高三物理核聚变教案27。

一名爱岗敬业的教师要充分考虑学生的理解性，高中教师要准备好教案，这是教师工作中的一部分。教案可以让学生们充分体会到学习的快乐，使高中教师有一个简单易懂的教学思路。优秀有创意的高中教案要怎样写呢？以下是小编为大家收集的“高三物理核聚变教案27”希望对您的工作和生活有所帮助。

第3节核聚变
三维教学目标
1、知识与技能
（1）了解聚变反应的特点及其条件；
（2）了解可控热核反应及其研究和发展；
（3）知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。
2、过程与方法：通过让学生自己阅读课本，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力
3、情感、态度与价值观
（1）通过学习，使学生进一步认识导科学技术的重要性，更加热爱科学、勇于献身科学；
（2）认识核能的和平利用能为人类造福，但若用于战争目的将给人类带来灾难，希望同学们努力学习，为人类早日和平利用核聚变能而作出自己的努力。
教学重点:聚变核反应的特点。聚变反应的条件。
教学方法:教师启发、引导，学生讨论、交流。
教学用具：多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。
（一）引入新课
1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功。从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，我国仅用了两年零八个月。前苏联用了四年，美国用了7年。氢弹爆炸释放核能是通过轻核的聚变来实现的。这节课我们就来研究聚变的问题。

（二）进行新课
1、聚变及其条件
提问：什么叫轻核的聚变？（两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变）
提问：为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？（因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大）
归纳补充：
（1）氢的聚变反应：
21H+21H→31He+11H+4MeV、21H+31H→42He+10n+17.6MeV
（2）释放能量：
ΔE＝Δmc2＝17.6MeV，平均每个核子释放能量3MeV以上，约为裂变反应释放能量的3～4倍
提问：请同学们试从微观和宏观两个角度说明核聚变发生的条件？
结论：
微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。
宏观上：要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温。
聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去，在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。
说明：
（1）热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！
（2）上世纪四十年代，人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹，氢弹是利用热核反应制造的一种在规模杀伤武器，在其中进行的是不可控热核反应，它的威力是原子弹的十几倍。
提问：氢弹爆炸原理是什么？
阅读教材：课本图19.7-1是氢弹原理图，它需要用原子炸药来引爆，以获得热核反应所需要的高温，而这些原子炸药又要用普通炸药来点燃。

2、可控热核反应
（1）聚变与裂变相比有很多优点
提问：目前，人们还不能控制核聚变的速度，但科学家们正在努力研究和尝试可控热核反应，以使核聚变造福于人类。我国在这方面的研究和实验也处于世界领先水平。请同学们自学教材，了解聚变与裂变相比有哪些优点？
可控热核反应发展进程：
例1：一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是21H+31H→42He+10n，其中氘核的质量：mD=2.014102u、氚核的质量：mT=3.016050u、氦核的质量：mα=4.002603u、中子的质量：mn=1.008665u、1u=1.6606×10-27kg，e=1.6022×10-19C，请同学们求出该核反应所释放出来的能量。
根据质能方程，释放出的能量为：
平均每个核子放出的能量约为3.3MeV，而铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。
总结：聚变与裂变相比，这是优点之一，即轻核聚变产能效率高。
常见的聚变反应：21H+21H→31He+11H+4MeV、21H+31H→42He+10n+17.6MeV。在这两个反应中，前一反应的材料是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反应的产物，所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成部分，在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的。从这个意义上讲，轻核聚变是能源危机的终结者。
总结：聚变与裂变相比，这是优点之二，即地球上聚变燃料的储量丰富。
如1L海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L汽油。
总结：聚变与裂变相比，优点之三，是轻核聚变反应更为安全、清洁。
实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。另外，氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂就所生成的废物的数量少，容易处理。
（2）我国在可控热核反应方面的研究和实验发展情况。
EAST全超导托卡马克实验装置以探索无限而清洁的核聚变能源为目标，这个装置也被通称为“人造太阳”，能够像太阳一样给人类提供无限清洁的能源。目前，由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置大部件已安装完毕，进入抽真空降温试验阶段。我国的科学家就率先建成了世界上第一个全超导核聚变“人造太阳”实验装置，模拟太阳产生能量。

延伸阅读

第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护教师用书

一名合格的教师要充分考虑学习的趣味性，高中教师在教学前就要准备好教案，做好充分的准备。教案可以让学生们充分体会到学习的快乐，让高中教师能够快速的解决各种教学问题。优秀有创意的高中教案要怎样写呢？下面是由小编为大家整理的“第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护教师用书”，希望对您的工作和生活有所帮助。

