资源简介

(共17张PPT)
幻灯片 1：封面
课程标题：16.3 核能的开发与利用
学科与年级：北师大版 九年级物理
教师姓名：[教师姓名]
衔接提示：上节课我们了解到原子核由质子和中子组成，依靠核力紧密结合。本节课将聚焦原子核内部的能量 —— 核能，探索其产生原理、开发方式及在生产生活中的应用与挑战。
幻灯片 2：学习目标
理解核能的定义（原子核发生变化时释放的能量），掌握核裂变与核聚变的区别及典型实例（如铀核裂变、氢核聚变）。
了解核电站的工作原理（核裂变链式反应→热能→电能），明确核心设备（核反应堆、汽轮机、发电机）的作用。
认识核能开发的优势（清洁、高效）与风险（核泄漏、核废料处理），树立 “合理利用核能” 的科学态度。
了解核武器（原子弹、氢弹）的原理与危害，理解和平利用核能的重要性，培养社会责任感。
幻灯片 3：课程引入 —— 从 “原子核的能量” 到 “人类的能源选择”
情境展示：
图片 1：核电站冷却塔排出蒸汽的场景（清洁电能生产）、原子弹爆炸的蘑菇云（核能的破坏性）；
视频片段：太阳内部核聚变模拟（持续释放能量）、核电站核反应堆内部结构（可控核裂变）。
核心疑问：太阳为何能持续发光发热数十亿年？核电站如何将原子核的能量转化为我们使用的电能？核能作为一种高效能源，为何在应用中既受重视又伴随争议？
引入逻辑：基于上节课对原子核结构的认知，本节课从 “原子核变化释放能量” 切入，解析核能的两种产生方式，进而探讨其在能源领域的开发利用与潜在风险，理解 “可控” 与 “不可控” 核能的差异。
幻灯片 4：核能的产生 —— 核裂变与核聚变
1. 核能的定义
原子核在发生结构变化（如分裂或聚合）时，会释放出巨大的能量，这种能量称为核能（也叫原子能）。核能的本质是原子核内质子和中子之间的 “核力” 做功，释放出的能量远大于化学能（如煤炭燃烧释放的能量）——1kg 铀 235 裂变释放的能量相当于 2500 吨标准煤燃烧释放的能量。
2. 核裂变：原子核的 “分裂”
定义：质量较大的原子核（如铀 235、钚 239）在中子的轰击下，分裂成两个或多个质量较小的原子核，同时释放出大量能量和 2-3 个新中子的过程，称为核裂变。
链式反应：
关键现象：核裂变释放的新中子，若能继续轰击其他铀核，会引发更多核裂变，形成 “链式反应”（如同多米诺骨牌，一旦启动，可持续进行）；
两种状态：
不可控链式反应：中子未被减速或控制，链式反应快速加剧，能量瞬间释放（如原子弹爆炸，1kg 铀 235 在百万分之几秒内完成裂变，释放巨大能量）；
可控链式反应：通过控制中子数量（如用镉棒吸收多余中子），使链式反应缓慢、稳定进行，能量持续释放（如核电站核反应堆）。
实验发现：1938 年，德国科学家哈恩和斯特拉斯曼首次发现铀核裂变现象，为核能的开发奠定了基础。
3. 核聚变：原子核的 “聚合”
定义：质量较小的原子核（如氢的同位素氘、氚）在极高温度和压强下，聚合成质量较大的原子核（如氦核），同时释放出远超核裂变的能量，称为核聚变（也叫热核反应）。
特点：
条件苛刻：需要 1 亿℃以上的高温和极高压强（模拟太阳内部环境），目前人类尚难实现可控核聚变；
能量更高效：1kg 氘和氚聚变释放的能量相当于 10000 吨标准煤燃烧的能量，是等量铀核裂变的 4 倍以上；
产物清洁：核聚变的产物是氦核（无毒无害），无放射性核废料，对环境影响远小于核裂变。
自然实例：太阳内部持续发生氢核（氘、氚）聚变，每秒约有 6 亿吨氢转化为氦，释放的能量以光和热的形式辐射到宇宙，是地球能量的主要来源。
4. 核裂变与核聚变对比
