，反应速度加快．采用电子仪器自动地调节控制棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作．【例2】在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．(1)核反应方程式235 92U＋10n―→141 56Ba＋9236Kr＋a X是反应堆中发生的许多核反应中的一种，10n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝__________.以m U、m Ba、m Kr分别表示235 92U、141 56Ba、9236Kr的质量，m n、m p分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE ＝________.(2)有一座发电能力为P＝1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40 %.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，铀核的质量m U＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的235 92U的质量．答案(1)10n3(m U－m Ba－m Kr－2m n)c2 (2)1 104 kg解析(1)由反应方程可知：X为10n，a为3，释放的能量为ΔE＝(m U－m Ba－m Kr－2m n)c2.(2)因核电站发电效率为40 %，故核电站消耗23592U的功率为P′＝P40 %＝1.00×10640 %kW＝2.5×106 kW.核电站每年消耗23592U的能量为W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J 产生这些能量消耗的铀核的数目：n＝WΔE＝7.875×1016 J2.78×10－11 J≈2.83×1027(个)每年消耗23592U的质量为M＝nm U＝2.83×1027×390×10－27 kg≈1 104 kg.针对训练21964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代．(1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸．①完成核裂变反应方程式：23592U＋10n→()Xe＋9438Sr＋210n＋200 MeV②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？产生这种反应的条件必须是什么？(2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需采用哪些措施？(举两种)答案(1)①14054②链式反应中子再生率大于1(2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；放射性核废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理．三、对粒子的认识【例3】正电子、负质子等都属于反粒子，它们跟普通电子、质子的质量、电量均相等，而电性相反．科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的科研机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是()A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C．由一个不带电荷的中子与一个带负电荷的电子构成D．由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成答案 B解析反氢原子的结构是由反粒子构成的物质，正电子、负质子等都属于反粒子核反应堆1．原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置．它主要有哪四部分组成()A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统C．原子燃料、调速剂、碰撞系统和控制调节系统D．原子燃料、减速剂、原子能聚存系统和输送系统答案 A解析目前核反应组成有：原子燃料、减速剂、控制调节系统、与冷却系统．2．关于原子核反应堆，下列说法不正确的是()A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能B．镉棒的作用是控制反应堆的功率C．石墨的作用是吸收中子D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能答案 C解析铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，A对；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，B对；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，C 错；水或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，控制温度，D对．核电站3．秦山核电站第三期工程的两个6×105kW发电机组已实现并网发电. 发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是()A．反应堆中核反应速度通常是采用调节U的体积来控制的B.U的一种可能的裂变是C.U是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短D．虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污染比火电站严重答案 B解析反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制，A错；U 裂变有多种可能性，是其中常见的一种，B对；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度、压强等外界条件无关，C错；核电站的核能是清洁能源，污染少，D错．