第3节核聚变
第4节核能的利用与环境保护
学习目标知识脉络
1.知道聚变反应的特点及其条件，并能计算核聚变释放的能量．(重点)
2.了解可控热核反应及其研究和发展前景．(难点)
3.了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类．(重点)
4.了解核能利用的优势、危害及其防护措施.
轻核聚变与可控热核聚变反应
[先填空]
1．轻核聚变
采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式可获得核能．这样的核反应称为轻核聚变．
2．太阳内部核聚变的反应方程
21H＋31H→42He＋10n.
3．核子聚变的条件
要使核子发生聚变，必须使核子接近核力能发生作用的范围．
4．物质第四态——等离子态
高温等离子体的密度及维持时间达到一定值时才能实现聚变．
5．约束等离子体的三种方式
引力约束、磁约束、惯性约束．
[再判断]
1．太阳中发生的是可控热核聚变反应．(×)
2．轻核发生聚变反应不需要条件．(×)
3．轻核发生聚变反应核子必须接近到核力发生作用的范围．(√)
[后思考]
为什么制造氢弹必须要具有制造原子弹的能力？
【提示】氢弹爆炸是热核反应，需要达到几百万摄氏度的高温才能进行，只有利用原子弹爆炸时的高温高压，才能使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件，故只有具备了制造原子弹能力的国家才能制造氢弹．
[核心点击]
1．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能，有一种办法就是把它们加热到几百万开尔文的高温．
2．轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．
3．核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．
(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去．
(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．
4．核聚变的应用
(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．
(2)可控热核反应：目前处于探索阶段．
5．重核裂变与轻核聚变的区别
重核裂变轻核聚变
放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
核废料
处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1L海水中大约有0.03g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300L汽油相当
可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
1．(多选)以下说法正确的是()
A．聚变是裂变的逆反应
B．如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量
C．聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，所以聚变反应又叫热核反应
D．裂变反应速度可以实现人工控制，但却不容易控制轻核聚变反应速度
【解析】聚变是轻核聚合成次轻核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二者无直接关系，故A错．聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，故B错．核聚变反应是热核反应，需数百万度的高温，但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，故C正确，现在已经能实现裂变反应速度的人工控制，但除氢弹外，还不能实现轻核聚变的人工控制，D正确．
【答案】CD
2．(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的是()【导学号：64772054】
A.31H＋21H―→42He＋10n是核聚变反应
B.31H＋21H―→42He＋10n是β衰变
C.23592U＋10n―→14456Ba＋8936Kr＋310n是核裂变反应
D.23592U＋10n―→14054Xe＋9438Sr＋210n是α衰变
【解析】31H＋21H―→42He＋10n是轻核聚变反应，A正确，B错误；23592U＋10n―→14456Ba＋8936Kr＋310n和23592U＋10n―→14054Xe＋9438Sr＋210n均为重核裂变反应，C正确，D错误．
【答案】AC
3．氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：21H＋31H―→42He＋x，式中x是某种粒子．已知：21H、31H、42He和粒子x的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u；1u＝931.5MeVc2，c是真空中的光速．由上述反应方程和数据可知，粒子x是________，该反应释放出的能量为________MeV(结果保留3位有效数字)．
【解析】根据质量数和电荷数守恒可得x是10n(中子)．核反应中的质量亏损为Δm＝2.0141u＋3.0161u－4.0026u－1.0087u＝0.0189u
所以该反应释放出的能量为
ΔE＝Δmc2＝17.6MeV.
【答案】10n(或中子)17.6
对轻核聚变理解的两个误区
(1)误认为聚变就是裂变的逆反应．产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解透，裂变时重核分裂成中等核，而聚变是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应．
(2)不能正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程．这是由对以上四种核反应方程的理解不深刻造成的．这四种方程在形式上很相近，因此判断时容易混淆出错，要想正确判断必须抓住它们的实质：核聚变是轻核结合成质量较大的核，也会放出中子；重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核，并放出几个中子；人工转变常用α粒子或中子去轰击原子核，产生新原子核并放出一个或几个粒子；衰变是原子核自发地转变为另一种核，并向外辐射出α粒子或β粒子的反应，衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种．
核能的利用及环境保护
[先填空]
1．核电站：将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂．
工作流程：将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能，再利用蒸汽驱动汽轮机发电转化为电能．
燃料：反应堆以23592U为燃料．
2．核武器：原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器．
3．核能的优势
(1)核能发电比燃煤发电的成本低．
(2)核电站对环境污染比燃煤发电小得多．
4．核能利用存在的危害
(1)核废料的高辐射性．
(2)放射性物质泄漏，产生核污染．
(3)核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏．
[再判断]
1．太阳自身强大的引力把高温等离子体约束在一起，维持了其内部的热核反应的进行．(√)
2．磁压缩装置中的环形线圈通电后可以产生磁场，将等离子体约束在环形真空室内．(√)
3．目前，可控热核聚变已经被广泛应用于核电站发电．(×)
[后思考]
原子弹和氢弹的装置有何不同？
【提示】(1)原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置．
(2)氢弹是一种靠惯性约束、不需人工控制而实现聚变的反应装置．
[核心点击]
1．核能利用
核原料提供的能量巨大，1kg铀释放的全部能量大约相当于2700t标准煤完全燃烧放出的能量．地球上的常规能源一般都无法跟核能相比．除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔．热核反应所需的氘更是储量丰富．核原料的运输和储存方便，如：一座100万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场．
核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护．
2．环境保护
核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物，外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳．这些措施大大提高了核能利用的安全性．
3．废料处理
对核废料先回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库．加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性．
4．核电站
(1)原理
原子核的链式反应是在人工控制下进行．释放的核能转化为内能，再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能，使核能为人类和平建设服务．
(2)优点
①核能发电比燃煤发电的成本低，一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30t左右，而同样功率的燃煤发电站每年要消耗250万吨优质煤．
②核电站对环境的污染要比燃煤发电小得多．
4．(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是()
A．核能发电对环境的污染比火力发电要小
B．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
C．所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能
D．如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理更简单，对环境污染更小
【解析】目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核能是比较清洁的能源，故A、B正确，C错，如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理起来比铀核裂变废料更容易，对环境污染也更小，D正确．
【答案】ABD
5．(多选)关于核能的利用，下列说法正确的是()
A．核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能，再转化为电能
B．采用“内爆法”促使链式反应，做成的原子弹设计难度大，但材料利用率高
C．核燃料的危害主要是其具有放射性
D．太阳发光主要来自太阳内部重核裂变产生的核能
【解析】核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能，A正确．“内爆法”难度大，但材料利用率高，B正确．放射性对人体和环境都有危害，C正确，太阳发光主要来自太阳内部轻核聚变反应释放的能量，D错误．
【答案】ABC
学业分层测评(十三)
(建议用时：45分钟)
学业达标]
1．太阳每秒辐射出来的能量约为3.8×1026J，这些能量是()
【导学号：64772109】
①重核的裂变反应中产生的
②轻核的聚变反应中产生的
③原子核的衰变反应中产生的
④热核反应中产生的
A．①②B．②③
C．③④D．②④
【解析】由于太阳的主要成分是氢，它释放出的巨大能量来源于氢核的聚变反应．这一反应又叫热核反应，故D正确．
【答案】D
2．关于核电站，以下说法正确的是()
A．核电站中的核反应是无法控制的
B．目前核电站主要原料是铀，能量主要来源于核聚变
C．采用增殖反应堆可以使核原料充分利用
D．核电站使用过的核燃料还可以在火力发电厂中二次利用
【解析】目前核电站主要原料是铀，能量主要来源于核裂变，其反应是可以通过控制棒控制反应速度的快慢，A、B均错．采用增殖反应堆可以充分利用铀235之外的原料从而放出更多能量，C对．核废料具有放射性，不能再通过燃烧的方式二次发电，D错．
【答案】C
3．(多选)我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英名称：EAST，俗称“人造太阳”)．设可控热核实验反应前氘核(21H)的质量为m1，氚核(31H)的质量为m2，反应后氦核(42He)的质量为m3，中子(10n)的质量为m4，光速为c，正确说法正确的是()
【导学号：64772055】
A．这种装置中发生的核反应方程式是21H＋31H―→42He＋10n
B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4
C．核反应放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2
D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同
【解析】核反应方程为21H＋31H―→42He＋10n，选项A正确；反应过程中向外释放能量，故质量有亏损，且释放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项B错误，C正确；可控热核反应为核聚变，大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，可控热核反应目前还不能用于核电站实现发电，故D错误．
【答案】AC
4．(多选)我国在极其困难的情况下，完成了“两弹一星”，长了中国人的志气，打破了西方的讹诈，下列核反应方程中，属于研究两弹的基本核反应方程的是()
【导学号：64772110】
A.147N＋42He―→178O＋11H
B.23592U＋10n―→9038Sr＋13654Xe＋1010n
C.23892U―→23490Th＋42He
D.21H＋31H―→42He＋10n
【解析】“两弹”指原子弹和氢弹，原子弹的核反应方程是铀核裂变，B选项正确，氢弹的核反应方程是轻核聚变，D选项正确．
【答案】BD
5．(多选)2006年9月28日，我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了EAST装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1000s，温度超过1亿度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平．合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方．核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，32He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是()
A．两个氘核聚变成一个32He所产生的另一个粒子是质子
B．两个氘核聚变成一个32He所产生的另一个粒子是中子
C．两个氘核聚变成一个32He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2
D．与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废物具有放射性
【解析】由核反应方程221H→32He＋10X知，X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚变反应的污染非常小，而现行的裂变反应的废料具有很强的放射性，故A、C错误，B、D正确．
【答案】BD
6．(多选)我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应方程有：(1)23592U＋10n→9038Sr＋13654Xe＋k10n；(2)21H＋31H→42He＋d10n；关于这两个方程，下列说法正确的是()
A．方程(1)属于α衰变
B．方程(1)属于重核裂变
C．方程(2)属于轻核聚变
D．方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1
【解析】方程(1)属于重核裂变，方程(2)属于轻核聚变，故A错，B、C对．据核反应中的质量数守恒和电荷数守恒，可求出k＝10，d＝1，故D对．
【答案】BCD
7．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为
11H＋126C―→137N＋Q1①，
11H＋157N―→126C＋X＋Q2②，
方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：
原子核11H
31H
42He
126C
137N
157N

