Методический электронный образовательный центр Министерства образования Оренбургской области и Оренбургского государственного университета
Методический электронный образовательный центр Министерства образования Оренбургской области и Оренбургского государственного университета
Название предмета
Физика
Класс
11
УМК
Физика. 11 класс. В.А.Касьянов (базовый уровень), 2014 год
Уровень обучения
базовый
Тема урока
Закон радиоактивного распада. Ядерные реакции.
Общее количество часов, отведённое на изучение темы
1
Место урока в системе уроков по теме
4 урок по теме «Физика атомного ядра», 5 часов
Цель урока
изучение закона радиоактивного распада; знакомство с понятием период полураспада;
Задачи урока
Обучающие:
показать возможность практического получения большого количества ядерной энергии в результате деления ядер урана 235.
Развивающие:
развитие внимания, мышления, умений анализировать, делать выводы; развитие умений применять закон радиоактивного распада для решения задач;
Воспитательные:
воспитание культуры умственного труда, навыков самостоятельной работы, коммуникативных качеств личности.
Планируемые результаты
знакомство с понятием ядерные реакции; обучение умению определять неизвестный продукт реакции с использованием законов сохранения массового числа и заряда, обосновать существование ядерной энергии как одной из форм энергии, умению вычислять энергетический выход ядерных реакций; знакомство с механизмом протекания цепной реакции, понятием критической массы, факторами, определяющими протекание цепной реакции.
Техническое обеспечение урока
мультимедиа проектор; экран; компьютер с выходом в Интернет, компьютерная презентация, раздаточный материал
Дополнительное методическое и дидактическое обеспечение урока
1. Энциклопедический словарь юного физика / сост. В.А.Чуянов..: Педагогика, 1984
2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. – М.: Просвещение, 2002.
3. Марон А.Е., Марон Е.А. Физика 11 класс: Дидактические материалы – М.: Дрофа, 2004.
Содержание урока
1. Организационный этап.
Здравствуйте, ребята! Поприветствуйте друг друга. И я рада приветствовать вас на уроке, на котором мы продолжим открывать страницы в познании окружающего нас мира. Впереди нас ждут интересные открытия. Готовы? Да! Тогда приступим…
2. Проверка домашнего задания, воспроизведение и коррекция опорных знаний обучающихся. Актуализация знаний.
1. Раскройте значение:
Атом, трек, спонтанный, радиоактивность, α- лучи, β- лучи, γ- лучи, α- распад, β- распад.
2.Решение задач у доски (задачи из ЕГЭ):
1.
2.
3.
3. Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности обучающихся.
- Как вы думаете, какой тип излучения (α или β) более опасен для организма человека и почему? (Подсказка: сравните проникающий эффект тяжелого большого мяча и пули).
Ядра атома гелия тяжелые, поэтому данный вид излучения имеет низкую проникающую способность и может задерживаться несколькими сантиметрами воздуха.
Бета – частицы двигаются с огромной скоростью, масса их мала, поэтому их проникающая способность гораздо выше, и они представляют угрозу для кожи человека.
Ядра изотопов, полученных в результате ядерного распада, как правило, нестабильны и подвержены дальнейшему распаду.
- Как вы думаете, что необходимо знать ученым для того, чтобы захоронить радиоактивные остатки?
- Как вы думаете, сколько времени может продолжаться распад образца радиоактивного материала?
Скорость распада радиоизотопов измеряется периодом полураспада. Это и будет тема нашего урока. Запись темы на доске и в тетради.
4. Первичное усвоение новых знаний.
Период полураспада — промежуток времени, за который распадется половина первоначального числа атомов.
Период полураспада определяет скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем быстрее происходит распад.
Найдем закон радиоактивного распада, т. е. число N нераспавшихся атомов в произвольный момент времени t. Предположим, что в начальный момент времени (t = 0) их было N0. Тогда по истечении периода полураспада Т1/2 нераспавшимися останутся N0/2 атомов. Атомы распадаются независимо друг от друга. Существует вероятность распада каждого атома в отдельности, поэтому период полураспада не зависит от начального числа частиц. Спустя еще один полупериод (в момент времени t2 = 2Т1/2) число нераспавшихся (радиоактивных) атомов
Через n периодов полураспада в момент времени t = nТ1/2 таких атомов останется
Учитывая, что n= t/T1/2, получаем закон радиоактивного распада — закон убывания числа радиоактивных атомов со временем .
Зная число N нераспавшихся атомов и их начальное число, можно найти число атомов Nрасп, распавшихся к моменту времени t:
Скорость изменения любой физической величины со временем определяется как производная от этой величины по времени.
Скорость радиоактивного распада определяется производной , называемой активностью радиоактивного вещества.
Активность радиоактивного вещества — число распадов радиоактивных ядер за 1 с.
Единица активности — беккерель (1 Бк).
1 Бк — активность радиоактивного вещества, в котором за 1 с происходит один распад.
С учетом закона радиоактивного распада окончательно получаем .
