人教版物理选修3-5课件第19章第八节.ppt

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1、第八节粒子和宇宙第八节粒子和宇宙课前自主学案课前自主学案核心要点突破核心要点突破课堂互动讲练课堂互动讲练课标定位课标定位知能优化训练知能优化训练 第八节第八节课标课标定位定位学学习习目目标标：1.知道什么是裂知道什么是裂变变、什么是聚、什么是聚变变，了，了解裂解裂变变和聚和聚变变的特点的特点2知道知道链链式反式反应应，并能，并能计计算裂算裂变释变释放的核能放的核能3会写出聚会写出聚变变反反应应方程并能方程并能计计算聚算聚变释变释放的核放的核能能4了解基本粒子、夸克模型及宇宙的演化了解基本粒子、夸克模型及宇宙的演化重点重点难难点：裂点：裂变变、聚、聚变释变释放的核能的放的核能的计计算算课前自主学

2、案课前自主学案中子中子临临界体界体积积二、核二、核电电站站1工作原理工作原理现现以以压压水式反水式反应应堆核堆核电电站站为为例，例，讨论电讨论电站的工站的工作原理，作原理，压压水式反水式反应应堆核堆核电电站包括：站包括：压压水堆本水堆本体，由蒸汽体，由蒸汽发发生器、称生器、称压压器、主器、主泵泵构成的一回构成的一回路系路系统统，二回路系，二回路系统统，汽，汽轮发电轮发电机机组组以及以及为为支支持系持系统统正常运行并保正常运行并保证证反反应应堆安全而堆安全而设设置的置的辅辅助系助系统统，回路系，回路系统统是蒸汽供是蒸汽供应应系系统统，将反，将反应应堆堆释释放的内能，由冷却放的内能，由冷却剂带剂带

3、到蒸汽到蒸汽发发生器中，生器中，产产生蒸汽；二回路系生蒸汽；二回路系统统是蒸汽是蒸汽驱动驱动汽汽轮发电轮发电机机组组进进行行发电发电的系的系统统，与常，与常规规火火电电厂汽厂汽轮发电轮发电系系统统基本相同基本相同2核燃料：目前核核燃料：目前核电电站反站反应应堆以堆以_为为燃料燃料3_是核是核电电站的心站的心脏脏，它是，它是一种用人工控制一种用人工控制链链式反式反应应的装置，可以使核能的装置，可以使核能较较平平缓缓地地释释放出来，裂放出来，裂变变反反应应堆的堆的结结构和工作构和工作原理如下表：原理如下表：裂裂变变反反应应堆堆组组成部分成部分材料材料作用作用裂裂变变材料材料(核燃料核燃料)浓缩铀浓

4、缩铀提供核燃料提供核燃料慢化慢化剂剂(减减速速剂剂)石墨、重水石墨、重水或普通水或普通水使裂使裂变产变产生的快生的快中子减速使之容中子减速使之容易被易被铀铀235吸收吸收控制棒控制棒镉镉或或钢钢吸收减速后的中吸收减速后的中子，控制反子，控制反应应速速度度组组成部分成部分材料材料作用作用反射反射层层石墨石墨阻止中子逃逸阻止中子逃逸热热交交换换器器水水产产生高温蒸汽，推生高温蒸汽，推动动蒸汽蒸汽轮轮机，机，带动发电带动发电机机发电发电防防护层护层金属套金属套和和钢钢筋筋混凝土混凝土防止射防止射线对线对人体及其人体及其他生物体的侵害他生物体的侵害较较大大很高温度很高温度多多4太太阳阳内内部部和和许许

5、多多恒恒星星内内部部，温温度度高高达达107K以上，其反以上，其反应应就是就是_反反应应的的实实例例四、受控四、受控热热核反核反应应聚聚变变与裂与裂变变相比有很多相比有很多优优点，第一，点，第一，轻轻核聚核聚变产变产能效率高；第二，地球上聚能效率高；第二，地球上聚变变燃料的燃料的储储量量丰富；第三，丰富；第三，轻轻核聚核聚变变更更为为安全、清安全、清洁洁热热核核五、粒子和宇宙五、粒子和宇宙1“基本粒子基本粒子”不基本不基本在在19世世纪纪末，人末，人们认为们认为光子、光子、_、_和和_是是组组成物成物质质的不可再分的的不可再分的最基本的粒子，最基本的粒子，20世世纪纪后半期，科学家后半期，科学