(时间：60分钟)题组一核反应堆1．利用重核裂变释放核能时选用铀235核，主要原因是()A．它裂变放出核能比其他重核裂变多B．它可能分裂成三部分或四部分C．它能自动裂变，与体积无关D．它比较容易发生链式反应答案 D解析铀235俘获任何能量的中子都会发生裂变反应，故D正确．2．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是() A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度答案 C解析镉棒并不能释放中子，也不能使中子减速，对铀核裂变也没有阻碍作用，而是利用对中子吸收能力强的特点，控制中子数量的多少而控制核反应速度，故C正确．3．镉棒在核反应中的作用是()A．使快中子变成慢中子B．使慢中子变成快中子C．使反应速度加快D．控制反应速度，调节反应速度的快慢答案 D解析在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子，控制反应速度，调节反应速度的快慢．4．为使链式反应平稳进行，可采用下列的办法()A．铀块可制成任何的体积B．铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核C．通过慢化剂将产生的中子减速D．用镉棒可作为慢化剂使中子减速答案 C解析由于使铀块发生链式反应的体积应大于临界体积，故A错误；铀核裂变释放出的为快中子，不能直接再去轰击铀核，必须用慢化剂减速，而镉棒是用于控制中子数量的，故C正确，B、D错误．题组二核电站5．(多选)山东荣成石岛湾核电站总装机规模400 万千瓦．核电站与火电站相比较，其优势在于()A．核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远多于煤炭C．核电站造成的污染大于相等发电能力的火电站D．核电站比火电站更容易建造答案AB解析核电站与火电站相比，相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多．地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍．只要措施得当，核电站造成的污染很小，核能属于清洁能源，A、B均正确，C错误；核电站的建造难度较大，D错误．6．(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是()A．核能发电对环境的污染比火力发电要小B．核能发电对环境的污染比火力发电要大C．目前所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D．目前既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能答案AC解析目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故A、C正确，B、D错．7．我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，现有四种说法：①U原子核中有92个质子，143个中子；②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程为③235 92U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45 亿年，升高温度半衰期缩短；④一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J.以上说法中完全正确的是()A．①②③B．②③④C．①③④D．①②④答案 D解析由U的质量数和电荷数关系知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算知④正确，故答案为D.题组三对粒子的认识8．现在科学家们正在设法探寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反．据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数分别为()A．－4，－2 B．4，－2C．－4,2 D．4,2答案 B解析因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反．所以，反α粒子质量数为4，电荷数为－2.9．K－介子衰变的方程为K－―→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是带负电的基元电荷，π0介子不带电．如图1所示的1个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P 点相切，它们的半径R K－与Rπ－之比为2∶1.π0介子的轨迹未画出．由此可知π－的动量大小与π0的动量的大小之比为()图1A．1∶1 B．1∶2C．1∶3 D．1∶6答案 C解析带电粒子K－与π－在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力Bq v＝m v2R得R＝m vBq＝pBq，K－介子与π－介子带电量相同，故运动的半径之比等于动量之比p K－∶pπ－＝R K－∶Rπ－＝2∶1，在衰变后π－介子与π0介子动量方向相反，设K－介子的动量为正，则π－介子动量为负值，由动量守恒p K－＝－pπ－＋pπ0，则pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D错，C对．题组四综合应用10．如下一系列核反应是在恒星内部发生的：其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，μ为一种中微子．已知质子的质量m p ＝1.672 648×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.644 929×10－27kg，正电子的质量m e＝9.11×10－31 kg，中微子的质量可忽略不计．真空中的光速c＝3.0×108m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量．