对比项目
核裂变
核聚变
原子核变化
重核分裂为轻核
轻核聚变为重核
触发条件
中子轰击，常温常压（可控）
1 亿℃以上高温 + 极高压强（目前难可控）
能量效率
较高（1kg 铀 235≈2500 吨煤）
极高（1kg 氘氚≈10000 吨煤）
产物与污染
产生放射性核废料（需长期处理）
产物为氦核，无放射性污染
应用实例
核电站、原子弹
太阳、氢弹（不可控）、实验性聚变反应堆
幻灯片 5：核电站 —— 可控核裂变的能源应用
1. 核电站的工作原理：能量转化链条
核心逻辑：可控核裂变释放的热能→水蒸气→汽轮机转动→发电机发电（核能→热能→机械能→电能），与火电站的区别仅在于 “热能来源”（核裂变替代煤炭燃烧）。
详细流程：
核反应堆：铀 235 在反应堆内发生可控链式反应，释放大量热能，加热反应堆内的 “冷却剂”（如重水、轻水或液态金属）；
热交换器：冷却剂携带热能进入热交换器，将热量传递给另一侧的水，使水受热汽化为高温高压水蒸气（冷却剂循环回到反应堆，重复吸热）；
汽轮机与发电机：水蒸气推动汽轮机叶片高速转动，汽轮机带动发电机转子旋转，切割磁感线产生感应电流（电能）；
冷却系统：发电后的水蒸气进入冷却塔，被冷却为水，循环回到热交换器（冷却塔排出的是水蒸气，无污染物）。
2. 核电站的核心设备
设备名称
功能
安全设计
核反应堆
发生可控核裂变，产生热能
反应堆外壳为厚钢板 + 混凝土保护层（防辐射泄漏），内置镉棒（吸收中子，控制反应速度）、石墨慢化剂（减速中子，便于轰击铀核）
热交换器
实现冷却剂与水的热量交换，避免放射性物质进入汽轮机系统
采用密闭式热交换，冷却剂与水完全隔离，防止放射性污染扩散
汽轮机与发电机
将热能转化为机械能，再转化为电能
与常规火电站设备类似，无放射性，需定期维护以保证效率
安全壳
包裹核反应堆和热交换器的巨型钢筋混凝土建筑（厚约 1 米）
可抵御地震、飞机撞击等极端情况，是防止核泄漏的最后一道屏障
3. 核电站的优势与挑战
优势：
清洁低碳：不排放二氧化碳、二氧化硫等污染物，可减少温室效应和酸雨，符合 “碳中和” 目标；
高效节能：燃料消耗少（1 台百万千瓦级核电站每年仅需 30 吨铀 235，而同等功率火电站每年需 300 万吨标准煤）；
续航能力强：燃料更换周期长（通常 1-2 年更换一次），无需频繁运输燃料。
挑战：
核泄漏风险：若设备故障或人为操作失误，可能导致放射性物质泄漏（如 1986 年切尔诺贝利核电站事故、2011 年日本福岛核事故），对环境和人体健康造成长期危害；
核废料处理：核裂变产生的放射性废料（如铀 238、钚 239），半衰期长达数万年甚至数百万年，需妥善储存（如深埋地下、密封于特制容器），防止污染；
建设成本高：核电站设计复杂、安全标准严格，建设周期长（通常 5-10 年），初期投资巨大。
幻灯片 6：不可控核能 —— 核武器的危害与和平利用的重要性
1. 核武器的类型与原理
原子弹：基于不可控核裂变链式反应，核心是 “核装药”（铀 235 或钚 239），通过 “枪法”（将两块亚临界质量的铀块拼接成临界质量）或 “内爆法”（用炸药压缩钚核至临界质量），引发链式反应，瞬间释放能量（如 1945 年美国在广岛投下的原子弹，当量约 1.5 万吨 TNT，造成大量人员伤亡和城市破坏）。
氢弹：基于不可控核聚变，核心是 “原子弹 + 聚变材料”（氘化锂），先由原子弹爆炸产生的高温高压，触发聚变材料发生核聚变，释放远超原子弹的能量（当量可达数百万吨甚至数千万吨 TNT，如 1952 年美国第一颗氢弹爆炸，当量约 1000 万吨 TNT）。