质量/u1.00783.01664.002612.000013.005715.0001
则可以推断X是________，方程中Q1和Q2的大小关系是Q1________Q2.
【解析】由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为42He，①式的质量亏损为Δm1＝1.0078u＋12.0000u－13.0057u＝0.0021u．②式的质量亏损为Δm2＝1.0078u＋15.0001u－12.0000u－4.0026u＝0.0053u，所以Δm2Δm1根据质能方程ΔE＝Δmc2可求解Q2Q1.
【答案】42He
8．物理学家们普遍相信太阳发光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的核聚变反应．根据这一理论，在太阳内部4个氢核(11H)转化成一个氦核(42He)和两个正电子(01e)并放出能量．已知质子质量mp＝1.0073u，α粒子的质量mα＝4.0026u，电子的质量me＝0.0005u．1u的质量对应931.5MeV的能量．
(1)写出该热核反应方程；
(2)一次这样的热核反应释放出多少兆电子伏的能量？(结果保留四位有效数字)
【解析】(1)热核反应方程为411H→42He＋201e.
(2)质量亏损为Δm＝4mp－mα－2me＝(4×1.0073－4.0026－2×0.0005)u＝0.0256u
ΔE＝0.0256×931.5MeV＝23.85MeV.
【答案】(1)411H→42He＋201e(2)23.85MeV
能力提升]
9．(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是()
【导学号：64772056】
A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H→42He＋10n
B．“人造太阳”的核反应方程是23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋310n
C．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同
D．核燃烧的质量相同时，聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多
【解析】21H＋31H→42He＋10n是氢核聚变方程，故A项正确；根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，氢核聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多，D正确．
【答案】AD
10．(多选)如图431所示，托卡马克(tokamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．根据以上信息，下列判断中可能正确的是()
图431
A．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似
B．线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出
C．这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同
D．这种装置是科学家设想的其中一种方案
【解析】聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A对；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用旋转而不溢出，故B对；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C错；该装置是科学家设想的其中一种方案，故D对．
【答案】ABD
11．我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克实验装置运行获得重大进展，这标志着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列．该反应所进行的聚变过程是21H＋31H―→42He＋10n，反应原料氘(21H)富存于海水中，而氚(31H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通过中子轰击锂核(63Li)的人工核转变得到．
(1)请把下列用中子轰击锂核(63Li)产生一个氚核(31H)和一个新核的人工核转变方程填写完整：________＋10n―→________＋31H.
(2)在(1)中，每产生1g氚的同时有多少个63Li核实现了核转变？(阿伏加德罗常数NA取6.0×1023mol－1)
(3)一个氘核和一个氚核发生核聚变时，平均每个核子释放的能量为5.6×10－13J，求该核聚变过程中的质量亏损．
【解析】(1)核反应方程为：63Li＋10n―→42He＋31H.
(2)因为1g氚为13mol，根据核反应方程，实现核转变的63Li也为13mol，所以有2.0×1023个63Li实现了核转变．
(3)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，核聚变反应中有5个核子参加了反应，5个核子释放总能量ΔE＝5×5.6×10－13J＝2.8×10－12J，所以质量亏损为Δm＝ΔEc2＝2.8×10－123×1082kg＝3.1×10－29kg.
【答案】(1)63Li42He
(2)2.0×1023个
(3)3.1×10－29kg
12．核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源．近几年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站．一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子．若已知氘原子的质量为2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u,1u＝1.66×10－27kg.
(1)写出氘和氚聚变的反应方程；
(2)试计算这个核反应释放出来的能量；
(3)若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗氘的质量？(一年按3.2×107s计算，光速c＝3.0×108m/s，结果取两位有效数字)
【解析】(1)氘和氚聚变的反应方程为21H＋31H→42He＋10n.
(2)该反应过程的质量亏损Δm＝2.0141u＋3.0160u－4.0026u－1.0087u＝0.0188u＝3.1208×10－29kg
释放的核能ΔE＝Δmc2＝3.1208×10－29×(3×108)2J＝2.8×10－12J.
(3)设每年要消耗的氘的质量为M，氘原子的质量为MD
由能量守恒可得：MMDΔEη＝Pt
可得：M＝ptMDΔEη＝
3.0×105×103×3.2×107×2.0141×1.66×10－272.8×10－12×0.5kg＝23kg.
【答案】(1)21H＋31H→42He＋10n(2)2.8×10－12J(3)23kg