Промежуток времени t = 1,44Т1/2 характеризует среднее время жизни радиоактивного изотопа.
Естественный радиоактивный распад конкретного изотопа может являться отдельным звеном длинной последовательности (серии) ядерных превращений. Промежуточные в серии дочерние ядра, будучи нестабильными, продолжают распадаться до тех пор, пока не образуется стабильное ядро. Например, стабильные изотопы свинца образуются при трех естественных радиоактивных сериях распадов, начинающихся с материнских ядер .
Практическое значение закона. Закон позволяет определять:
1) возраст минералов;
2) возраст горных пород;
3) время образования земной коры;
4) возраст ископаемых останков древних животных.
Радиоуглеродный анализ - это физический метод датирования биологических останков путём измерения содержания в материале радиоактивного изотопа углерода по отношению к стабильным изотопам.
Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза. Сейчас ведутся работы в Европе по запуску установки ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками). Ученые всего мира надеются на успех.
Реакторы ВВЭР являются самым распространенным типом реакторов в России.
Характеризуя типы реакторов, стоит сказать следующее: реакторы ВВЭР достаточно безопасны в эксплуатации, но требуют высокообогащенного урана. Реакторы РБМК безопасны лишь при правильной их эксплуатации и хорошо разработанных системах защиты, но зато способны использовать мало обогащенное топливо или даже отработанное топливо ВВЭР-ов. Реакторы на тяжелой воде всем хороши, но уж больно дорого добывать тяжелую воду. Технология производства реакторов с шаровой засыпкой еще недостаточно хорошо разработана, хотя этот тип реакторов стоило бы признать наиболее приемлемым для широкого применения, в частности, из-за отсутствия катастрофических последствий при аварии с разгоном реактора. За реакторами на быстрых нейтронах – будущее производства топлива для ядерной энергетики, эти реакторы наиболее эффективно используют ядерное топливо, но их конструкция очень сложна и пока еще малонадежна. В России имеется только один реактор такого типа (на Белоярской АЭС). Считается, что такие реакторы имеют большое будущее.
В России имеется 10 атомных электростанций (АЭС), и практически все они расположены в густонаселенной европейской части страны. В 30-километровой зоне этих АЭС проживает более 4 млн. человек.
Наиболее мощные АЭС в мире в основном сосредоточены в Европе.
Вместе с тем, развивая ядерную энергетику в интересах экономики, нельзя забывать о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут привести к катастрофическим последствиям.
Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности.
А в 1986 г произошла трагедия, последствия которой до сих пор, наводят ужас на мировую общественность – это катастрофа на Чернобыльской АЭС (СССР).
В результате взрыва четвертого блока ЧАЭС в окружающую среду попало около 7,4 тонн радиоактивного вещества. В первые недели основную опасность для населения представляло внешнее Гамма-излучение и наличие изотопа йода-131 в атмосфере. Действительно, данные изотопного анализа первых проб воздуха, воды и почвы, отобранных в первые дни после аварии, показали, что кроме этого обнаружены изотопы бария-140, лантана-140, цезия-137, церия-134, рутения-103, циркония-95, теллура-132, церия-141, нептуния-239; а в ближайшей зоне, например, в зоне отселения – изотопы стронция-90, плутония-239 и плутония-240. Союзный Госкоматом еще в 1987 году сравнил катастрофу на Припяти со взрывом 300 хиросимских бомб. Иностранные специалисты назвали другую цифру – 800 бомб. Не стоит спорить, кто из них прав.
Считается, что при радиационном уровне свыше 15 Ки на квадратный километр жизнь человека невозможна. Территория, прилегающая к АЭС заражена от 15 до 1200 Ки/км2. Причем эта совсем не та радиация, которая поразила жителей гг. Хиросимы и Нагасаки. В богатых пойменных лугах, лесных массивах, заброшенных деревнях зловеще притаились долгоживущие радионуклиды – стронций, цезий, плутоний. Жизнь сюда не вернется ни через 100, ни через 500, а на отдельных участках – ни через 1000 лет
Следствие радиационного облучения – лучевая болезнь. Обратите внимание на таблицы, лежащие на ваших партах, а также на таблицу, представленную на экране. В них представлены допустимые и опасные дозы облучения.
В результате аварии на ЧАЭС высокую дозу облучения получили 20 млн. человек.
Таким образом, авария реактора Чернобыльской АЭС ярко высветила значимость проблемы не только в практическом, но и в методологическом отношении.
Физминутка
5. Первичная проверка понимания.
Решение задач у доски:
1. Конечным продуктом радиоактивного распада является свинец Период
Полураспада составляет 4,5 • 109лет. Определите возраст минерала, в котором число атомов урана и свинца одинаково.
2. Изотоп протактиния имеет период полураспада Т1/2 = 1,18 мин. Какая часть изотопов останется нераспавшимися через час?
3. Решается самостоятельно, проверка на слайде:
Радиоактивный фосфор , использующийся для диагностики болезней кровообращения, имеет период полураспада 14,3 дня. Найдите активность образца с числом атомов N = 5·1016.