答案 3.95×10－12 J解析为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的各核反应方程左、右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p―→α＋2e＋＋2μ.设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得4m p c2＝mαc2＋2m e c2＋Q，代入数据可得Q≈3.95×10－12 J.11．一个原来静止的锂核(63Li)俘获一个速度为7.7×104 m/s的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103 m/s，方向与中子的运动方向相反．(1)试写出核反应方程；(2)求出氦核的速度大小；(3)若一个氘核和一个氚核发生聚变时可产生一个氦核，同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量．(已知氘核质量为m D＝2.014 102 u，氚核质量为m T ＝3.016 050 u，氦核质量m He＝4.002 603 u，中子质量m n＝1.008 665 u,1 u＝1.660 6×10－27 kg)答案 (1)63Li ＋10n ―→31H ＋42He(2)2×104 m/s(3)2.82×10－12 J解析 (1)63Li ＋10n ―→31H ＋42He(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得 m n v 0＝－m T v 1＋m He v 2v 2＝m n v 0＋m T v 1m He ＝1×7.7×104＋3×1.0×1034 m/s ＝2×104 m/s(3)质量亏损为Δm ＝m D ＋m T －m He －m n＝(2.014 102＋3.016 050－4.002 603－1.008 665) u ＝0.018 884 u ≈3.136×10－29 kg根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2＝3.136×10－29×(3×108)2 J ≈2.82×10－12 J。
核力与结合能-粤教版选修3-5教案
核力与结合能-粤教版选修3-5教案一、教学目标1.了解原子核的组成结构及其性质；2.理解核力的作用机理及特点；3.掌握原子核的结合能的计算方法和物理意义；4.学会应用结合能对核反应的能量变化进行计算。
二、教学内容1. 原子核的组成结构及其性质1.原子核的组成及尺寸：质子和中子组成原子核，尺寸一般为10−15米级别；2.原子核的电荷：原子核带正电荷，其大小与原子序数相等；3.原子核的质量：原子核的质量重于电子，因此核外电子对核的性质影响较小；4.同位素和同位素核素：原子核中质子和中子的比例不同，则称为同位素，同位素在原子核素中的比例不同，则称为同位素核素；5.核自旋：核自旋是指原子核旋转的角动量。
2. 核力的作用机理及特点1.核力的基本特点：核力为强相互作用力，作用范围极小，只作用于原子核内部的质子和中子之间，是一种非常强的作用力；2.核力的作用机理：核力来源于夸克之间的强相互作用，它是夸克引力的代表，表现为同类的夸克之间互相吸引，不同类夸克之间互相排斥的作用；3.核力的特点：核力对质子和中子作用相等，不产生电磁相互作用，延伸距离很短，是一种短程力。
3. 原子核的结合能的计算方法和物理意义1.结合能的定义：原子核的结合能是指核内的质子和中子保持在一起所需克服核力的能量，具有负值；2.结合能的计算方法：可以通过质子和中子的质量和原子核的质量差计算得到，也可以根据爱因斯坦的质能方程计算；3.结合能的物理意义：原子核的结合能决定了原子核的稳定性和核反应过程的能量变化。
4. 应用结合能对核反应的能量变化进行计算1.核反应及其类型：核反应是指核发生改变的过程，常见的核反应有核衰变和核裂变等；2.能量守恒定律：核反应遵守能量守恒定律，反应前后能量守恒；3.核反应的能量变化计算：可以根据反应前后的结合能差计算反应释放或吸收的能量。
三、教学方法采用讲授和实验相结合的方式进行教学，引导学生通过实验观察、分析和解决问题，培养学生的实验能力，加深学生对原子核物理的认识和理解。
高中物理选修3-5教学设计 4.4 核能利用与环境保护 教案
4.4核能利用与环境保护（一）知识与技能1.知道什么是核反应堆。
了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点。
2．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。
（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：可供实物投影、放像、课件播放等。
课时安排:1 课时教学过程（一）引入新课教师：1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功。
从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，我国仅用了两年零八个月。
前苏联用了四年，美国用了7年。
学生：学生认真仔细地听课点评：通过介绍我国第一氢弹爆炸，激发同学们的爱国热情。
（二）进行新课1、核电站核核反应堆各组成部分在核反应中起什么作用？铀棒由浓缩铀制成，作为核燃料。
控制棒由镉做成，用来控制反应速度。
减速剂由石墨、重水或普通水（有时叫轻水）做成，用来跟快中子碰撞，使快中子能量减少，变成慢中子，以便让U235俘获。
冷却剂由水或液态的金属钠等流体做成，在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出，确保反应堆的安全。
学生回答：水泥防护层用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，防止核辐射。
核能发电的优点、缺点？优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济。
缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染；②核废料处理困难。
点评：学生用自己的语言叙述，基本正确即可。
补充：了解常用裂变反应堆的类型：秦山二期、大亚湾二期是压水堆，秦山三期是沸水堆。
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。
