Нестандартный урок по физике на тему"термоядерный синтез" (11 класс)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЕГО ПРОФЕССИНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВЕРХНЕОЗЕРСКИЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ТЕХНИКУМ»

Опережающая

самостоятельная

работа студентов

Урок

нестандартной

формы

— Дисциплина «Физика»

— Тема «Термоядерный синтез»

— Студенты:          Ширинкина Анна

    гр. 1-1 «В»          Грушина Татьяна

                                 Василенко Наталья

                                 Куцерубова Ксения

— Преподаватель             Казьменко

   физики:                          Елена Константиновна

20112-2013 уч.год

Тема:  «Термоядерный синтез»

Вопросы нового материала:

1.     Термоядерный синтез.

2.     Баланс энергии.

3.     Проблема термоядерной энергетики.

1 вопрос: Термоядерный синтез

Термоядерный синтез – это дешевый и экологически безопасный способ добычи энергии. На Солнце уже миллиарды лет происходит неуправляемый термоядерный синтез – из тяжелого изотопа водорода дейтерия образуется гелий. При этом выделяется колоссальное количество энергии. Однако на Земле люди пока не научились управлять подобными реакциями.

По разным прогнозам, основные источники электроэнергии на планете закончатся через 50-100 лет. Запасы нефти человечество исчерпает лет через 40, газа - максимум через 80, а урана - через 80-100 лет. Запасов угля может хватить лет на 400. Но использование этого органического топлива, причем в качестве основного, ставит планету за грань экологической катастрофы. Страны-участницы Киотского протокола, обсуждая проблемы выживания человечества, "угольные" выбросы поставили в разряд самых опасных факторов. Если сегодня не остановить столь нещадное загрязнение атмосферы (а именно угольные станции служат главным источником ее загрязнения, причем выбрасывают радиоактивных веществ в десятки раз больше, чем АЭС), ни о каких столетиях не может быть и речи. А значит, альтернативный источник энергии нам необходим уже в обозримом будущем.

И такой источник есть. Это - термоядерная энергетика, в которой используется абсолютно нерадиоактивный дейтерий и радиоактивный тритий, но в объемах в тысячи раз меньших, чем в атомной энергетике. А в возможных аварийных ситуациях радиоактивный фон вблизи термоядерной электростанции не превысит природных показателей. При этом на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 млн. раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана. И источник этот практически неисчерпаем, он основан на столкновении ядер водорода, а водород - самое распространенное вещество во Вселенной.

2

Однако проблема управляемого термоядерного синтеза настолько сложна, что самостоятельно с ней не справится ни одна страна. Поэтому мировое сообщество избрало самый оптимальный путь - создание проекта Международного термоядерного экспериментального реактора - ИТЭР, в котором на сегодня участвуют, кроме России, США, Евросоюз, Япония, Китай и Южная Корея.

Управляемый термоядерный синтез – процесс слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях. Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за кулоновского отталкивания положительно заряженных ядер. Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами, обладающими малым положительным зарядом и только при высоких температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера. В природных условиях термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в недрах звёзд, в частности во внутренних областях Солнца, и служат тем постоянным источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение миллиардов лет. С несравненно большей скоростью идут реакции между тяжёлыми изотопами водорода (дейтерием 2H и тритием 3H) с образованием сильно связанных ядер гелия.

2 вопрос:  Баланс энергии

Ранее уже отмечалось, что ядерная энергия может высвобождаться не только при делении тяжелых ядер, но также при слиянии (синтезе) легких ядер в более тяжелые. Эти реакции могут протекать при температуре 10⁷ К и выше. При нормальных условиях слияние ядер невозможно потому, что положи­тельно заряженные ядра испытывают огромные силы кулоновского отталкива­ния. При синтезе легких ядер задача сводится к тому, чтобы сблизить ядра на такие расстояния, при которых действие ядерных сил притяжения превышало бы кулоновские силы отталкивания. Для того чтобы произошло слияние атом­ных ядер, необходимо увеличить их подвижность, т. е. увеличить кинетическую энергию. Это достигается повышением температуры. За счет полученной тепловой энергии увеличивается подвижность ядер и они могут подойти друг к другу на такие близкие расстояния, что под действием ядерных сил сцепления соль­ются в новое, более сложное ядро.                                                                           

3

В результате слияния легких ядер освобождается энергия, так как образо­вавшееся новое ядро имеет большую удельную энергию связи. Если при деле­нии тяжелого ядра урана выделяется энергия порядка 1 МэВ на нуклон, то при синтезе дейтерия и трития образуется ядро гелия:

Н +  Н à   Не +     п (17,6 МэВ).