2. 核武器的危害
即时危害：爆炸产生的冲击波、高温（中心温度可达数百万℃）和光辐射，可瞬间摧毁建筑、引燃大火，造成大规模人员伤亡；
长期危害：爆炸产生的放射性物质（如碘 131、铯 137）扩散到大气和土壤中，形成 “放射性污染区”，导致癌症、基因突变等长期健康问题，影响可持续数十年（如切尔诺贝利核事故后，周边区域至今仍为 “禁区”）；
全球影响：大量核武器爆炸可能引发 “核冬天”（烟尘遮蔽阳光，导致全球气温下降、生态破坏），威胁人类文明存续。
3. 和平利用核能的共识
国际合作：通过《不扩散核武器条约》（NPT）、国际原子能机构（IAEA）等，限制核武器扩散，推动核能用于和平目的（如发电、医疗、工业）；
技术方向：全球科学家致力于研发 “可控核聚变反应堆”（如国际热核聚变实验堆 ITER，多国合作建设，目标是实现可持续的核聚变发电），若成功，将为人类提供几乎无限的清洁能源，彻底解决能源危机和环境问题。
幻灯片 7：核能的其他应用 —— 不止于发电
1. 医疗领域
放射性治疗（放疗）：利用核裂变产生的放射性同位素（如钴 60）释放的 γ 射线，杀死癌细胞（如治疗肺癌、肝癌），精准破坏肿瘤组织，减少对正常细胞的损伤；
放射性诊断（核医学）：将放射性同位素（如碘 131）注入人体，通过探测其在体内的分布，诊断甲状腺疾病、肿瘤位置等（如甲状腺功能亢进的诊断与治疗）。
2. 工业与农业
工业探伤：利用 γ 射线穿透能力强的特点，检测金属构件内部的缺陷（如管道焊接处的裂缝），无需破坏工件，广泛应用于航空、石油、建筑等领域；
农业育种：利用核辐射（如 γ 射线、中子）诱导农作物种子发生基因突变，培育高产、抗病虫害的新品种（如 “鲁棉 1 号” 棉花、“辐麦 3 号” 小麦，均通过核辐射育种获得）；
食品保鲜：用低剂量的 γ 射线照射食品（如肉类、水果），杀死细菌和寄生虫，延长保质期（不产生放射性，安全可靠）。
幻灯片 8：课堂小结
知识框架回顾：
核能产生：核裂变（重核分裂，可控用于核电站，不可控用于原子弹）、核聚变（轻核聚合，太阳能量来源，氢弹原理，可控研发中）；
核电站：原理是 “可控核裂变→热能→电能”，核心设备有反应堆、热交换器，优势是清洁高效，挑战是核泄漏和废料处理；
核能应用：发电、医疗（放疗、诊断）、工业探伤、农业育种，和平利用是主流方向；
风险与共识：核武器危害巨大，国际合作推动可控核聚变研发，追求清洁无限能源。
重点强调：核能的 “双面性”—— 既是高效清洁的能源，也伴随安全风险，关键在于 “可控” 与 “合理利用”；理解和平利用核能对解决能源危机、实现可持续发展的重要意义，树立科学的能源观。
幻灯片 9：课堂练习 1
下列关于核裂变与核聚变的说法，正确的是（ ）
A. 核裂变是轻核聚变为重核，核聚变是重核分裂为轻核
B. 核裂变需要高温高压，核聚变在常温常压下即可发生
C. 核电站利用可控核裂变发电，太阳内部发生核聚变
D. 核裂变产物清洁无污染，核聚变产生放射性核废料
核电站中，核反应堆的主要作用是（ ）
A. 将核能直接转化为电能
B. 控制核裂变链式反应，持续释放热能
C. 将热能转化为水蒸气的机械能
D. 吸收放射性物质，防止核泄漏
下列应用中，属于和平利用核能的是（ ）（多选）
A. 核电站发电 B. 原子弹爆炸 C. 钴 60 放疗癌症 D. 氢弹试验
幻灯片 10：课堂练习 2
请简述核电站的能量转化过程，并说明与火电站相比，核电站在能源利用上的优势。
为什么可控核聚变被认为是 “未来的理想能源”？目前实现可控核聚变面临的主要技术难题是什么？