核能利用-粤教版选修3-5教案
核能利用-粤教版选修3-5教案一、教学目标1.知道核能利用的定义及基本原理；2.掌握核聚变和核裂变的区别；3.了解核能的利与弊；4.掌握核能发电的过程及其在世界和我国的应用情况。
二、教学重难点1.教学重点1.核能利用的基本原理；2.核聚变和核裂变的区别；3.核能发电的过程及应用情况。
2.教学难点1.确定学生的学科基础，避免出现知识盲区；2.让学生深入了解核聚变和核裂变的区别。
三、教学过程建议1.引入1.热身：让学生观看视频，了解常见的能源有哪些；2.引入：让学生掌握核能利用的概念及基本知识。
2.讲解1.核聚变和核裂变的区别；2.核能发电的过程及应用情况。
3.练习1.进行小组讨论，让学生交流核聚变和核裂变的优缺点；2.为学生提供一份核能发电的图表，让学生根据图表了解世界各国及我国核能发电的规模及构成。
4.总结1.总结核能发电的过程及应用情况；2.分享学生关于核聚变和核裂变的看法。
四、教学方法1.以小组讨论、小组辩论、课堂讲解、引导发现为主要教学方法；2.使用核能发电的图表、视频等方式深入了解核能的利与弊以及在世界或我国的应用情况。
五、教学资源1.核能及核能发电知识的相关书籍、视频等；2.与核能有关的图表。
六、教学评估1.观察每一位学生在讨论中的表现；2.作业上的表现能力；3.离线小组作业（讨论和辩论）的表现能力；4.针对学生学习能力进行口头和书面反馈。
七、教学替代方案如果没有足够的资源和时间，可以选择以下教学模式：1.单机电脑教学；2.点对点教学；3.教师录制的视频教学资源。
八、教学总结通过教学，学生学会了核能利用的基本原理及应用情况，可以通过相关图表等方式进行深入了解。
同时，学生也掌握了核聚变和核裂变的区别，并且了解了核能利与弊。
高中物理第四章原子核4.4核力与结合能教学案粤教版选修3-5(new)
第四节核力与结合能［目标定位］ 1.知道核力及其性质。
2。
知道重核与轻核中中子数与质子数的数量多少关系。
3.掌握结合能和平均结合能的概念。
4。
知道质量亏损，理解爱因斯坦质能方程,并能进行有关核能的计算．一、核力及其性质1．组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力称为核力．2．核力是一种很强的力，在它的作用范围内核力比库仑力大的多．3．核力是一种短程力．在约0.5×10－15～2×10－15 m的距离内主要表现为引力；大于2×10－15 m的距离时核力就迅速减小为零；在小于0。
5×10－15 m的距离内,核力又转变为强大的斥力而使核子不融合在一起．二、重核与轻核原子核中的质子数又称为原子序数，排在周期表比较靠后的元素对应的原子核叫做重核，排在比较靠前的叫做轻核．一般排在周期表最前面的轻核的质子和中子数相等,但是大多数重核是中子多于质子．三、结合能1．结合能：根据能量守恒，核子结合成原子核时也会放出一定的能量，这个能量叫做原子核的结合能．2．用高能量的γ光子照射氘核，可以使它分解为质子和中子，核反应方程是γ＋21H→错误!H ＋10n.γ光子的能量大于或等于2。
22 MeV。
相反的过程,一个中子和一个质子结合成氘核会释放出2。
22 MeV的能量．这个能量以γ光子的形式辐射出去．核反应方程是10n＋错误!H→错误!H＋γ.3．平均结合能:原子核的结合能与核子数之比称为该原子核的平均结合能．它反映了一个原子核结合的紧密程度，平均结合能越大,表示原子核结合得越稳定．4．爱因斯坦质能方程：E＝mc2或ΔE＝Δmc2想一想有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？答案不对．在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只是核子组成原子核时，仿佛变“轻"了一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损,核子的个数并没有变化．预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题1问题2问题3一、对核力的理解核力是原子核内核子与核子之间的相互作用，它发生在质子与质子之间、质子与中子之间、中子与中子之间,是一种超短程力，且是一种强相互作用，在作用的范围内，核力远大于库仑力．【例1】（多选)对于核力，以下说法正确的是（）A．核力是弱相互作用，作用力很小B．核力是强相互作用的表现，是强力C．核子之间的距离小于0。
4.6-4.7 核能利用 小粒子与大宇宙 学案(2020年粤教版高中物理选修3-5)
4.6-4.7 核能利用小粒子与大宇宙学案（2020年粤教版高中物理选修3-5）第六节第六节核能利用核能利用第七节第七节小粒子与大宇宙小粒子与大宇宙学科素养与目标要求物理观念1.了解反应堆的工作原理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨度.科学态度与责任1.如何获取更安全.更丰富的能源.2.了解如何防止核污染.一.反应堆1.核反应堆是人工控制链式反应的装置.它主要由以下几部分组成1燃料铀棒；2减速剂使铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨.重水作减速剂；3控制棒为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度.2.工作原理核燃料裂变释放的能量，使反应堆的温度升高.3.能量输出利用水.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.4.核污染的处理；修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，埋入深地层来处理.二.核电站.核能利用1.核电站利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站.2.核能利用1核能发电；2核动力；3原子核物理实验制造各种放射性同位素.三.小粒子与大宇宙1.从小粒子到大宇宙空间跨度1大爆炸宇宙模型大约150亿年前突然发生一次大爆炸，其后逐渐诞生出恒星.星团.脉冲星.超新星.黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今天的宇宙世界.2人类所能研究的物质世界的空间尺度约从1015m到1027m，共跨越了大约42个数量级.2.