高三物理磁场

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磁场

磁场基本性质

一、磁场的描述

1、磁场的物质性：与电场一样，也是一种物质，是一种看不见而又客观存在的特殊物质。

存在于(磁体、通电导线、运动电荷、变化电场、地球)周围。

2、基本特性：对放入磁场中的（磁极、电流、运动的电荷）有力的作用，它们的相互作用通过磁场发生。

3、方向规定：

①磁感线在该点的切线方向;

②磁场中任一点小磁针北极(N极)的受力方向(小磁针静止时N的指向)为该处的磁场方向。

③对磁体：外部(NS),内部(SN)组成闭合曲线；这点与静电场电场线(不成闭合曲线)不同。

④用安培左手定则判断

4、磁感线：磁场中人为地画出一系列曲线，曲线的切线方向表示该位置的磁场方向，曲线的疏密能定性地表示磁场的强弱，这一系列曲线称为磁感线。电场中引入电场线描述电场，磁场中引入磁感线描述磁场。

定义：磁场中人为引入的一系列曲线来描述磁场，曲线的切线表示该位置的磁场方向，其蔬密表示磁场强弱。

物理意义：描述磁场大小和方向的工具(物理摸型)，磁场是客观存在的，磁感线是一种工具.

不能认为有(无)磁感线的地方有(无)磁场。人为想象在磁场中画出的一组有方向的曲线．

1．疏密表示磁场的强弱．

2．每一点切线方向表示该点磁场的方向，也就是磁感应强度的方向．

3．是闭合的曲线，在磁体外部由N极至S极，在磁体的内部由S极至N极．磁线不相切不相交。

4．匀强磁场的磁感线平行且距离相等．没有画出磁感线的地方不一定没有磁场．

5．安培定则：姆指指向电流方向,四指指向磁场的方向.注意这里的磁感线是一个个同心圆,每点磁场方向是在该点切线方向

*熟记常用的几种磁场的磁感线：

5、磁场的来源：

(1)永磁体（条形、蹄形）

(2)通电导线（有各种形状：直、曲、环形电流、通电螺线管）

(3)地球磁场（和条形磁铁相似）有三个特征：(磁极位置?赤道处磁场特点?南北半球磁场方向?)

①地磁的N极的地理位置的南极，

②地磁B（水平分量：（南北）坚直分量：南半球：垂直地面而上向；北半球：垂直地面而向下。）

③在赤道平面上：距地球表面相等的各点，磁感强度大小相等、方向水平向北

(4)变化的电场（后面再讲法拉第电磁感应定律和电磁波）

二、电流磁场的方向叛断：安培右手定则（重点）、直、环、通电螺线管）

一定要熟悉五种典型磁场的磁感线空间分布（正确分析解答问题的关健）

脑中要有各种磁源产生的磁感线的立体空间分布观念

能够将磁感线分布的立体、空间图转化成不同方向的平面图（正视、符视、侧视、剖视图）

会从不同的角度看、画、识各种磁感线分布图

⑴直线电流的磁场

特点：无磁极、非匀强、且距导线越远处磁场越弱；直线电流磁场的磁感线的立体图、横截面、纵截面图如图1所示。

⑵通电螺线管的磁场

特点：与条形磁铁的磁场相似，管内为匀强磁场，且磁场最强，管外为非匀强磁场；通电螺线管磁场的磁感线的立体图、横截面图、纵截面图如图2所示。

⑶环形电流的磁场

特点：环形电流的两侧是N极和S极，且离圆环中心越远，磁场越弱；环形电流的磁感线的立体图、横截面图、纵截面图如图A-11-50-3所示。

⑷地磁场

(5)变化的电磁场

三、磁现象的电本质（磁产生的实质）后面讲到光现象的电本质

安培分子环型电流假说：分子、原子等物质的微粒内部存在一种环形电流，叫分子电流。这种环形电流使得每个物质微粒成为一个很小的磁体。这就是安培分子电流假说。

它能解释各种磁现象：软铁棒的磁化、高温，猛烈的搞击而失去磁性等。

本质：（磁体、电流、运动电荷）的磁场都是由运动电荷产生的，并通过磁场相互作用的。

任何磁现象的出现都以“电荷的运动(有形无形)”为基础。

一切磁现象归结为：运动电荷（或电流）之间通过磁场发生相互作用。

“电本质”实质为运动电荷（成形电流）：静止的电荷在磁场中不会受到磁场力；有磁必有电(对)，有电必有磁(错)。

实验：奥斯特沿南北方向放置的导线下面放置小磁针，导线通电后，小磁针发生偏转。

罗兰实验：把大量的电荷加在橡胶盘上,然后使盘绕中心轴线转动,如图：在盘在附近用小磁针来检验运动电荷产生的磁场.

结果发现：带电盘转动时，小磁针发生了偏转，而且改变转盘方向，小磁针偏转方向也发生转变。

此实验说明；电荷运动时产生磁场,即磁场是由运动电荷产生；(即：一切磁场都来源于运动电荷,揭示了磁现象的电本质。)

两个重要概念：磁感强度B，磁通量

磁感强度(B)从力的角度描述磁场性质，磁通量()从能量角度描述磁场的性质。

一、磁感应强度

1．磁场的最基本的性质：对放入其中的(磁极,电流,运动的电荷)有力的作用,都称为磁场力。I⊥B时,F最大=BIL；I//B时,F=0。

2．定义B：注意情境和条件：

在磁场中垂直于磁场方向的通电导线受到的磁场力F跟电流强度I和导线长度L的乘积IL的比值，叫做通电导线所在处的磁感应强度．

定义①当I⊥B时，B=矢量{F⊥(B和I构成的平面)。即既F⊥B；也F⊥I}N/Amkg/AS2

定义②当面积S⊥B时，B=单位面积的磁感线条数，B的蔬密反映磁场的强弱

注意：磁场某位置B的大小，方向是客观存在的，是磁场本身特性的物理量。与(I大小、导线的长短，受力)都无关。即使导线不载流，B照样存在。

①表示磁场强弱的物理量．是矢量．

②大小：B=F/IL(电流方向与磁感线垂直时的公式)．

③方向：左手定则：是磁感线的切线方向；是小磁针N极受力方向；是小磁针静止时N极的指向．不是导线受力方向；不是正电荷受力方向；也不是电流方向．

④单位：牛/安米，也叫特斯拉，国际单位制单位符号T．

⑤点定B定：B只与产生磁场的源及位置有关。就是说磁场中某一点定了，则该处磁感应强度的大小与方向都是定值．

⑥匀强磁场的磁感应强度处处相等．

⑦磁场的叠加：空间某点如果同时存在两个以上电流或磁体激发的磁场,则该点的磁感应强度是各电流或磁体在该点激发的磁场的磁感应强度的矢量和,满足矢量运算法则.