结合核事故案例（如福岛核事故），谈谈核电站在安全设计上应采取哪些措施，以降低核泄漏风险。
幻灯片 11：课堂练习答案
C（解析：A 选项，核裂变为重核分裂，核聚变为轻核聚合；B 选项，核裂变常温常压可控，核聚变需高温高压；D 选项，核裂变产生废料，核聚变产物清洁）
B（解析：A 选项，核能先转化为热能；C 选项，汽轮机将热能转化为机械能；D 选项，安全壳和防护层防止泄漏）
AC（解析：B、D 属于核武器，不可控且有破坏性）
答：① 能量转化过程：核反应堆内可控核裂变释放热能→加热冷却剂→热交换器将水加热为水蒸气→水蒸气推动汽轮机转动（热能→机械能）→汽轮机带动发电机发电（机械能→电能）；② 优势：不排放二氧化碳、二氧化硫等污染物，减少温室效应和酸雨；燃料消耗少（1kg 铀 235≈2500 吨煤），续航能力强；无需频繁运输燃料，降低运输成本和污染。
答：① 理想能源原因：能量效率极高（远超核裂变）；燃料来源广泛（氘可从海水中提取，1 升海水含有的氘聚变能量相当于 300 升汽油）；产物为氦核，无放射性污染，对环境友好；② 技术难题：需要 1 亿℃以上的高温和极高压强，如何长时间维持这种极端条件（目前的实验装置如托卡马克，只能维持数秒至数分钟的聚变）；如何有效约束等离子体（聚变材料在高温下呈等离子态，需用磁场或惯性约束，防止其接触容器壁）。
答：① 多重防护屏障：反应堆外壳采用厚钢板和钢筋混凝土（厚度 1 米以上），防止放射性物质泄漏；冷却系统设计冗余（如多组应急冷却水泵，防止堆芯过热熔化）；② 严格的控制与监测：用镉棒精确控制中子数量，实时监测反应堆温度、压力等参数，异常时自动停机；③ 应急响应机制：制定详细的核泄漏应急预案，配备应急救援设备（如防辐射服、去污设备）；定期开展应急演练，提高工作人员应对能力；④ 选址科学：核电站选址远离人口密集区、地震活跃带、沿海高海啸风险区（如福岛核电站因海啸导致冷却系统失效，引发核泄漏）。
幻灯片 12：拓展思考
为什么太阳内部的核聚变能持续数十亿年，而人类制造的氢弹只能瞬间爆炸？（提示：太阳内部有巨大的质量和引力，能持续维持高温高压环境，使核聚变稳定进行；氢弹的核聚变是由原子弹爆炸瞬间提供高温高压，条件无法持续，因此能量瞬间释放）
核废料的半衰期长达数万年，目前人类主要采用 “深埋地下” 的方式处理（如芬兰的翁卡洛核废料储存库，计划将废料密封后深埋 500 米地下，设计使用 10 万年），你认为这种方式是否可靠？未来可能有哪些更先进的核废料处理技术？（提示：可靠性需考虑地质稳定性、容器耐腐蚀能力等；未来技术可能包括 “核废料嬗变”—— 用中子轰击放射性废料，将其转化为短半衰期或无放射性的物质；或 “深海储存”—— 将废料密封后沉入深海海沟，但需考虑海洋环境影响）
幻灯片 13：结束语
总结与延伸：本节课我们学习了核能的两种产生方式、核电站的工作原理及核能的多领域应用，也认识到其
北师大版2024版物理九年级全册【精做课件】
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
16.3核能的开发与利用
第十六章 永恒的探索_宇宙和粒子
a
i
T
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N
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1.核聚变
(1)轻原子核结合成　　　　 的原子核,会释放出核能,这种核反应叫做聚变。聚变常称为.