从粒子寿命到宇宙年龄时间跨度1宇宙的年龄的数量级1018s.2微观粒子的最短寿命1025s.3物质世界的时间尺度约从1025s到1018s，跨越了将近43个数量级.1.判断下列说法的正误.1核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度.2核反应堆用过的核废料无毒无害.3质子.中子不能再分.4夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍.2.核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，23592U是核电站常用的核燃料.23592U受一个中子轰击后裂变成14456Ba和8936Kr两部分，并产生个中子.要使链式反应发生，裂变物质的体积不能选填“大于”或“小于”它的临界体积.答案3小于解析由质量数和电荷数守恒可知，裂变的核反应方程为23592U10n14456Ba8936Kr310n，可见产生了3个中子；链式反应的一个条件是裂变物质的体积必须大于或等于它的临界体积.一.核反应堆与核电站1.核反应堆的主要部件及作用如下表部件名称项目减速剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨.重水或普通水也叫轻水镉水或液态的金属钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染2.核电站发电的优点1消耗的核燃料少.2作为核燃料的铀在地球上可采储量大，所能提供的能量大.3对环境的污染要比火力发电小.例1多选关于核反应堆，下列说法正确的是A.铀棒是核燃料，裂变时释放核能B.镉棒的作用是控制反应堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和传输热量答案ABD解析铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故C错误；冷却剂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，控制温度，故D正确.例2在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水.重水和石墨等常用作减速剂.中子在重水中可与21H核碰撞减速，在石墨中与126C核碰撞减速.上述碰撞可简化为弹性碰撞模型.某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好答案见解析解析设中子质量为mn，靶核质量为m，由动量守恒定律得mnv0mnv1mv2由能量守恒得12mnv0212mnv1212mv22解得v1mnmmnmv0，在重水中靶核质量mH2mnv1HmnmHmnmHv013v0，在石墨中靶核质量mC12mn，v1CmnmCmnmCv01113v0与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好.1中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒.能量守恒.2因为靶核的质量大于中子的质量，故靶核的质量比中子的质量大得越少，减速效果越好，如质量相等时可以使中子的速度减为零.二.粒子的分类和夸克模型1.粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注强子参与强相互作用质子.中子.介子.超子强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子轻子不参与强相互作用电子.电子中微子.子.子中微子.子.子中微子未发现内部结构媒介子传递各种相互作用光子.中间玻色子.胶子光子.中间玻色子.胶子分别传递电磁.弱.强相互作用2.夸克模型1夸克的提出1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的.2夸克的种类上夸克u.下夸克d.奇异夸克s.粲夸克c.底夸克b和顶夸克t.3夸克所带电荷夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的23或13.例如，上夸克带的电荷量为2e3，下夸克带的电荷量为e3.4意义电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷.3.粒子与反粒子随着科学技术的发展，人们发现了更多的粒子，一方面“基本粒子”不基本，另一方面发现了反粒子.粒子的质量.寿命.自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这类粒子叫做反粒子，例如电子的反粒子是正电子，带正电荷，质子的反粒子是反质子，反质子带负电荷.例3多选已知介子.介子都是由一个夸克夸克u或夸克d和一个反夸克反夸克u或反夸克d组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e 为元电荷.粒子udud带电荷量ee2e3e32e3e3下列说法正确的是A.由u和d组成B.由d和u组成C.由u和d组成D.由d和u组成答案AD解析因介子带有e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u带23e和反夸克d带13e 合成电荷量为e，那么介子就是由夸克u和反夸克d组成的；同理，介子由夸克d和反夸克u组成，所以A.D正确.针对训练xx年3月31日，欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功.科学家希望以接近光速飞行的质子在发生撞击之后，能模拟宇宙大爆炸的能量，并产生新的粒子，帮助人类理解暗物质.反物质以及其他超对称现象，从根本上加深了解宇宙本质，揭示宇宙形成之谜.欧洲科研机构宣布他们已经制造出9个反氢原子.请推测反氢原子的结构是A.由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成B.由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成C.由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成D.