Ядро дейтерия имеет энергию связи 2,2 МэВ, ядро трития — 8,5 МэВ, а гелия — 28,3 МэВ; следовательно, при реакции выделяется энергия 28,3 МэВ—(2,2 + 8,5) МэВ = 17,6 МэВ, что в пересчете на один Нуклон дает 17,6/5 ≈ 3,52 МэВ, т. е. почти в четыре раза превосходит эффект реакции деления. Поскольку реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые происходит при очень высоких температурах (10⁷ К и выше), такие реакции получили название термо­ядерных.

Приведенная выше реакция слияния ядер дейтерия и трития легла в основу создания водородной бомбы. Запалом в такой бомбе служит атомная бомба, при взрыве которой возникает температура порядка 10⁷ К, достаточная для протекания реакция синтеза (которая в данном случае является неуправля­емой).

3. Проблема термоядерной энергетики

Неуправляемые термоядерные реакции происходят при взрывах водородных бомб, в результате чего освобождается громадное количество ядерной энергии. Овладеть управляемой термоядерной реакцией — это значит обладать самым богатым и дешевым источником энергии. Решение проблемы управляемой термоядерной реакции избавит человечество от забот об источниках энергии; в этом случае ядерным горючим станет вода морей и океанов. Но эта энергия может быть получена лишь после того, когда будут решены проблемы нагрева­ния до огромных температур большого количества легких ядер и удержания их в таком состоянии в течение заметных промежутков времени. Работы по овла­дению управляемыми термоядерными реакциями ведутся в различных направ­лениях практически во всех развитых странах мира.

В целях управления реакцией синтеза водородных ядер и создания управля­емых термоядерных реакторов разрабатываются методы создания очень боль­ших температур в водородной плазме.

В последнее время с помощью мощного лазерного излучения, сфокусированного в малом объеме среды, удалось полу­чить сверхвысокие температуры (≈10⁸К) и вызвать термоядерную реакцию.

4

Главная трудность в получении управляемой реакции состоит в том, чтобы обеспечить полную, изоляцию плазмы от стенок установки, в которой она нахо­дится. При соприкосновении со стенками установки плазма мгновенно охлаж­дается и перестает существовать. Следовательно, плазма должна быть окруже­на вакуумом. Для того чтобы удержать ее от соприкосновения со стенками установки, применяется магнитная теплоизоляция. Наиболее перспективной термоядерной установкой является «Токамак» (тороид, камера, магнит).

В заключение отметим, что температура, плотность плазмы и время ее удержания, достигнутые к настоящему времени, пока недостаточно велики для осуществления синтеза большого количества легких ядер. В настоящее время на установке «Токамак-15» в институте атом­ной энергии им. И. В. Курчатова получена плазма с температурой около 10⁶ К и време­нем ее удержания около 80 мс.

Опрос изученного материала

по теме «Физика атома и строение ядра»

Модели атома

В начале XX века признанной была модель строения атома Томсонов (Уильяма и Джозефа), образ­но называвшаяся «пудинг с изю­мом», или «кекс» (см. рисунок).

Однако была и другая модель (ее автором был японский ученый Нагаока), называвшаяся «сатурнианский атом», в ней предполага­лось, что электроны по общей ор­бите (как по «кольцу Сатурна») движутся вокруг ядра с сосредо­точенным в нем положительным зарядом.

                             Опыты Резерфорда

Такое название получили опы­ты, которые провели в лаборато­рии Резерфорда его ученики Марсден и Гейгер. На металлическую фольгу F направляли поток -частиц (ядер гелия) и через микро­скоп М наблюдали их рассеяние фольгой (по вспышкам света на экране S из сернистого цинка). Было обнаружено, что большин­ство частиц проходит сквозь фоль­гу практически беспрепятственно, но немногие частицы отбрасыва­ются почти обратно, отклоняясь ядром.                                                                                                                                                                                        5

Таким образом, эксперименты доказали:

1)  недостоверность модели Томсонов;

2)  существование ядер в атомах.

