Открытый урок "Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция"

Подробности
Категория: Областной Конкурс "Педагог Года"
Опубликовано: 15.04.2017 17:12
Автор: Super User
Просмотров: 1745

Урок. Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция

Цели учебные

  1. Сформировать у учащихся представление о делении ядер урана
  2. Сформировать у учащихся представление о цепной ядерной реакции
  3. Выяснить условия протекания цепной ядерной реакции

Цели воспитательные

  1. Воспитание работой в группе

Цели развивающие

  1. Развитие аналитического мышления
  2. Развитие познавательных умений

Тип урока ­­- изучение нового материала

Вид урока – комбинированный (анализ ситуаций, ролевая игра)

Методы обучения:

  1. Наглядные методы
  2. Объяснительно-иллюстративный
  3. Проблемное изучение нового материала
  4. Словесный

Демонстрации:

  1. Видеоролик  «Чернобыль»
  2. «Актерская» модель ядра атома
  3. Электронная модель деления ядра атома урана
  4. Электронная модель энергии реакции деления
  5. Электронная модель цепной ядерной реакции
  6. Электронная модель атомного реактора
  7. Электронная модель управления ядерным реактором

Приборы и оборудование

  1. Ноутбук, проектор, экран, презентация
  2. Воздушные шарики полунадутые (20 шт.)
  3. Опорные конспекты на каждого ученика

Ход урока

Вводная

Здравствуйте ребята. Меня зовут Сергей Николаевич Лобачев, я учитель физики и информатики православной гимназии «София» из города Клин. Тема нашего сегодняшнего занятия «Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция». У вас на столах лежат опорные конспекты, с которыми мы будем работать в течение урока, я буду говорить когда нужно к ним обратиться. Также на столах лежать воздушные шарики, ими мы воспользуемся позднее.

Основной материал

Начать хотелось бы с одного факта. (Параллельно с речью идет видеоролик Чернобыль, 33 сек) 26 апреля 1986 года на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС произошла авария, ставшая крупнейшей катастрофой в истории атомной энергетики. И вот уже спустя 25 лет 11 марта 2011 года произошла радиационная авария на АЭС Фукусима 1.

Что же происходит в реакторе АЭС с точки зрения физики? Какой физический принцип положен в основу работы атомных реакторов? Вот это и будет главным вопросом нашего сегодняшнего занятия, на который мы с вами ответим в конце.

Ну что ж. Давайте сначала построим модель ядра атома, чтобы понять как возникает предпосылка к его делению.

Я попрошу вас сейчас выйти вперед и образовать достаточно плотный круг, но за руки держаться не надо. Руки держите по швам.

(30 сек)

А два человека будут пытаться проникнуть в круг, при этом круг не должен препятствовать проникновению, но и помогать нельзя.

(К первому) Вы пытаетесь проникнуть почти не прилагая усилий.

(Ко второму) А вы пытаетесь проникнуть в свой круг с небольшим усилием.

(30 сек)

Спасибо за участие в моделировании, просьба сесть за парты.

(15 сек)

Ответьте мне на вопрос: Создает ли человек, проникающий в круг, суматоху? (Отвечают, да) (5 сек)

А что было бы, если бы ученик проникал бы в круг с разбегу? (Отвечают, что круг разорвался бы) (10 сек)

Давайте обратимся с вами к опорным конспектам, которые лежат у вас на столе. Именно такой процесс, который мы только что смоделировали, только уже с ядрами урана при бомбардировке нейтронами, установили немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман.

Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра Бора-Френкеля. Само ядро имеет круглую форму, но, поглотив нейтрон, оно возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму.

Кто мне ответит, какие силы действуют внутри ядра?

(Дети отвечают, что отталкивание между протонами и ядерные силы притяжения) (20 секунд)

Правильно. Ядро будет растягиваться до тех пор, пока силы отталкивания между половинками ядра не начнут преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. И после этого ядро разрывается на две части и осколки разлетаются со скоростью 1/30 скорости света. Причем соотношение масс осколков равно 2 к 3. При этом выделяется 200 МэВ энергии при делении ядра урана-235, большая часть которой (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков.

Еще одним фундаментальным фактом ядерного явления является испускание в процессе деления двух-трех нейтронов.

Какое полезное свойство мы видим у реакции деления?

(Отвечают, что выделение энергии) (5 сек)

Действительно, энергия, выделяемая при делении 1 г урана-235 эквивалентна энергии сгорания 3т угля.