由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成答案B 解析根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异种电荷.因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量.相反的电荷符号与等量的电荷量，所以B正确.1.链式反应的认识链式反应中，重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是A.质子B.中子C.粒子D.粒子答案B解析在重核的裂变中，铀235需要吸收一个慢中子后才可以发生裂变，所以重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是中子.2.对宇宙粒子的理解以下说法正确的是A.最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子B.质子.中子.介子和超子都属于强子C.强子.轻子都有内部结构D.子质量比核子质量大，子不属于轻子答案B解析最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，所以A错误；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，所以C错误；质子.中子.介子.超子都属于强子，所以B正确；子质量比核子质量大，但子仍属于轻子，所以D错误.3.核能的计算裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核23592U为燃料的反应堆中，当23592U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为23592U10n13954Xe9438Sr310n235.04391.0087138.917893.9154反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量以原子质量单位u为单位，已知1u的质量对应的能量为931.5MeV，此裂变反应释放出的能量是MeV.答案180解析此裂变反应的质量亏损为235.04391.0087u138.917893.915431.0087u0.1933u，由于1u的质量对应的能量为9 31.5MeV，E931.50.1933MeV180MeV.。
2024-2025学年高中物理第4章第5节裂变和聚变教案粤教版选修3-5
答案：核能作为一种新型能源，具有清洁、高效、安全等优点。但核能利用的潜在风险主要包括核事故、核废料处理等。
（3）简述核废料的处理方法及其对环境的影响。
答案：核废料的处理方法包括地质储存、海洋储存、化学固定等。核废料处理对环境的影响主要体现在核废料的长期储存可能对地下水和土壤造成污染，以及核废料的运输和储存过程中可能发生事故，对环境和人类健康造成威胁。
作用与目的：
- 帮助学生初步掌握裂变和聚变的基础概念。
- 培养学生自主学习习惯和初步的问：
- 导入新课：通过介绍核能的重要性和现实应用，激发学生兴趣。
- 讲解知识点：详细讲解裂变和聚变的过程、应用及其环境影响。
- 组织课堂活动：开展小组讨论，让学生分析核能的利弊，如讨论核能的安全问题和未来发展趋势。
教学实施过程
1. 课前自主探索
教师活动：
- 发布预习任务：提供包含裂变和聚变概念、原理及其应用的PPT、视频等预习资料，明确学习目标。
- 设计预习问题：提出如“核裂变和聚变有何异同？”“核能利用的潜在风险有哪些？”等问题，引导学生深入思考。
- 监控预习进度：通过在线平台检查学生的预习笔记和疑问提交情况。
（2）视频：播放与核能相关的科普视频，让学生更直观地了解核能的原理和应用，增强学生的学习体验。
（3）在线工具：利用互联网资源和在线工具，如科普文章、研究报告等，为学生提供丰富的学习资料，方便学生自主学习和探究。
（4）互动平台：利用班级互动平台，为学生提供在线提问、讨论等功能，方便学生随时提出问题，促进师生之间的互动与交流。
（3）核能作为一种新型能源，具有清洁、高效、安全等优点。
（4）核废料的处理方法包括地质储存、海洋储存、化学固定等。
高中物理第四章原子核4.6核能利用4.7小粒子与大宇宙课件粤教版选修3_5
一二
知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用
【例1】 原子反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置, 它主要由四部分组成( ) A.原子燃料、减速剂、冷却系统、控制调节系统 B.原子燃料、减速剂、发热系统、传热系统 C.原子燃料、减速剂、碰撞系统、传热系统 D.原子燃料、中子源、原子能储存系统、输送系统
一二
一、核电站
知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用
1.核电站的工作原理 原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来.核电站 是利用缓慢释放的核能来发电,这是核能的和平利用.现在世界上 已有不少国家建有核电站,我国已建成使用和正在建设的核电站必 将为现代化的建设提供能源保障. 2.核反应堆——核电站的心脏 裂变反应堆是核电站的“心脏”,这是一种人工控制链式反应的装置, 可以使核能较平缓地释放出来,裂变反应堆的结构和工作原理如下 表.
目标导航 预习导引
一二三
目前世界上各个国家的核电站是利用核裂变还是核聚变获得核 能的?
答案:目前核裂变的和平利用技术已经成熟,但核聚变的控制技 术尚处在试验阶段.所以目前世界上的所有核电站都是利用核裂变 来获得核能的.
目标导航 预习导引
一二三
三、小粒子与大宇宙 1.空间跨度 (1)大爆炸宇宙模型:大约150亿年前突然发生一次大爆炸,其后逐
石墨
阻止中子逃逸
层)
热交 换器
水
产生高温高压蒸汽,推 动蒸汽轮机,带动发电 机发电
金属套、
防护 水层 防止射线泄漏对人体
层 和钢筋 及其他生物体的伤害
混凝土
一二
知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用
衰变反应为放热反应,为什么核电站中反应堆采用核裂变放能, 而不采用衰变放能?
