高中物理 19.7-19.8核聚變 粒子和宇宙（探究導(dǎo)學(xué)課型）課件 新人教版選修3-5.ppt

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7核聚變8粒子和宇宙,1.知道輕核的聚變反應(yīng),關(guān)注受控聚變反應(yīng)研究的進(jìn)展。2.初步了解粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識,初步了解恒星的演化。3.通過核能的利用,思考科學(xué)技術(shù)與社會(huì)進(jìn)步的關(guān)系。,一、核聚變1.核聚變:(1)定義:兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量_____的核的反應(yīng)。輕核聚變必須在高溫下進(jìn)行,因此又叫_________。(2)核反應(yīng)舉例:,較大,熱核反應(yīng),2.受控?zé)岷朔磻?yīng):(1)定義:為了使巨大的熱核反應(yīng)能量不以爆炸的形式釋放,而是在_____控制下逐漸釋放出來并加以_____的熱核反應(yīng)。(2)條件:熱核燃料加熱到非常高的_____;熱核反應(yīng)釋放的能量足以補(bǔ)償形成聚變過程中所損失的能量。,人工,利用,溫度,(3)聚變與裂變的對比優(yōu)點(diǎn):①輕核聚變_____效率高;②地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量_____;③輕核聚變更___________。(4)約束核聚變材料的方法:_______和慣性約束。,產(chǎn)能,豐富,安全、清潔,磁約束,二、粒子和宇宙1.發(fā)現(xiàn)新粒子:(1)新粒子的發(fā)現(xiàn):1932年發(fā)現(xiàn)了_______,1937年發(fā)現(xiàn)了_____,1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和π介子,迄今發(fā)現(xiàn)的粒子已達(dá)到400多種。,正電子,μ子,(2)反粒子:實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),許多粒子都存在著質(zhì)量與它們_____,而電荷及其他一些物理性質(zhì)_____的粒子。(3)分類:強(qiáng)子、_____和_______。(4)夸克模型的提出:1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型,認(rèn)為強(qiáng)子是由_____構(gòu)成的。,相同,相反,輕子,媒介子,夸克,2.宇宙及恒星的演化:(1)宇宙的演化從___________開始。(2)恒星的演化經(jīng)歷了宇宙塵埃,星云團(tuán),恒星誕生,最后恒星的熱核反應(yīng)停止后恒星演變?yōu)開______、_______或_____。,宇宙大爆炸,白矮星,中子星,黑洞,1.判一判:(1)熱核反應(yīng)就是原子核的溫度很高的反應(yīng)。()(2)聚變與裂變相比有產(chǎn)能效率高、燃料儲(chǔ)量豐富和安全清潔等優(yōu)點(diǎn)。()(3)受控?zé)岷朔磻?yīng)不容易實(shí)現(xiàn)的主要原因是聚變的條件和難以約束聚變的材料。()(4)質(zhì)子屬于強(qiáng)子,電子屬于輕子,夸克屬于媒介子。(),提示:(1)。熱核反應(yīng)是指核燃料的溫度要高達(dá)幾百萬開爾文,對于原子核來說是指平均動(dòng)能很大。(2)√。聚變的核子平均釋放的結(jié)合能大,反應(yīng)過程除輻射高能量的光子外不產(chǎn)生核廢料,聚變?nèi)剂蟽?chǔ)量非常豐富且安全、清潔。,(3)√。受控?zé)岷朔磻?yīng)既要達(dá)到聚變需要的幾百萬開爾文的溫度,又要使反應(yīng)在一定的區(qū)域內(nèi)完成,沒有約束反應(yīng)的容器是一個(gè)難題。(4)。質(zhì)子屬于強(qiáng)子,電子屬于輕子,但夸克是組成強(qiáng)子的成分。,2.想一想:(1)氫彈爆炸的威力相比原子彈爆炸的威力哪一個(gè)大?為什么?提示:氫彈的威力大。氫彈爆炸是核聚變的結(jié)果,而核聚變釋放的核能比原子彈中核裂變釋放的核能要大得多,故氫彈的威力大。,(2)為什么說“基本粒子”不基本?提示:一方面是因?yàn)檫@些原來被認(rèn)為不可再分的粒子還有自己的復(fù)雜結(jié)構(gòu),另一方面是因?yàn)樾掳l(fā)現(xiàn)的很多種新粒子都不是由原來認(rèn)為的那些基本粒子組成的。,主題一探究核聚變【問題探究】1.為什么實(shí)現(xiàn)核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫?,提示:(1)微觀上:參與反應(yīng)的原子核必須接近到核力的作用范圍內(nèi),約為10-15m這種程度,因而必須使它們具有很大的動(dòng)能以克服原子核之間巨大的庫侖斥力做功,由原子核的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為原子核的電勢能,使核子之間的核力發(fā)生作用,輕核才能聚變成質(zhì)量較大的核。(2)宏觀上:要使原子核具有足夠大的動(dòng)能,就得把它加熱到幾百萬開爾文的高溫,才能使聚變反應(yīng)發(fā)生,因此聚變又叫熱核反應(yīng)。,2.與重核的裂變相比聚變有哪些特點(diǎn)?