Состав ядер атомов. Изотопы

Ядро обычного водорода (протия) представляет собой один протон. Ядра атомов остальных элементов содержат несколь­ко протонов и нейтронов. Нейтрон не имеет заряда (хотя, по имеющимся данным, внутри него, как и внутри протона, есть заряженные частицы, π-мезоны, или «пионы», обоих знаков; у нейтрона их суммарный заряд равен нулю).

m_n > m_p, m_n ≈m_p + 2,5m_e,

(m_n, m_p и m_e — массы нейтрона, протона и электрона).                                                                                                                         

И протон, и нейтрон — нуклоны (ядерные частицы, от «nucleus» - ядро). Большинство химических элементов мо­жет существовать в виде нескольких изотопов (веществ, в ядрах атомов которых содержится одинаковое число про­тонов Np, но различное число нейтронов Nn).

Дефект массы. Энергия связи ядер

Масса «готового» ядра меньше суммы масс его нуклонов.

Разность ∆m = m    (N_pm_p + N_nm_n) < 0 называют дефек­том масс ядра.

Этому дефекту масс соот­ветствует энергия связи нук­лонов в ядре (энергия, с ко­торой они удерживаются там, или которая нужна для разделения всего ядра на от­дельные нуклоны). Обычно рассматривают удельную энергию связи.

       Е        МэВ

       А       нукл         где МэВ = 1,6^.10^-13Дж.

Четыре              Ядро

нуклона              гелия                                         

Ядерные реакции

Это изменения ядер при взаимодействии друг с другом или с другими «элементарными» частицами (субатомными, т.е. такими, из которых состоят атомы, или которые обра­зуются при взаимодействии субатомных частиц).

Радиоактивность

Это самопроизвольные превращения ядер одних атомов в ядра других с испус­канием трехкомпонентного излучения: ядер гелия (-частицы), быстрых элект­ронов (β-частицы) и электромагнитных волн типа рентгеновских (γ-лучи).

6

Домино по теме «Физика атома и строение ядра»

Кроссворд

по теме «Физика атома и строение ядра»

По горизонтали:

1. Единица измерения спинов (Магнетон)

2. Естественная радиоактивность солей какого элемента помогла Беккерелю исследованиях ядерной физики (Уран)

3. Кем было открыто первое явление из области ядерной физики в 1896г. (Беккерель)

4. Радиоактивность какого элемента открыли Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли (Торий)

5. Кем было произведено детальное экспериментальное изучение радиоактивных излучений (Резерфорд)

6. Один из нуклонов, из которых состоит ядро (Протон)

                               8

По вертикали:

1. Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов (Нуклид)

2. Один из нуклонов, из которых состоит ядро  (Нейтрон)

3. Измерения чего стали возможными благодаря наличию непосредственно связанных с ними магнитных моментов (Спины)

Закрепление нового материала

Краткие выводы

á Большой энергетический эффект можно получить при синтезе легких элементов. Реакции синтеза ядер требуют нагревания вещества до очень высоких температур, поэтому эти реакции называют термоядерными. Овладеть управлением термоядерными реакциями (УТС) — это значит обладать самым богатым и дешевым источником энергии.

á Термоядерные реакции происходят в недрах Солнца и звезд и являются источником энергии, компенсирующим их излучение. Солнце и звезды представляют собой как бы гигантские самоподдерживающиеся термо­ядерные реакторы, в которых протекают реакции, результатом которых является образование не только легких, но и тяжелых элементов.

9

Кроссворд

по теме «Термоядерный синтез»

По горизонтали:

1.       1. Изотоп водорода, применяющийся в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза (Тритий)

2.       2. Вид реактора для термоядерного синтеза (Стелларатор)

3.       3. Как называется термоядерный синтез, который носит управляемый характер? (Управляемый)

4.       4. Советский физик, предложивший конструктивное решение по управляемому термоядерному синтезу (Лаврентьев)

5.      5. Бомбардировка чего вызывает деление тяжелых ядер? (Нейтроны)

По вертикали:

1.      1. Что используют для создания эффективной магнитной ловушки? (Электромагниты)

2.      2. Самый распространенный элемент во Вселенной, наилучшее горючее для реакции синтеза (Водород)

3.      3. Изотоп водорода, применяющийся в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза (Дейтерий)

4.      4. В какой стране находится самый крупный в мире действующий токамак? (Великобритания)

5.      5. Вид реактора для термоядерного синтеза (Токамак)

6.      6. Что выделяется при делении тяжёлых ядер? (Энергия)

10

Домашнее задание

Задание 1.  Используя ключевое слово «Термоядерный синтез»,

                     составить новые слова и дать им определение.