「精品」高中物理第四章原子核第六七节核能利用小粒子与大宇宙教学案粤教版选修3_5
第六、七节核能利用小粒子与大宇宙对应学生用书页码1．核反应堆是人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来。
2．反应堆里用的铀棒是天然铀或浓缩铀；石墨、重水的作用是使快中子变成慢中子，充当减速剂；镉棒的作用是吸收减速后的中子，控制反应速度，充当控制棒。
3．为了防止铀核裂变物放出的射线对人体的危害，在反应堆外面要修建很厚的水泥防护层来屏蔽射线，对放射性的废料也要装入特制的容器，埋入深地层来处理。
4．我国已于广东大亚湾建成两座核电站，还有浙江的秦山核电站。
5．人类目前能够观测到的最大距离约是140亿光年之远。
这一距离可以看成是目前观测到的宇宙半径。
6．对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述，称为宇宙模型。
大爆炸宇宙模型是一种被普遍接受的模型，它认为，宇宙起源于大约150亿年前突然发生的一次大爆炸，其后逐渐诞生出星球、星系、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等等，经历150亿年才演化成今天的样子。
7．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从10－15m到1027m，共跨越了大约42个数量级；目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有10－25 s，可见，物质世界的时间尺度，约从10－25 s到1018 s，也跨越了将近43个数量级。
对应学生用书页码1.如图4－6－1所示为简化的核反应堆示意图图4－6－1(1)核燃料：反应堆使用天然铀或浓缩铀(铀235占3%～4%)制成铀棒，作为核燃料，释放核能。
(2)中子减速剂：铀235具有易俘获慢中子，不易俘获快中子的特点。
而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用减速剂使它们的速度降下来。
常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水。
(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法增减中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度。
(4)保护层：核反应堆外层是很厚的水泥壁。
可防止射线辐射出去。
粤教版高中物理选修3-5课件第四章第五节第六节核能利用
1．(双选)下列说法正确的是( AB ) A.2114Na→2142Mg＋－01e 是 β 衰变 B.29325U＋10n→15461Ba＋ 9326Kr＋310n 是裂变反应 C.199F＋42He→2120Ne＋11 H 是聚变反应 D.32He＋21H→42He＋11H 是 α 衰变 解析：各种核反应的特征不同．
(4)保护法：反应堆外层是很厚的水泥墙，可防止射线辐射 出去．
(5)热交换器：靠水和液态金属钠在反应堆内外的循环流 动，把产生的热量传输出去．
2．核电站的优点：消耗“燃料”少，核燃料在地球上可采 储量大，对环境污染比发电站要小．
【例题】(双选)关于聚变反应下列说法正确的是( BD ) A． 要使核发生聚变，必须使他们接近到 10-10m，也就 是近到核力能够发生作用的范围 B． 要使聚变反应发生，通常要进行加热，使物质达到几 百万摄氏度的高温 C． 任何原子核都可能发生聚变反应 D．32He＋21H→42He＋11H 是聚变反应 解析：核力发生作用的范围是 10－15 m，要使核发生聚变， 必须使核间距离接近这个值，为克服强大的排斥力，要使核具 有很大的动能，采取给物质加热，使其达到几百万摄氏度．
1．(双选)当一个重核裂变时，它能产生的两个核( BD) A．一定是稳定的 B．含有的中子数较裂变前重核的中子数少 C．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量 D．可以是多种形式的两个核的组合 解析：裂变过程释放产生中子同时释放能量．
题型 2 核电站 【例题】在核反应中，控制铀 235 核裂变反应速度的方法 是( C ) 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 D．利用石墨与中子的碰撞，来改变中子的速度 解析：控制核反物理课件
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走进原子核-粤教版选修3-5教案