提示:(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí),輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生,就不再需要外界給它能量,靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。(3)普遍性:熱核反應(yīng)在宇宙的恒星中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著,太陽就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。,3.目前人們實(shí)現(xiàn)的核聚變是什么?實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)存在的困難是什么?提示:(1)目前人們能實(shí)現(xiàn)的熱核反應(yīng)是氫彈的爆炸,是由普通炸藥引爆原子彈,再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核反應(yīng),但這是不可控制的。(2)實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)存在的困難是:地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受住熱核反應(yīng)所需要的高溫。,4.如何實(shí)現(xiàn)對熱核反應(yīng)的控制?可控?zé)岷朔磻?yīng)有哪些優(yōu)點(diǎn)?提示:(1)可能實(shí)現(xiàn)對熱核反應(yīng)的控制方法:磁約束:利用磁場來約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。環(huán)流器是目前性能最好的一種磁約束裝置。慣性約束:利用強(qiáng)激光從各個(gè)方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì),使它們由于慣性還來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。(2)可控?zé)岷朔磻?yīng)的優(yōu)點(diǎn):放射性污染小,不產(chǎn)生核廢料,核燃料十分豐富。,5.人們?yōu)槭裁匆芯靠煽責(zé)岷朔磻?yīng)?或者說實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷朔磻?yīng)的必要性是什么?提示:實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷朔磻?yīng)是有必要的,原因是:由于地球上化石燃料和裂變材料的儲(chǔ)量有限,開發(fā)聚變能量非常必要,并且是一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。各國科學(xué)家都在加緊研究,盡快地在地球上制造出人類自己的“太陽”,緩解甚至消除能源危機(jī)的困擾。,再者,重核的裂變產(chǎn)生的核廢料輻射性很強(qiáng),而且半衰期很長,特別是福島核電站由于地震造成的核泄漏又給世人敲了一次警鐘,更激發(fā)起人們開發(fā)可控?zé)岷朔磻?yīng)能源的極大期望。,【探究總結(jié)】1.衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變和聚變方程的區(qū)別:(1)衰變是原子核自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核,并向外輻射出α粒子或β粒子的反應(yīng),衰變根據(jù)向外輻射粒子的不同分為α衰變和β衰變兩種。(2)人工轉(zhuǎn)變通常是用α粒子或中子去轟擊靶核,靶核俘獲入射粒子后產(chǎn)生新的原子核,并放出一個(gè)或幾個(gè)粒子的反應(yīng)。(3)重核分解成中等質(zhì)量的核的反應(yīng)叫裂變,輕核聚合成重核的反應(yīng)叫聚變。,2.裂變與聚變的對比:,【即時(shí)訓(xùn)練】1.(多選)聚變與裂變相比,下列說法正確的是()A.聚變比裂變產(chǎn)能效率高B.由于聚變所產(chǎn)生的核能比裂變大得多,故裂變更安全C.原子彈的燃料是D.氫彈的原理是核聚變,需由原子彈來引爆,【解題探究】(1)聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個(gè)核子放能___。(2)聚變反應(yīng)后產(chǎn)生的核廢料,基本_______放射性,裂變后的產(chǎn)物_____放射性。,多,不具有,具有,【解析】選A、C、D。聚變比裂變的比結(jié)合能大,故A正確;在目前的條件下,在重核的裂變過程中所產(chǎn)生的放射性污染要比輕核聚變時(shí)大得多,故B錯(cuò);原子彈利用的核裂變?nèi)剂蠟?氫彈利用的核聚變需要原子彈來引爆,故C、D正確。,2.以下說法正確的是()A.聚變是裂變的逆反應(yīng)B.如果裂變釋放能量,則聚變反應(yīng)必定吸收能量C.聚變需將反應(yīng)物加熱至數(shù)百萬度以上高溫,顯然聚變過程是吸收能量的D.裂變與聚變均可釋放巨大能量,【解析】選D。從形式上看,裂變與聚變似乎是互為逆反應(yīng),但其實(shí)不然,因?yàn)槎叩姆磻?yīng)物與生成物全然不同。裂變是重核分裂成中等核,而聚變則是輕核聚合成為次輕核,無直接關(guān)聯(lián),并非互為逆反應(yīng),所以A錯(cuò)誤;既然裂變與聚變不是互為逆反應(yīng),則在能量的流向上也不必相反,B項(xiàng)錯(cuò)誤;要實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng),必須使參加反應(yīng)的輕核充分接近,需要數(shù)百萬度高溫提供能量。