说明

⑴磁场中某位置的磁感应强度的大小及方向是存在的，与放入的电流I的大小、导线的长短即L的大小无关，与电流受到的力也无关，即使不放入载流导体，它的磁感应强度也照样存在，因此不能说B与F成正比，或B与IL成反比。

⑵磁场应强度B是矢量满足分解合成的平行四边形定则，注意磁场应强度的方向就是该处的磁场方向，并不是在该处的电流的受力方向。

⑶磁场应强度的定义式是典型的比值定义法，要注意此定义式描述的物理情景及适应条件：一小段通电导体垂直磁场方向放入磁场。

典型的比值定义：(B=k)(E=E=k)(u=)

(R=R=)(C=C=)

磁感强度B：①B=②B=③qBv=mR=B=

④qBv=qeB===⑤E=BLvB=⑥B=k(直导体)⑦B=NI(螺线管)

匀强磁场：是最简单，同时也是最重要的磁场。大小相等方向处处相同，用平行等间距的直线来表示。

分布地方：异名磁极间（边缘除外），通电螺线管内部。

二、磁通量与磁通密度B（分析法拉第电磁感应的基础）

1．磁通量Φ：概念：磁感应强度B与垂直磁场方向的面积S的乘积叫穿过这个面积的磁通量，Φ＝B×S

若面积S与B不垂直，应以B乘以S在垂直磁场方向上的投影面积S′，即Φ＝BS′＝BScosθ，

磁通量的物理意义：穿过某一面积的磁感线条数．也叫做穿过这个面积的磁通量Φ。简称为磁通，表示φ．是标量．

说明：对某一面积的磁通量，一定要指明“是哪一个面积的、方向如何”

2．磁通密度B：垂直磁场方向穿过单位面积磁力线条数，即磁感应强度，是矢量．

3．在匀强磁场中求磁通量类型有：公式的适用条件：

(1)当面积S⊥B时。Φ=BS此式的适用条件是：①匀强磁场；②磁感线与平面垂直单位：韦伯Wb=Tm2

(2)S//B时,Φ=0

(3)B与S不垂直：Φ应该为B乘以S在磁场垂直方向上投影的面积(称之为“有效面积”)。Φ=BS影=BSCos(为B与投影面的夹角)

说明：

计算平面在匀强磁场中的Φ。一定要明确？面积的Φ，（方向如何）没有指明那一面积的,Φ无意义。

①曲面的磁通量Φ等于对应投影平面的Φ，不与线圈平面垂直，应该算投影面积。

②Φ是双向标量：当有磁感线沿相反方向通过同一平面时，且正向磁感线条数为φ1，反向磁感线条数为φ2，则磁通量等于穿过平面的磁感线的净条数(磁通量的代数和)，即φ=φ1一φ2。穿过平面的磁通量应该为Φ合，面积越大，低消越多。

例：由于磁感线是闭合曲线，外部（NS）内部（SN）组成闭合曲线，不同与静电场电场线（不闭合）。

所以穿过任一闭合曲面的合Φ为零，穿过地球表面的Φ为零。

③磁通量的变化△φ=φ2一φ1，其数值等于初、末态穿过某个平面磁通量的差值．

散磁场对电流的作用——安培力（左手定则）

基础知识

一、安培力

1.安培力定义：通电导线在磁场中受到的作用力叫做安培力．磁场对电流的作用力叫安培力。

说明：磁场对通电导线中定向移动的电荷有力的作用,磁场对这些定向移动电荷作用力的宏观表现即为安培力．

实验：注意条件

①I⊥B时A:判断受力大小(由偏角大小判断)改变I大小,偏角改变;I大小不变,改变垂直磁场的那部分导线长度;改变B大小.

B:F安方向与I方向B方向关系：(改变I方向；改变B方向；同时改变I和B方向)

F安方向：安培左手定则，F安作用点在导体棒中心。（通电的闭合导线框受安培力为零）

②I//B时，F安=0，该处并非不存在磁场。

③I与B成夹角时，F=BILSin(为磁场方向与电流方向的夹角)。

有用结论：“同向电流相互吸引，反向电流相排斥”。不平行时有转运动到方向相同且相互靠近的趋势。

2.安培力的计算公式：F＝BILsinθ（θ是I与B的夹角）；

①I⊥B时，即θ＝900，此时安培力有最大值；公式：F＝BIL

②I//B时，即θ＝00，此时安培力有最小值，F=0;

③I与B成夹角时，00＜B＜900时，安培力F介于0和最大值之间.

3.安培力公式的适用条件:

①公式F＝BIL一般适用于匀强磁场中I⊥B的情况,对于非匀强磁场只是近似适用(如对电流元)但对某些特殊情况仍适用．

如图所示，电流I1//I2,如I1在I2处磁场的磁感应强度为B，则I1对I2的安培力F＝BI2L，方向向左，

同理I2对I1，安培力向右，即同向电流相吸，异向电流相斥．

②根据力的相互作用原理，如果是磁体对通电导体有力的作用，则通电导体对磁体有反作用力．

两根通电导线间的磁场力也遵循牛顿第三定律．

二、左手定则

1.安培力方向的判断——左手定则：

伸开左手，使拇指跟其余的四指垂直且与手掌都在同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，并使四指指向电流方向，这时手掌所在平面跟磁感线和导线所在平面垂直，大拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向．

2.安培力F的方向：安培力F总垂直于电流与磁感线所确定的平面。

F⊥(B和I所在的平面)；即既与磁场方向垂直，又与通电导线垂直．但B与I的方向不一定垂直．

3.安培力F、磁感应强度B、电流1三者的关系

①已知I,B的方向，可惟一确定F的方向；

②已知F、B的方向，且导线的位置确定时，可惟一确定I的方向；

③已知F,1的方向时，磁感应强度B的方向不能惟一确定．

4.由于B,I,F的方向关系常是在三维的立体空间，所以求解本部分问题时，应具有较好的空间想象力，要善于把立体图画变成易于分析的平面图，即画成俯视图，剖视图，侧视图等．

规律方法1。安培力的性质和规律；

①公式F=BIL中L为导线的有效长度，即导线两端点所连直线的长度，相应的电流方向沿L由始端流向末端．

如图所示，甲中：，乙中：L/=d(直径）＝2R（半圆环且半径为R)

