2017-2018学年高中创新设计物理粤教版选修3-5课件：4-6,4-7 核能利用 小粒子与大宇宙

第六节核能利用第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙第七节小粒子与大宇宙目标定位目标定位1.了了解裂变反应堆的工作原理解裂变反应堆的工作原理.2.了解核电站和了解核电站和核能利用的优缺点核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨度间跨度一、反应堆一、反应堆1核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：成：(1)燃料：燃料： ；(2)减速剂：铀减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用容易捕获慢中子发生反应，采用 、 作减速剂；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，利用镉数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉 的的特性，就可以容易地控制链式反应的速度特性，就可以容易地控制链式反应的速度铀棒铀棒石墨石墨重水重水吸收中子强吸收中子强2工作原理：核燃料工作原理：核燃料 释放的能量，使反应区温度升释放的能量，使反应区温度升高高3能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内、能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内、外外 ，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，把反应堆内的热量传输出去，用于发电4核污染的处理：修建很厚的核污染的处理：修建很厚的 ，用来屏蔽裂变反应，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放出的各种射线，核废料具有很强的 ，需要装，需要装入特制的容器，入特制的容器， 裂变裂变循环流动循环流动水泥层水泥层放射性放射性埋入深地层来处理埋入深地层来处理二、核电站、核能利用二、核电站、核能利用1核电站核电站利利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电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，这就是核电站机发电，这就是核电站2核能利用核能利用(1) ；(2) ；(3)原子核物理实验制造各种放射性同位素原子核物理实验制造各种放射性同位素核力发电核力发电核动力核动力三、小粒子与大宇宙三、小粒子与大宇宙1从小粒子到大宇宙从小粒子到大宇宙空间跨度空间跨度(1)大大爆炸宇宙模型：大约爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次亿年前突然发生一次 ，其后逐渐诞生出恒星、星团、脉冲星、超新星、黑洞以及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，经历被称作类星体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今天的亿年演化成今天的宇宙世界宇宙世界(2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从 到到 ，共跨越了约，共跨越了约42个数量级个数量级大爆炸大爆炸1015 m1027 m2从粒子寿命到宇宙年龄从粒子寿命到宇宙年龄时间跨度时间跨度(1)宇宇宙的年龄的数量级：宙的年龄的数量级： .(2)微观粒子的最短寿命：微观粒子的最短寿命： .(3)物质世界的时间尺度：约从物质世界的时间尺度：约从 到到 ，跨越，跨越了将近了将近 个数量级个数量级1018 s1025 s1025 s1018 s43预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题问题1问题问题2问题问题3一、核反应堆一、核反应堆裂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：原理如下表：组成部分组成部分材料材料作用作用裂变材料裂变材料(核燃料核燃料)浓缩铀浓缩铀(U)提供核燃料提供核燃料慢化剂慢化剂(减速剂减速剂)石墨、重水石墨、重水和普通水和普通水使裂变产生的快中子减速使裂变产生的快中子减速控制棒控制棒镉镉吸收减速后的中子，控制反应速度吸收减速后的中子，控制反应速度反射层反射层石墨石墨阻止中子逃逸阻止中子逃逸热交换器热交换器水水产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电产生高温蒸汽，推动汽轮发电机发电防护层防护层金属套和金属套和钢筋混凝土钢筋混凝土防止射线对人体及其他生物体的侵害防止射线对人体及其他生物体的侵害答案答案见见解析解析借题发挥借题发挥(1)中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能量守中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒恒(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速度减为零针对训练针对训练1在在核反应中，控制铀核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是核裂变反应速度的方法是()A使用浓缩铀使用浓缩铀B改变铀块的临界体积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利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度答案答案C解析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吸收中子改变中子数目二、核电站的工作原理二、核电站的工作原理核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用，因此核电站是可控的链式反应铀铀235裂变需要一定的条件：裂变需要一定的条件：(1)要有足够浓度的铀要有足够浓度的铀235；(2)要要有足够数量的慢中子；有足够数量的慢中子；(3)铀块的体积要大于临界体积当中铀块的体积要大于临界体积当中子进入铀子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于后，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，同时放出能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出23个中子，这个中子，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，因此杀伤力强大杀伤力强大在核电站中，核反应堆是热源，如图在核电站中，核反应堆是热源，如图1为简化的核反应堆的为简化的核反应堆的示意图：示意图：图图1铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀铀235的含量占的含量占2%4%)制制成石墨成石墨(或重水或重水)为减速剂，使反应生成的快中子变为慢中为减速剂，使反应生成的快中子变为慢中子，利于铀子，利于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围镉吸收，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的升降，就能使反应堆安全正常地工作(2)有一座发电能力为有一座发电能力为P1.00106 kW的核电站，核能转化的核电站，核能转化为电能的效率为电能的效率40 %.假定反应堆中发生的裂变反应全是本假定反应堆中发生的裂变反应全是本题题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能E2.781011 J，铀核的质量，铀核的质量mU3901027 kg，求每年，求每年(1年年3.15107 s)消耗的消耗的U的质量的质量三、对粒子的认识三、对粒子的认识【例【例3】正正电子、负质子等都属于反粒子，它们跟普通电子、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某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质反物质反物质.1997年年初和年底，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由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成答案答案B解析解析反氢原子的结构是由反粒子构成的物质，正电子、负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质子等都属于反粒子