走进原子核-粤教版选修3-5教案一、教材分析本教案是针对粤教版选修3-5中的“走近原子核”这一章节进行设计的。
本章围绕原子核的组成、稳定性、放射现象以及核能等方面进行了详细的讲解。
因此，在教学过程中应该注重学生对核的认知和理解，同时加强实践操作的环节，让学生真正体验到核的神秘与复杂。
二、教学目标1.能够正确描述原子核的组成结构和质子、中子的特点；2.能够解释原子核紧密结合的原因及其稳定性；3.能够了解放射现象的基本特征和分类，以及放射性的应用；4.能够对比核聚变和核裂变的异同点，并且了解核能的基本原理；5.能够通过实验操作，观察核的实际变化过程，提高核理论知识运用能力。
三、教学内容1. 原子核的组成原子核是原子的中心部分，由质子和中子构成。
在这一部分教学中，需要强调质子和中子的特点及其在核内的分布情况，同时，指出原子核是电中性的，不能直接参与化学反应。
2. 原子核的稳定性核的稳定性与核内质子和中子的比例有关。
在这一环节中，需要让学生了解什么是核力，以及核力是如何维持质子和中子之间的相互作用，使得核能够维持稳定的状态。
3. 放射现象放射现象指的是放射性核素在衰变过程中所释放的辐射。
学生需要明确放射源和辐射源的概念，了解三种放射性（α、β、γ）的特征，同时也需要提高学生的安全意识，注意到放射性辐射的危害。
4. 核能学生需要了解核聚变与核裂变的异同点，并且学习核能的基本原理。
同时，通过实验操作，加深学生对这一领域的认知和理解。
四、教学方法1.讲授法：针对核理论知识的基本讲解，让学生理解原子的基本组成结构、核的稳定性以及放射现象的基础知识。
2.实验操作法：通过实验环节，让学生亲身体验核的变化过程，并且加深理解核的稳定性、放射性以及核能的内在原理。
3.案例分析法：结合实际应用，让学生了解放射性的应用领域，同时也提醒学生注意放射性辐射的危害性。
五、实施步骤1. 阶段一-导学环节讲授根据课程的教学内容和学生的需要，设计有针对性的导学环节，让学生对本课内容有一个初步的了解和认知。
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4.6 核能利用
三维教学目标
1、知识与技能
（1）知道什么是核反应，会写出人工转变方程；
（2）知道什么是放射性同位素，人造和天然放射性物质的主要不同点；
（3）了解放射性在生产和科学领域的应用；
（4）知道放射性污染及其对人类和自然产生的严重危害，了解防范放射线的措施，建立防范意识。
2、过程与方法：渗透和安全地开发利用自然资源的教育。
3、情感、态度与价值观：培养学生收集信息、应用已有知识、处理加工信息、探求新知识的能力。
教学重点：人工转变的两个核反应方程及反应过程中遵循的规律。
教学难点：人工转变的两个核反应方程及反应过程中遵循的规律
教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。
教学用具：
（1）挂图，实验器材模型，课件等；
（2）多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。
（一）引入新课
前面已经学习了核反应的一种形式：衰变。
本节课我们要学习核反应的另一种形式：人工转变以及人工转变产生的放射性同位素的应用和核辐射的防护。
（二）进行新课
1、核反应：原子核在其它粒子的轰击下产生新原子核的过程叫核反应。
在核反应中质量数守恒、电荷数守恒。
人工转变核反应方程：
H O He N 1117
84214
7+→+ n C He Be 101264294+→+
例如：写出下列原子核人工转变的核反应方程。
（1）1123
Na 俘获1个α粒子后放出1个质子
（2）1327Al 俘获1个α粒子后放出1个中子
（3）816O 俘获1个中子后放出1个质子
（4）1430Si 俘获1个质子后放出1个中子
理解并记住核反应方程，通过方程理解核反应中遵循的规律。
2、人工放射性同位素
（1）放射性同位素：有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。
放射性同位素有天然和人
造两种，它们的化学性质相同。
（2）人工放射性同位素
Al He P
（3）人工放射性同位素的优点：放射强度容易控制；形状容易控制；半衰期短，废料容易处理。
（4）凡是用到射线时，都用人造放射性同位素。
3、放射性同位素的应用：
利用射线：
射线测厚装置：烟雾报警器；放射治疗；培育新品种，延长保质期。
作为示踪原子：棉花对磷肥的吸收；甲状腺疾病的诊断。
4、辐射与安全
通过看书与上网查找资料，了解放射性辐射的用处以及危害，知道只要控制好辐射量，我们就可以利用它的射线，知道身边的一些放射性物质，以及如何防护一些有害的放射性物质。