但聚變反應(yīng)一旦實(shí)現(xiàn),所釋放的能量遠(yuǎn)大于所吸收的能量。因此,總的說來,聚變反應(yīng)還是釋放熱量,所以C錯(cuò)誤,D正確。,主題二粒子【問題探究】1.結(jié)合下表分析粒子的分類及特點(diǎn)。,夸克,介子和重子,內(nèi)部結(jié)構(gòu),光子傳遞電磁相互作,用、中間玻色子傳遞,弱相互作用、膠子傳,遞強(qiáng)相互作用,2.強(qiáng)子和夸克的關(guān)系是怎樣的?夸克分多少種?它的帶電性是怎樣的?什么是夸克的“禁閉”?提示:夸克是強(qiáng)子的基本組成成分;夸克有6種:上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克;它們帶的電荷分別為元電荷的每種夸克都有對應(yīng)的反夸克;夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)的性質(zhì),叫夸克的“禁閉”。,3.什么是反粒子?所有的粒子都存在反粒子嗎?提示:實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),許多粒子都有和它質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理量相反的粒子,叫反粒子。按照粒子的對稱性,有一個(gè)粒子,就應(yīng)該有一個(gè)反粒子。,4.“夸克模型”的提出有什么物理意義?提示:夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展史中的一個(gè)重大突破,它指出電子電荷不再是電荷的最小單元,即存在分?jǐn)?shù)電荷。而另一方面也說明科學(xué)正是由于一個(gè)一個(gè)的突破才得到進(jìn)一步的發(fā)展。,【探究總結(jié)】輕子的理解每種輕子都有對應(yīng)的反粒子。目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有6種,其中τ子的質(zhì)量比核子的質(zhì)量還大,但從力的性質(zhì)上講,它仍然屬于輕子。,【即時(shí)訓(xùn)練】1.(多選)已知π+介子、π-介子都是由一個(gè)夸克(夸克u或夸克d)和一個(gè)反夸克(反夸克或反夸克)組成的,它們的帶電量如表所示,表中e為元電荷。下列說法正確的是()A.π+由u和組成B.π+由d和組成C.π-由u和組成D.π-由d和組成,【解析】選A、D。根據(jù)電荷量關(guān)系可知,由于π+介子帶有+e的電量,又由于π+介子是由u夸克和d夸克組成,根據(jù)題意可知π+介子(+e)應(yīng)由一個(gè)夸克和反夸克合成,同理π-介子由夸克d和反夸克構(gòu)成,A、D項(xiàng)正確。,2.在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出。中微子的性質(zhì)十分特別,因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測。1953年,萊尼斯和柯文建造了一個(gè)由大水槽和探測器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用中微子與水中的核反應(yīng),間接地證實(shí)了中微子的存在。(1)中微子與水中的發(fā)生核反應(yīng),產(chǎn)生中子和正電子即:中微子可以判定,中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是________。(填寫選項(xiàng)前的字母)A.0和0B.0和1C.1和0D.1和1,(2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇,與電子形成幾乎靜止的整體后,可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子(γ),即已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.110-31kg,反應(yīng)中產(chǎn)生的每個(gè)光子的能量約為________J。正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)光子,原因是____________________________。,【解題探究】(1)核反應(yīng)過程中,_______和_______守恒。(2)正電子和負(fù)電子相遇后湮滅,根據(jù)_________可以計(jì)算光子的能量。,質(zhì)量數(shù),電荷數(shù),質(zhì)能方程,【解析】(1)發(fā)生核反應(yīng)前后,粒子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不變,據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0,A項(xiàng)正確。(2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損。兩個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子之后,質(zhì)量變?yōu)榱?則E=Δmc2,故一個(gè)光子的能量為,代入數(shù)據(jù)得=8.210-14J。正電子與水中的電子相遇,與電子形成幾乎靜止的整體,故系統(tǒng)總動(dòng)量為零,故只產(chǎn)生一個(gè)光子是不可能的,因?yàn)榇诉^程遵循動(dòng)量守恒定律。答案:(1)A(2)8.210-14此過程遵循動(dòng)量守恒定律,