6、家发现质发现质子、中子也有着自己的复子、中子也有着自己的复杂结杂结构，于是基本粒构，于是基本粒子不再子不再“基本基本”2发现发现新粒子新粒子(1)新粒子：新粒子：1932年年发现发现正正电电子，子，1937年年发现发现子，子，1947年年发现发现K介子和介子和介子；以后又介子；以后又发现发现了了质质量比量比质质子大的叫做子大的叫做_电电子子质质子子中子中子超子超子(2)反反粒粒子子：实实验验中中发发现现，对对应应着着许许多多粒粒子子都都存存在在着着质质量量与与它它相相同同而而电电荷荷及及其其他他一一些些物物理理性性质质_的的粒粒子子，叫叫做做反反粒粒子子例例如如，电电子子的的反反粒子是正粒子是

7、正电电子，子，质质子的反粒子是反子的反粒子是反质质子等子等(3)粒粒子子分分类类：按按照照粒粒子子与与各各种种相相互互作作用用的的关关系系分分为为三大三大类类：_、轻轻子和子和_3夸克模型夸克模型(1)什么是夸克：什么是夸克：强强子子(质质子、中子子、中子)有着自己复有着自己复杂杂的的结结构，它构，它们们有更有更为为基本的成分基本的成分组组成，科学成，科学家家认为这认为这种成分叫夸克种成分叫夸克相反相反强强子子媒介子媒介子下夸克下夸克底夸克底夸克电电子子电电荷荷自由的状自由的状态单态单个出个出现现4宇宙的演化：宇宙起源于一次大爆炸，宇宙的演化：宇宙起源于一次大爆炸，这这种理种理论论被称被称为为

8、宇宙宇宙_理理论论大爆炸大爆炸5恒星的演化恒星的演化恒星的最后恒星的最后归归宿是：宿是：质质量小于太阳量小于太阳质质量的量的1.4倍倍的恒星会演的恒星会演变变成成_，即体，即体积积很小，很小，质质量不太小的恒星；量不太小的恒星；质质量大于量大于1.4倍小于倍小于2倍太倍太阳阳质质量的恒星，会演量的恒星，会演变变成成_；更大；更大质质量的恒星，会演量的恒星，会演变变成成“_”白矮星白矮星中子星中子星黑洞黑洞核心要点突破核心要点突破一、一、链链式反式反应应1对链对链式反式反应应的理解：当中子的理解：当中子进进入入铀铀235后，便后，便形成了形成了处处于激于激发态发态的复核复核中由于核子的激的复核复

9、核中由于核子的激烈运烈运动动，使复核，使复核变变成不成不规则规则的形状，核子的形状，核子间间的距的距离增大，因而核力减弱，使得复核由于离增大，因而核力减弱，使得复核由于质质子子间间的的斥力作用而不能恢复原状，斥力作用而不能恢复原状，这样这样就分裂成几就分裂成几块块，同同时时放出放出28个中子；个中子；这这些中子又引起其他些中子又引起其他铀铀核核裂裂变变，这样这样，裂，裂变变就会不断就会不断进进行下去，行下去，释释放出越放出越来越多的核能来越多的核能这样这样叫叫链链式反式反应应，如，如图图1961所示所示图图19612链链式反式反应应的条件的条件(1)铀块铀块的体的体积积大于大于临临界体界体积积