　　　反应。太阳的能量来自核聚变。
(2)应用:　　　　是根据核聚变原理制成的。
能源利用中的问题及对策
2.问题:(1)传统能源的逐渐枯竭,人们称其为“　　　　　　”;(2)能源利用中的 .
　　　　　　 　的大量排放对环境及生态造成破坏;(3)能源利用的安全问题。
3.相应对策:(1)全民　　　　意识;(2)　　　　　　　　　　;(3)开发
　　　　　　　　　　　　　　　　等清洁型能源。
较重
热核
氢弹
能源危机
硫化物、
节能
提高能源利用率
核能、太阳能、风能、地热能
碳氧化物和粉尘　
4、新能源的开发和利用
1.核能:核(裂变)发电技术已经成熟,我国正在建设或已投入使用的核电站是江苏　　　核电站、浙江　　　　核电站、广东　　　　　　核电站。要从根本上满足人类对能源的需求,还期待物理学家在　　　　　　　　研究中实现质的突破。
5.太阳能:太阳能技术包括太阳跟踪系统、各种太阳能　　　　装置(　　　　　　、透镜式聚光集光器等)、　　　　　　、太空太阳能发电站以及各种太阳能　　　　　　等。
6.地热能:地热资源是指地球陆地表面以下　　　　　　深度以内,温度为15～400 ℃的地热能量。应用:地热　　　　。
7.其他新能源的开发与利用:主要是指风能、　　　　　　、生物能、　　　　等绿色能源。
田湾
秦山
大亚湾
可控核聚变
收集
真空管集热器
太阳能电池
热水器
10 km
发电
海洋能
氢能
命题点1　各种形式的能量
1.如图所示,在空中运动的足球具有　　　　;太阳内部的原子核在发生剧烈的变化,使太阳具有　　　　;暖气片中的水,大量的水分子在做无规则的热运动而具有　　　　;电池一旦接入闭合回路,其内部的化学成分将持续发生反应,此时电池具有　　　　,运动形式的多样性,对应着能量形式的多样性。
机械能
在空中运动的足球
一缕阳光
烫手的暖气片
电池
太阳能
内能
化学能
命题点2　电能的利用
2.发电机发电,把　　　　转化为电能;电动机工作,把电能转化为　　 　;使用电熨斗,把电能转化为　　　　;给电池充电,把电能转化为　　　　……从能量转化和利用角度看,现代化的生活就是以　　　　为中心的能量转化和利用过程。
机械能
机械能
内能
化学能
电能
命题点3　核电站的原理
3.如图所示是核电站示意图,其主要有　　　 　、核蒸汽供应系统和汽轮机发电系统三部分组成。核反应堆是一种能控制链式反应的装置,利用核反应堆工作时释放的能量使水汽化,推动蒸汽轮机带动发电机发电,即为核电站的原理。其能量转化为　　　　能——　　　　能——
　　　　能——　　　　能。
核反应堆
核
内
机械
电
15.科学思维阅读下面短文,回答文后问题。
　　核电站的核心装置是核反应堆,它以铀为核燃料,核反应堆中放出的核能转化为高温蒸汽的内能,通过蒸汽轮机、发电机转化为电能,如图所示是核电站发电的原理示意图。
　　第一回路中的水或其他液体用泵压入核反应堆,在那里被加热,进入热交换器,把热量传给第二回路的水,以后又被泵压回到核反应堆里。
　　在热交换器内,第二回路的水经加热生成高温高压蒸汽,送入蒸汽轮机,驱动汽轮机做功后温度和压强都降低,进入冷凝器,最后又由泵把它压回热交换器,高速旋转的蒸汽轮机带动发电机发电。
(1)从核反应堆到发电机,能量的转化过程是核燃料的　 　能→水的　 　能→蒸汽轮机的