如图所示，弯曲的导线ACD的有效长度为l，等于两端点A、D所连直线的长度，安培力为：F=BIl

②安培力的作用点为磁场中通电导体的几何中心；

③安培力做功:做功的结果将电能转化成其它形式的能．

2、安培力作用下物体的运动方向的判断

(1)电流元法：即把整段电流等效为多段直线电流元，先用左手定则判断出每小段电流元所受安培力的方向，从而判断整段电流所受合力方向，最后确定运动方向．

(2)特殊位置法：把电流或磁铁转到一个便于分析的特殊位置后再判断安培力方向，从而确定运动方向．

(3)等效法：环形电流和通电螺线管都可以等效成条形磁铁，条形磁铁也可等效成环形电流或通电螺线管，通电螺线管也可以等效成很多匝的环形电流来分析．

(4)利用结论法：①两电流相互平行时无转动趋势，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥；

②两电流不平行时，有转动到相互平行且电流方向相同的趋势．

(5)转换研究对象法：因为电流之间，电流与磁体之间相互作用满足牛顿第三定律，这样，定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动的问题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后由牛顿第三定律，再确定磁体所受电流作用力，从而确定磁体所受合力及运动方向．

(6)分析在安培力作用下通电导体运动情况的一般步骤：

①画出通电导线所在处的磁感线方向及分布情况

②用左手定则确定各段通电导线所受安培力

③)据初速方向结合牛顿定律确定导体运动情况

(7)磁场对通电线圈的作用：若线圈面积为S，线圈中的电流强度为I，所在磁场的磁感应强度为B，线圈平面跟磁场的夹角为θ，则线圈所受磁场的力矩为：M=BIScosθ．

磁场对运动电荷的作用——洛仑兹力

一、洛仑兹力定义：磁场对运动电荷的作用力——洛伦兹力

电荷的定向移动形成电流，磁场对电流的作用力是对运动电荷作用力的宏观表现。

推导：F安=BILf洛=qBv建立电流的微观图景(物理模型)

垂直于磁场方向上有一段长为L的通电导线，每米有n个自由电荷，每个电荷的电量为q，其定向移动的速率为v。

在时间内有vt体积的电量Q通过载面，vt体积内的电量Q=nvtq

导线中的电流I==nvq导线受安培力F=BIL=BnvqL(nL为此导线中运动电荷数目)

单个运动电荷q受力f洛==qBv

（1）洛伦兹力的大小计算：F＝qvBsinα(α为v与B的夹角)注意：

①当v⊥B时，f洛最大，f洛=qBv（式中的v是电荷相对于磁场的速度）公式适用于匀强磁场且v⊥B的情况

(fBv三者方向两两垂直且力f方向时刻与速度v垂直)导致粒子做匀速圆周运动。

①v与B夹角为θ，则有②③

②当v//B时，f洛=0做匀速直线运动。

③当v与B成夹角时，(带电粒子沿一般方向射入磁场)，

可把v分解为(垂直B分量v⊥,此方向匀速圆周运动；平行B分量v//,此方向匀速直线运动)合运动为等距螺旋线运动。

④v=0，F=0,即磁场对静止电荷无作用力，只对运动电荷产生作用力。

磁场和电场对电荷作用力的差别：

只有运动的电荷在磁场中才有可能受洛仑兹力，静止电荷中磁场中不受洛仑兹力。

在电场中无论电荷是运动还是静止，都受电场力作用。

f洛=的特点：

①始终与速度方向垂直，对运动电荷永不做功，而安培力可以做功。（所以少用动能定理，多与几何关系相结合）。

②不论电荷做什么性质运动，轨迹如何，洛仑兹力只改变速度的方向，不能改变速度的大小，对粒子永不做功

（2）洛伦兹力的方向用左手定则来判断(难点)．实验：判断fBv三者方向的关系

1.洛伦兹力F的方向既垂直于磁场B的方向，又垂直于运动电荷的速度v的方向，即F总是垂直于B和v所在的平面．

2.洛伦兹力方向(左手定则)：伸出左手，让姆指跟四指垂直，且处于同一平面内，让磁感线穿过手心，四指指向正电荷运动方向（当是负电荷时，四指指向与电荷运动方向相反）则姆指所指方向就是该电荷所受洛伦兹力的方向．

说明：

①四指应指向正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向。

正电荷运动方向为电流方向(即四指的指向),负电运动方向跟电流方向相反.

②安培力是洛伦兹力的宏观表现。所以洛伦兹力的方向与安培力的方向一样可由左手定则判定。

③判定洛伦兹力方向时，一定要注意F垂直于v和B所决定的平面。当运动电荷的速度v的方向与磁感应强度B的方向平行时，运动电荷不受洛伦兹力作用，仍以初速度做匀速直线运动。

④在磁场中静止的电荷不受洛伦兹力作用。

（3）洛伦兹力的特点

洛伦兹力的方向一定既垂直于电荷运动的方向，也垂直于磁场方向．即洛伦兹力的方向垂直于速度和磁场方向决定的平面，同时，由于洛伦兹力的方向与速度的方向垂直，所以洛伦兹力的瞬时功率P＝Fvcos90o＝0，即洛伦兹力永远不做功．

二、洛伦兹力与安培力的关系

1.洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力，而安培力是导体中所有定向称动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现．