10、(2)铀块铀块的的质质量大于量大于临临界界质质量量以上两个条件以上两个条件满满足一个即可足一个即可即即时应时应用用(即即时时突破，小突破，小试试牛刀牛刀)1关于关于铀铀核裂核裂变变，下述，下述说说法中正确的是法中正确的是()A铀铀核核裂裂变变的的产产物物是是多多种种多多样样的的，但但只只能能裂裂变变成两种不同的核成两种不同的核B铀铀核裂核裂变时还变时还能同能同时释时释放放23个中子个中子C为为了了使使裂裂变变的的链链式式反反应应容容易易进进行行，最最好好用用纯铀纯铀235D铀块铀块的体的体积对产积对产生生链链式反式反应应无影响无影响解析：解析：选选BC.铀铀核受到中子的核受到中子的轰击轰击，会

11、引起裂，会引起裂变变，裂，裂变变的的产产物是各种各物是各种各样样的，具有极大的偶的，具有极大的偶然性，但裂然性，但裂变变成两成两块块的情况多，也有的分裂成的情况多，也有的分裂成多多块块，并放出几个中子，并放出几个中子，铀铀235受中子的受中子的轰击轰击时时，裂，裂变变的概率大，而的概率大，而铀铀238只有俘只有俘获获能量在能量在1 MeV以上的中子才能引起裂以上的中子才能引起裂变变，且裂，且裂变变的几率的几率小而要引起小而要引起链链式反式反应应，需使，需使铀块铀块体体积积超超过临过临界体界体积积故上述故上述选项选项B、C正确正确聚聚变变的条件是，必的条件是，必须须使使轻轻核接近核力核接近核力发

12、发生作用的生作用的距离距离1015m，这这要克服要克服电电荷荷间间强强大的斥力作用，大的斥力作用，要求使要求使轻轻核具有足核具有足够够大的大的动动能要使原子核具有能要使原子核具有足足够够大的大的动动能，就要能，就要给给它它们们加加热热，使物，使物质质达到几达到几百万开百万开尔尔文的高温，文的高温，剧剧烈的烈的热热运运动动使使轻轻核聚合放核聚合放出更大的能量聚出更大的能量聚变变一旦一旦发发生，就不再需要外界生，就不再需要外界给给它能量，靠自身它能量，靠自身产产生的生的热热就会使反就会使反应继续应继续下去下去2聚聚变变比裂比裂变变反反应应放出更多能量的原因放出更多能量的原因平均每个核子放能平均每个

13、核子放能较较多，是裂多，是裂变变反反应应的的34倍如倍如一个一个氚氚核和一个核和一个氘氘核核结结合成一个氦核合成一个氦核时时放出能量放出能量17.6 MeV，平均每个核子放出能量，平均每个核子放出能量约约3.5 MeV；而；而铀铀235裂裂变时变时，平均每个核子放出能量，平均每个核子放出能量为为1 MeV.即即时应时应用用(即即时时突破，小突破，小试试牛刀牛刀)2关于聚关于聚变变，以下，以下说说法中正确的是法中正确的是()A两两个个轻轻核核聚聚变变为为中中等等质质量量的的原原子子核核时时放放出出能量能量B同同样样质质量量的的物物质质发发生生聚聚变变时时放放出出的的能能量量比比同同样质样质量的物

14、量的物质质裂裂变时释变时释放的能量大好多倍放的能量大好多倍C聚聚变变反反应应的的条条件件是是聚聚变变物物质质的的体体积积达达到到临临界体界体积积D发发生聚生聚变变反反应时应时的原子核必的原子核必须须有足有足够够大的大的动动能能解析：解析：选选BD.两个两个轻轻核聚合核聚合为较为较大大质质量的原量的原子核就可子核就可释释放能量，但其生成物不是中等放能量，但其生成物不是中等质质量的核，故量的核，故A错误错误聚聚变变反反应应放出的能量比放出的能量比同同样质样质量的物量的物质质裂裂变时释变时释放的能量大得多，放的能量大得多，这这点由聚点由聚变变反反应应的特点我的特点我们们就可以知道，故就可以知道，故B