Давайте теперь с вами проведем еще одно моделирование. Пусть теперь каждая парта будет ядром атома урана. У вас на столах лежат воздушные шарики, это нейтроны, которые вы будете испускать при попадании в вас нейтрона. Реакцию начну я, передав нейтрон первой парте. После деления, то есть получения шарика, вы можете передать соседям 1 или 2 шарика, а можете и не передавать. Те парты, которые получили шарик, это ядра в которых произошло деление, и ученики на этих партах встают с места.

Давайте проведем первый эксперимент. Я попрошу первую парту не передать ни одного шарика далее.

(Встает только первая парта) (5 сек)

Что сейчас произошло по вашему мнению

(Отвечают, что реакция деления затухает) (10 сек)

Получается что количество полученных ядром нейронов больше количества переданных другим ядрам.

А теперь я попрошу всех передавать соседям только один шарик.

(Встаю все за некоторое время ~1 мин)

Что сейчас произошло?

(Отвечают, что реакция деления перешла с одного ядра на другие, то есть произошла цепная ядерная реакция) (15 сек)

Получается что количество полученных ядром нейтронов равно количеству переданных другим ядрам.

А теперь вы будете передавать шарики сразу двум соседям, если они конечно у вас еще останутся.

(Все встают ~20 сек)

Что сейчас произошло?

(Отвечают что очень быстрая цепная реакция) (15 сек)

Получается что количество полученных ядром нейтронов меньше количества переданных другим атомам нейтронов k.

Вот это отношение мы назовем коэффициент размножения нейтронов.

(Дополнительное время на объяснение детям еще раз и т.п. 1 мин)

В каком случае вы встали все и быстрее всего?

(Отвечают что в 3) (5 сек)

Действительно, здесь я бы, наверное, даже и не успел бы перехватить у вас шарики и остановить реакцию, это называется неуправляемая цепная реакция, когда k>1. Как вы думаете, где она может использоваться?

(Отвечают что в атомной бомбе) (10 сек)

А вот во втором случае мы смоделировали управляемую ядерную реакцию, когда k=1. А она где может применяться?

(Отвечают в энергетике) (10 сек)

В силу ряда причин для цепной ядерной реакции наиболее пригодны для использования ядра изотопа урана с массовым числом 235, уран-235. Но этот изотоп составляет всего лишь 1/140 долю от более распространенного изотопа уран-238, который может делиться только под воздействием очень быстрых нейтронов, которых в общей массе немного, поэтому в изотопе уран-238 цепная реакция невозможна. Причем и сам уран-235 также должен присутствовать в определенном количестве, называемом критической массой. Для урана-235 это почти 50 кг.

Итак, благодаря чему возможна цепная ядерная реакция? 

(Отвечают что благодаря тому что при делении ядер выделяются нейтроны) (20 сек)

Вы уже назвали два применения цепной ядерной реакции: атомная бомба и атомная энергетика. Если с бомбой все понятно, то, как работает реактор, надо изучить.

Давайте посмотрим на модель. Основными элементами ядерного реактора являются ядерное горючее и замедлитель нейтронов, управляющий скоростью реакции. Выделяемое в процессе реакции тепло нагревает теплоноситель, который, превращаясь в пар, вращает турбину генератора. Как видите, современные атомные станции это всего лишь старые теплоэлектростанции с новым горючим. Возможно, кто-то из вас сможет создать принципиально новый вид электростанции.

Закрепление

Давайте вернемся к началу занятия. Какой вопрос у нас прозвучал?

Что произошло в реакторе Чернобыльской АЭС? (15 сек)

Вы можете теперь мне ответить? Я для подсказки запущу еще одну модель на экране.

Возникла неуправляемая цепная ядерная реакция из-за большого количества нейтронов, которые не улавливались замедлителем.

Хорошо. Что же мы сегодня узнали на этом занятии?

  1. 1.Реакция деления сопровождается выделением энергии
  2. 2.Цепная реакция деления возможна благодаря тому, что при делении ядер испускается два-три нейтрона
  3. 3.Большая часть энергии приходится на кинетическую энергию осколков.
  4. 4.В ядерных реакторах есть еще и замедлители

(На это примерно 1 минута)

Спасибо за урок.

Ссылка на опорный конспект в формате PDF (распечатывать нужно на формате А4 в двухстороннем режиме печати, после распечатки сложить булетом)