2.洛伦兹力一定不做功，它不改变运动电荷的速度大小;但安培力却可以做功．

三、不计重力的带电粒子在匀强磁场中的运动

1.分三种情况：一是匀速直线运动；二是匀速圆周运动；三是螺旋运动．

2.做匀速圆周运动：轨迹半径r=mv/qB；其运动周期T=2πm/qB(与速度大小无关)．

3.垂直进入匀强电场和垂直进入匀强磁场时都做曲线运动，但有区别：

垂直进入匀强电场，在电场中做匀变速曲线运动(类平抛运动)；

垂直进入匀强磁场，则做变加速曲线运动(匀速圆周运动)．

点评：凡是涉及到带电粒子的动能发生了变化，均与洛仑兹力无关，因为洛仑兹力对运动电荷永远不做功。

四、带电粒子在磁场中运动

１．若v//B，带电粒子以速度v做匀速直线运动。（此情况下洛伦兹力F=0）

２．若，带电粒子在垂直磁感线的平面内以入射速度v做匀速圆周运动。

⑴向心力由洛伦兹力提供⑵轨道半径公式

⑶周期⑷频率

洛仑兹力——作用下的匀速圆周运动求解方法

思路方法：明确洛仑兹力提供作匀速圆周运动的向心力

关健：画出运动轨迹图，应规范画图。才有可能找准几何关系。解题的关键。

物理规律方程：向心力由洛伦兹力提供qBv=mR=(不能直接用)T==

1、找圆心：（圆心的确定）因f洛一定指向圆心，f洛⊥v

①任意两个f洛的指向交点为圆心；

②任意一弦的中垂线一定过圆心；

③两速度方向夹角的角平分线一定过圆心。

2、求半径：①由物理规律求：qBv=mR=；②由图得出的几何关系式求

几何关系：速度的偏向角=偏转圆弧所对应的圆心角(回旋角)=2倍的弦切角；相对的弦切角相等，相邻弦切角互补

由轨迹画及几何关系式列出：关于半径的几何关系式去求。

3、求粒子的运动时间：偏向角（圆心角、回旋角）=2倍的弦切角，即=2；

4、圆周运动有关的对称规律：特别注意在文字中隐含着的临界条件

a、从同一边界射入的粒子，又从同一边界射出时，速度与边界的夹角相等。

b、在圆形磁场区域内，沿径向射入的粒子，一定沿径向射出。

5、带电粒子在有界磁场中运动的极值问题

(1)刚好穿出磁场边界的条件是带电粒子在磁场中运动的轨迹与边界相切．

(2)当速度v一定时，弧长(或弦长)越长，圆周角越大，则带电粒子在有界磁场中运动的时间越长．

6、带电粒子在复合场中无约束情况下的运动性质

(1)当带电粒子所受合外力为零时，将做匀速直线运动或处于静止状态．合外力恒定且与初速同向时做匀变速直线运动，常见的情况有：

①洛伦兹力为零(即v∥B)，重力与电场力平衡，做匀速直线运动；或重力与电场力的合力恒定，做匀变速运动．

②洛伦兹力F与重力和电场力的合力平衡，做匀速直线运动．

(2)带电粒子所受合外力做向心力，带电粒子做匀速圆周运动时．由于通常情况下，重力和电场力为恒力，故不能充当向心力，所以一般情况下是重力恰好与电场力相平衡，洛伦兹力是以上力的合力．

(3)当带电粒子受的合力大小、方向均不断变化时，粒子做非匀变速曲线运动

规律方法1、带电粒子在磁场中运动的圆心、半径及时间的确定(上面专题)

(1)用几何知识确定圆心并求半径．(2)确定轨迹所对应的圆心角，求运动时间．(3)注意圆周运动中有关对称的规律．

2、洛仑兹力的多解问题

(1)带电粒子电性不确定形成多解．

带电粒子可能带正(或负)电荷，在相同的初速度下，正负粒子在磁场中运动轨迹不同，导致双解．

(2)磁场方向不确定形成多解．

若只告知B大小，而未说明B方向，则应考虑因B方向不确定而导致的多解．

(3)临界状态不惟一形成多解．

带电粒子在洛伦兹力作用下飞越有界磁场时，它可能穿过去，也可能偏转1800从入射界面这边反向飞出．

在光滑水平桌面上，一绝缘轻绳拉着一带电小球在匀强磁场中做匀速圆周运动，若绳突然断后，小球可能运动状态也因小球带电电性，绳中有无拉力造成多解．

(4)运动的重复性形成多解．如带电粒子在部分是电场，部分是磁场空间运动时，往往具有往复性，因而形成多解．

专题:带电粒子在复合场中的运动

基础知识一、复合场的分类：

1、复合场：即电场与磁场有明显的界线,带电粒子分别在两个区域内做两种不同的运动,即分段运动,该类问题运动过程较为复杂,但对于每一段运动又较为清晰易辨,往往这类问题的关键在于分段运动的连接点时的速度,具有承上启下的作用．

2、叠加场：即在同一区域内同时有电场和磁场，些类问题看似简单，受力不复杂，但仔细分析其运动往往比较难以把握。

二、带电粒子在复合场电运动的基本分析

1.当带电粒子在复合场中所受的合外力为0时，粒子将做匀速直线运动或静止．

2.当带电粒子所受的合外力与运动方向在同一条直线上时，粒子将做变速直线运动．

3.当带电粒子所受的合外力充当向心力时，粒子将做匀速圆周运动．

4.当带电粒子所受的合外力的大小、方向均是不断变化的时，粒子将做变加速运动，这类问题一般只能用能量关系处理．

三、电场力和洛伦兹力的比较见下表:

电场力洛仑兹力

力存在条件作用于电场中所有电荷仅对运动着的且速度不跟磁场平行的电荷有洛仑兹力作用

力力大小F=qE与电荷运动速度无关F=Bqv与电荷的运动速度有关

力方向力的方向与电场方向相同或相反，但总在同一直线上力的方向始终和磁场方向垂直

力的效果可改变电荷运动速度大小和方向只改变电荷速度的方向,不改变速度的大小

做功可以对电荷做功,改变电荷的动能不对电荷做功、不改变电荷的动能

运动轨迹偏转在匀强电场中偏转，轨迹为抛物线在匀强磁场中偏转、轨迹为圆弧

1.在电场中的电荷，不管其运动与否，均受到电场力的作用；而磁场仅仅对运动着的、且速度与磁场方向不平行的电荷有洛伦兹力的作用．

2.电场力的大小F＝Eq，与电荷的运动的速度无关；而洛伦兹力的大小f=Bqvsinα,与电荷运动的速度大小和方向均有关．

3.电场力的方向与电场的方向或相同、或相反；而洛伦兹力的方向始终既和磁场垂直，又和速度方向垂直．

4.电场力既可以改变电荷运动的速度大小，也可以改变电荷运动的方向，而洛伦兹力只能改变电荷运动的速度方向.不能改变速度大小

5.电场力可以对电荷做功，能改变电荷的动能；洛伦兹力不能对电荷做功，不能改变电荷的动能．

6.匀强电场中在电场力的作用下,运动电荷的偏转轨迹为抛物线;匀强磁场中在洛伦兹力的作用下,垂直于磁场方向运动的电荷的偏转轨迹为圆弧．

四、对于重力的考虑重力考虑与否分三种情况．

（1)对于微观粒子，如电子、质子、离子等一般不做特殊交待就可以不计其重力，因为其重力一般情况下与电场力或磁场力相比太小，可以忽略；而对于一些实际物体，如带电小球、液滴、金属块等不做特殊交待时就应当考虑其重力．