15、正确裂正确裂变变反反应应的条件是裂的条件是裂变变物物质质的体的体积积达到达到临临界体界体积积，而聚，而聚变变反反应应的条件是原子核的条件是原子核间间距达到距达到1015 m，故要求足，故要求足够够大的大的动动能克能克服原子核服原子核间间的斥力做功，故的斥力做功，故C错错，D正确正确课堂互动讲练课堂互动讲练类类型一型一裂变中释放的核能计算裂变中释放的核能计算例例例例1 1在在所所有有能能源源中中核核能能具具有有能能量量密密度度大大、区区域域适适应应性性强强的的优优势势，在在核核电电站站中中，核核反反应应堆堆释释放放的的核核能能被被转转化化为为电电能能核核反反应应堆堆的的工工作作原原理理是是利利用

16、用中子中子轰击轰击重核重核发发生裂生裂变变反反应应，释释放出大量核能放出大量核能反反应应方程下方的数字是中子及有关原子的静止方程下方的数字是中子及有关原子的静止质质量量(以原子以原子质质量量单单位位u为单为单位位)已知已知1 u的的质质量量对对应应的能量的能量为为931.5 MeV，求此裂，求此裂变变反反应过应过程中，程中，(1)亏亏损质损质量量为为原子原子质质量量单单位的多少倍？位的多少倍？(2)释释放出的能量是多少？放出的能量是多少？(3)平均每个核子平均每个核子释释放的能量有多大？放的能量有多大？答案：答案：(1)0.1933(2)180 MeV(3)0.766 MeV类类型二型二聚变中

17、的核能计算聚变中的核能计算例例例例2 2 核核聚聚变变能能是是一一种种具具有有经经济济性性能能优优越越、安安全全可可靠靠、无无环环境境污污染染等等优优势势的的新新能能源源近近几几年年来来，受受控控核核聚聚变变的的科科学学可可行行性性已已得得到到验验证证，目目前前正正在在突突破破关关键键技技术术，最最终终将将建建成成商商用用核核聚聚变变电电站站一一种种常常见见的的核核聚聚变变反反应应是是由由氢氢的的同同位位素素氘氘(又又叫叫重重氢氢)和和氚氚(又又叫叫超超重重氢氢)聚聚合合成成氦氦，并并释释放放一一个个中中子子若若已已知知氘氘原原子子的的质质量量为为2.0141 u，氚氚原原子子的的质质量量为为

18、3.0160 u，氦氦原原子子的的质质量量为为4.0026 u，中中子子的的质质量量为为1.0087 u,1 u1.661027kg.(1)写出写出氘氘和和氚氚聚聚变变的反的反应应方程；方程；(2)试计试计算算这这个核反个核反应释应释放出来的能量；放出来的能量；(3)若建一座功率若建一座功率为为3.0105 kW的核聚的核聚变电变电站，假站，假设设聚聚变变所所产产生的能量有一半生的能量有一半转转化成了化成了电电能，求每能，求每年要消耗的年要消耗的氘氘的的质质量？量？(一年按一年按3.2107 s计计算，光算，光速速c3.0108 m/s，结结果取两位有效数字果取两位有效数字)【方方法法总总结结

19、】(1)在在任任何何核核反反应应中中，质质量量数数和和电电荷荷数数均均保保持持守守恒恒，这这是是我我们们确确定定核核反反应应方程的理方程的理论论基基础础(2)核能的核能的计计算主要是利用算主要是利用质质能方程，在能方程，在计计算算过过程中，程中，对对核反核反应应方程一定要配平后再方程一定要配平后再计计算算质质量量亏亏损损注意在注意在计计算算质质量量亏亏损时损时使用的是使用的是参与反参与反应应的原子核的的原子核的质质量量变变式式训训练练2一一个个质质子子和和两两个个中中子子聚聚变变为为一一个个氚氚核核，已已知知质质子子质质量量mH1.0073 u，中中子子质质量量mn1.0087 u，氚氚核核质质量量m3.018 u.(1)写出聚写出聚变变方程方程(2)释释放出的核能有多大？放出的核能有多大？(3)平均每个核子平均每个核子释释放的能量有多大？放的能量有多大？答案：答案：见见解析解析