　 　能→发电机输出的　　能。
(2)猜想:在第一回路的核反应堆的外围,有一层厚厚的水泥防护层,其作用是　 　。
(3)冷凝器中发生的物态变化是　 　,这时水要　 　热。
(4)在第二回路中,用水作为循环剂,原因是水的　 　大。
核
内
机械
电
防止核辐射
液化
放
比热容
1. ［2024·乌鲁木齐模拟］原子弹和氢弹爆炸时释放核能的
方式依次是( )
A
A. 核裂变 核聚变 B. 核聚变 核裂变
C. 核裂变 核裂变 D. 核聚变 核聚变
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2. ［2024·莆田期末］北京时间2023年8月24日12时，日本福
岛第一核电站启动核污染水排海，转嫁核污染风险，极不负
责任。日本政府将福岛污染水含氚量同核电站正常排放冷却
水含氚量相提并论，刻意混淆核污水和核废水的概念。福岛
第一核电站的核能获取方式是( )
C
A. 轻核裂变 B. 重核聚变 C. 重核裂变 D. 轻核聚变
返回
3. ［2024·湖北改编］2024年5月25日，我国第三代核电站
“华龙一号”示范工程全面建成。关于核能的利用，下列说法
正确的是( )
D
A. 核能发电仍存在排放二氧化碳和有毒气体的问题
B. “华龙一号”利用聚变产生能量
C. 核燃料中的铀原子核由大量质子和电子组成
D. 核废料仍具有放射性，一般深埋在人烟稀少的地方
返回
4. 加强核安全已成为国际社会共识。下列有关核安全和核
污染的说法正确的是( )
C
A. 图中属于核辐射标志的是A
B. 核设施、核活动、核材料和其他放射性物质
都有产生核辐射的危险，我们应禁止使用核能
C. 排放核污水后，放射性物质会随着海洋生物
进入人类食物链，影响子孙后代
D. 核污水是通过海底隧道排放的，海洋容纳性
强，没有任何污染
返回
5. 我国的“长征18号”核潜艇可搭载更强大的巨浪
型潜射洲际导弹，图____是其内部核反应堆通过________
（选填“核聚变”或“核裂变”）获得能量的示意图。在太阳内
部，发生图____中的________（选填“核裂变”或“核聚变”），
产生光和热。
乙
核裂变
甲
核聚变
返回
6.［2024·石家庄模拟改编］如图为核电站发电流程图，核电
站发电过程中，____能转化为蒸气的内能，该能量转化是在
__________中进行的；汽轮机工作，内能转化为______能，
发电机将其转化为电能输出。
核
核反应堆
机械
返回
7.海阳核电厂在利用核能发电时，核燃料反应堆中的铀
发生的链式反应是______（选填“可控”或“不可控”）的。该
核电厂的单个机组，如果仅供电，每秒提供的电能为
；若在供电的同时进行供热，每秒提供的电能为
、热量为 ，对单个机组核燃料反应堆产
生的能量使用效率提高了。则给居民供热 ，
相当于完全燃烧__________ 标准煤产生的热量；单个机组
核燃料反应堆每秒产生的能量为________ 。（标准煤的热值
取 ）
可控
返回
必做作业：从教材习题中选取；
选做作业：完成练习册本课时的习题.
谢谢观看！

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