Задание 2.  Подготовить презентацию нового материала

                     (по теме урока).

Задание 3. Составить «Опорный конспект» по теме урока.

11

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

Среднего профессионального образования

«Верхнеозерский сельскохозяйственный техникум»

Свидетельство

Ширинкиной Анны,

Василенко Натальи,

Грушиной Татьяны,

Куцерубовой Ксении

участниц

нестандартного урока

по физике.

Тема: «Термоядерный синтез»

1.06.2013 г.                        Преподаватель физики:

                                             _______Казьменко Е.К.

Методика организации и проведения

I. Подготовительный этап

(Совместная деятельность преподавателя и студентов по выбору учебного материала, форм и методов проведения урока, соответствующей литературы.)

II. Основной этап

Вступительное слово преподавателя.

Проведение урока студентами.

Оценка результатов деятельности студентов.

Подведение итогов.

III. Заключительный этап

Рефлексия студентов.

Примечание:

ü оформить урок в виде папки-альбома;

ü время на подготовку урока - 8-10 дней;

ü для проведения урока желательно использовать различные

  источники информации;

ü в обязательном порядке должно быть «приложение».

1

Анкета

Тема: «Термоядерный синтез»

1. Понравилась ли Вам форма проведения?

0 Да

0 Нет

2. Хотели бы Вы стать участником такого урока? Почему? _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

3. Укажите недостатки в проведении урока: _______________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

4. Укажите позитивные стороны в проведении урока:

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

5. Приемлема ли данная форма для студентов нашего техникума при изучении других дисциплин? ____________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

12

Анкета студента, проводившего урок

а) Ширинкина Анна

1.  Хотели бы вы, чтобы  нестандартные  уроки проводились по другим дисциплинам? 

Да, конечно, это было бы очень интересно. Мне кажется, что для таких уроков очень подходят литература, русский язык, иностранный язык, экология.

2. В роли «преподавателя»,  по вашему мнению,  должен выступать:

0 Однокурсник

þ Старшекурсник

3. В роли кого вы хотели бы выступать:

0 Ведущий

þ Слушатель

4. Какие другие методы опроса изученного материала вы можете предложить?

Перекрестный опрос, лото.

5. Может ли студент, ведущий урок, выставлять полученные оценки в журнал?

Думаю, что да.

б) Грушина Татьяна

1.  Справится ли один студент с ролью «преподавателя» или лучше несколько ведущих?

Правильнее, если будет один ведущий.

2. Проще ли было вести урок с помощью мультимедиапрезентации?

Конечно, двойной эффект: материал воспринимается на слух и визуально.

3. Как удобнее для вас  усваивать учебный материал:

þ По конспекту в тетради

0 По учебнику

4. Нарушается ли дисциплина во время ведения урока не преподавателем, а студентом-одногруппником:

0 Да

þ Нет

5.  Трудно ли для студента подготовиться к проведению урока?

Да, мне потребовалось пролистать много литературы, выбрать главное и правильно законспектировать.

13

в) Василенко Наталья

1. Нужно чаще проводить такого типа уроки или достаточного одного в семестр?  

Такие уроки можно проводить по разным дисциплинам, но достаточно по одному в семестр, так как студентам трудно подготовиться к ведению урока.

2.  По вашему мнению, с роль «преподавателя» лучше справится:

þ Юноша

0 Девушка

3. Темы для таких уроков должны быть:

þ Легкими

0 Трудными

4. Каждый ли студент должен побыть в роли «преподавателя» или только сильные студенты? 

Думаю, что каждый должен попробовать себя в роли «преподавателя».

5.  Конспект  должен быть расширенным или достаточно записывать только термины?

Для конспекта достаточно терминов и ключевых фраз, а остальное можно прочесть в учебнике или дополнительной литературе.

г) Куцерубова Ксения

1.  Понравился ли вам сегодняшний урок:

þ Да

0 Нет

2. Необходимо ли закрепление изученного материала или достаточно конспектирования?

Закрепление должно быть, это освежает полученные знания, делает упор на главные понятия.

3. Какие формы нужно применять для закрепления изученного материала:

þ Повторение основных терминов         0 Кроссворд                                  

þ Перекрестный опрос                             0  Лото

þ Мультимедиапрезентация                    0 Домино

4. Должен ли преподаватель присутствовать во время проведения урока студентами?

þ Да

0 Нет

5.  Сколько времени нужно отводить на закрепление изученного?

По моему мнению,  достаточно 5-10 минут

14