6. Первичное закрепление.
Завтра вы вступаете в жизнь. От твёрдости ваших убеждений, от системы вашего экологического мировоззрения зависит будущее нашей планеты. Мы с вами на уроках изучили проблемы ядерной энергетики. Сегодня на рассмотрение я выношу три очень важных вопроса. Прошу высказать по каждому из них свою позицию.
Вопрос 1. Многие годы официальной наукой в обществе упорно формировалось представление об атомной энергетике, как об экологически чистой отрасли энергетической промышленности, обладающей огромными преимуществами по сравнению с другими способами получения энергии. Так ли это? Как вы считаете?
Атомные реакторы – это обычные топки, операторы, ими управляющие – это «кочегары» - это слова председателя госкомитета по использованию атомной энергии СССР Синёва.
Вопрос 2. До 25 апреля 1986 года мировая общественность довольно спокойно реагировала на расширение сети АЭС. После Чернобыльской катастрофы во всём мире прокатилась волна протеста против использования АЭС. Что же такое Чернобыльская катастрофа? Случайность, или закономерность?
Вопрос 3. Академик А. Д. Сахаров уже после Чернобыльской катастрофы произнес: - «Лично я убеждён, что ядерная энергетика необходима человечеству и должна развиваться, но только в условиях полной безопасности, что реально требует размещения реакторов под землёй…» Значит всё - таки, есть выход. Или АЭС – это пороховые бочки и лучше от них избавиться и довольствоваться другими альтернативными источниками энергии?
Закончить урок мне бы хотелось следующими словами:
Целый мир, охватив от земли до небес,
Всполошив не одно поколение,
По планете шагает научный прогресс.
Что стоит за подобным явлением?
Человек вышел в космос и был на Луне.
У природы все меньше секретов.
Но любое открытье – подспорье войне:
Тот же атом и те же ракеты…
Как использовать знанье – забота людей.
Не наука – ученый в ответе.
Давший людям огонь – прав ли был Прометей,
Чем прогресс обернется планете?
7. Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению.
§53
Предложите способ захоронения ядерных отходов.
Составить «Экологические листовки».
8. Рефлексия (подведение итогов занятия).
Закончите фразу
1. Сегодня я узнал…
2. Мне было интересно…
3. Я понял, что…
4. Теперь я могу…
5. Я научился…
6. У меня получилось …
7. Меня удивило…
8. Урок дал мне для жизни…
9. Анализ активности обучающихся
Автор(ы): Старостина И. В.
Скачать: Физика 11кл - Конспект.docАвтор(ы): Старостина И. В.
Скачать: Физика 11кл - плакат.doc Типы ядерных реакторов
Параметры сравнения
ВВЭР
РБМК
Реактор на тяжелой воде
Тепловыделитель
4.5%-й обогащенный уран
2.8%-й обогащенный уран
2-3%-й обогащенный уран
Замедлитель и его свойства
Легкая вода. Очень хорошо замедляет нейтроны, очень сильно поглощает нейтроны. Очень дешева.
Графит. Хорошо замедляет нейтроны, почти не поглощает нейтроны. Достаточно дешев.
Тяжелая вода. Очень хорошо замедляет нейтроны, почти не поглощает нейтроны. Очень дорога в производстве.
Особенности активной
зоны, определяемые
параметрами
замедлителя
Тесное расположение тепловыделяющих элементов, необходимость повышенного обогащения урана
Достаточно редкое расположение тепловыделяющих элементов, возможность использования низкообогащенного урана или отработанного топлива ВВЭР
Достаточно редкое расположение тепловыделяющих элементов, возможность использования низкообогащенного урана или отработанного топлива ВВЭР
Количество контуров
Два
Один
Два
Теплоноситель
Легкая вода в обоих контурах. Одновременно является замедлителем.
Легкая вода. Замедляющий эффект незначителен.
Тяжелая вода в первом контуре, легкая вода во втором. Тяжелая вода одновременно является замедлителем.
Регулирование
Раствор борной кислоты в теплоносителе. Регулирующие стержни из бороциркониевого сплава и оксида европия.
Регулирующие стержни из бороциркониевого сплава и оксида европия.
Регулирующие стержни из бороциркониевого сплава и оксида европия.
Перегрузки топлива
1 раз в 4-6 месяцев, с полной остановкой реактора и вскрытием его корпуса. Каждый тепловыделяющий элемент переставляется внутри реактора трижды до его окончательного извлечения.
В процессе работы, с помощью специальной перегрузочной машины, позволяющей перезагружать отдельные тепловыделяющие элементы. Каждый тепловыделяющий элемент переставляется внутри реактора несколько раз до его окончательного извлечения.
Раз в несколько месяцев, с полной остановкой реактора.
Наружный отражатель
Наружный металлический корпус.
Графитовая кладка толщиной 65 см. Наружный корпус не обязателен, но желателен по соображениям безопасности
Наружный металлический корпус.
Автор(ы): Старостина И. В.
Скачать: Физика 11кл - Приложение 1.doc