（2)在题目中有明确交待的是否要考虑重力的，这种情况比较正规，也比较简单．

（3)对未知名的带电粒子其重力是否忽略又没有明确时，可采用假设法判断，假设重力计或者不计，结合题给条件得出的结论若与题意相符则假设正确，否则假设错误．

五、复合场中的特殊物理模型

1．粒子速度选择器

如图所示，粒子经加速电场后得到一定的速度v0，进入正交的电场和磁场，受到的电场力与洛伦兹力方向相反，将沿着图中所示的虚线穿过两极板空间而不发生偏转，具有其它速度的带电粒子将发生偏转，这种器件能把具有一定速度v0的带电粒子选择出来，所以叫做速度选择器。

若使粒子沿直线从右边孔中出去，则有qv0B＝qE,v0=E/B，若v=v0=E/B，

粒子做直线运动，只与速度v0有关。与粒子电量、电性、质量无关

若v＜E/B，电场力大，粒子向电场力方向偏，电场力做正功，动能增加．

若v＞E/B，洛伦兹力大，粒子向磁场力方向偏，电场力做负功，动能减少．

2.磁流体发电机

如图所示，由燃烧室O燃烧电离成的正、负离子（等离子体）以高速。喷入偏转磁场B中．在洛伦兹力作用下，正、负离子分别向上、下极板偏转、积累，从而在板间形成一个向下的电场．两板间形成一定的电势差．当qvB=qU/d时电势差稳定U＝dvB，这就相当于一个可以对外供电的电源．

3.电磁流量计．

电磁流量计原理可解释为：如图所示，一圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向左流动．导电液体中的自由电荷（正负离子）在洛伦兹力作用下纵向偏转，a,b间出现电势差．当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定．

由Bqv=Eq=Uq/d，可得v=U/Bd.流量Q=Sv=πUd/4B

4.质谱仪如图所示利用来分离各种元素和测定带电粒子的质量的仪器。

组成：离子源O，加速场U，速度选择器（E,B），偏转场B2，胶片．

原理：加速场中qU=mv2

选择器中:

偏转场中:d＝2r，qvB2＝mv2/r

比荷:

质量

作用：主要用于测量粒子的质量、比荷、研究同位素．

5.回旋加速器如图所示

组成：两个D形盒，大型电磁铁，高频振荡交变电压，两缝间可形成电压U

作用：电场用来对粒子(质子、氛核,a粒子等)加速，磁场用来使粒子回旋从而能反复加速．高能粒子是研究微观物理的重要手段．

要求：粒子在磁场中做圆周运动的周期等于交变电源的变化周期．

关于回旋加速器的几个问题：

(1)D形盒作用：静电屏蔽，使带电粒子在圆周运动过程中只处在磁场中而不受电场的干扰，以保证粒子做匀速圆周运动。

(2)所加交变电压的频率f=带电粒子做匀速圆周运动的频率:

为保证粒子每次经过磁场边界时正好赶上合适的电场方向而使其被加速，对高频电源的频率要求。

(3)最后使粒子得到的能量，，（最大能量与哪些因素有关）

在粒子电量、质量m和磁感应强度B一定的情况下，回旋加速器的半径R越大，粒子的能量就越大．

规律方法1、带电粒子在复合场中的运动2、带电粒子在叠加场中的运动3、磁偏转技术的应用

三种场的性质特点：复合场

电场磁场重力场

力的大小①F=qE

②与电荷的运动状态无关，在匀强电场中,电场力为恒力。与电荷的运动状态有关，

①电荷静止或v∥B时，不受f洛，

②v⊥B时洛仑兹力最大

f洛=qBv①G=mg

②与电荷的运动状态无关

力的方向正电荷受力方向与E方向相同，(负电荷受力方向与E相反)。f洛方向⊥(B和v)所决定的平面，(可用左手定则判定)总是竖直向下

力做功特点做功多少与路径无关，只取决于始末两点的电势差，

W=qUAB=ΔEf洛对电荷永不做功，只改变电荷的速度方向，不改变速度的大小做功多少与路径无关，只取决于始末位置的高度差，

W=mgh=ΔEp

带电质点在复合场中运动，受力特点复杂，运动多形式、多阶段、多变化。

解题的关键：受力分析、运动分析、动态分析、临界点的挖掘及找出不同运动形式对应不同的物理规律。

裂变、聚变

一位优秀的教师不打无准备之仗，会提前做好准备，作为教师准备好教案是必不可少的一步。教案可以让学生们充分体会到学习的快乐，帮助教师缓解教学的压力，提高教学质量。优秀有创意的教案要怎样写呢？为了让您在使用时更加简单方便，下面是小编整理的“裂变、聚变”，希望能为您提供更多的参考。

裂变、聚变

教学目标

1.知道重核的裂变和链式反应.

2.知道什么是聚变.

3.知道核反应堆和核电站。

4、通过介绍我国核电站的发展，对学生进行爱国主义教育。

5、通过介绍放射性污染和防护，进行环保教育。

6、了解聚变反应的特点，知道可控热核反应。

7、知道热核反应的区别及优越性。

8、通过介绍我国在可控热核反应方面成就，对学生进行爱国主义教育。

课题引入

1、核反应有些释放能量，有些吸收能量，人们想利用核能，当然必须选那些释放核能的核反应。什么样的核反应能释放核能呢？利用天然放射性放射性元素的衰变行吗？例如

U238在α衰变时放出的α粒子具有4.18MeV的能量，但它的半衰期很长，达4.49亿年，衰变非常缓慢，功率太小。利用人工转变行吗？例如

①可放出能量5.6MeV；

②可放出能量4.8MeV；

但粒子击中原子核的概率太低，只有百万分之一、二。实在得不偿失！有哪些核反应才真正具有实用价值呢？

2、说明有些重核分裂成中等质量的核，有些轻核结合成中等质量的核都能发生质量亏损放出巨大能量。物理学中，把重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应叫裂变，把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫聚变。本节（包括课本第六节、第七节）介绍裂变和聚变。

重难点分析

1、裂变和聚变

精确的研究表明原子核中核子的平均质量跟原子序数的关系，如人教社教材中图24-11所示，这个图线是解释那些核反应释放能量的根据。这个图线表达了原子核组成的重要规律。按图线分析可知，怎样的反应有质量亏损是释放能量的，从而明确：裂变是重核分裂为质量较小的核，释放核能的反应；聚变是轻核结合为质量较大的核释放出核能的反应.

2、铀核的裂变

铀核的裂变，一般分裂为两个中等质量的核，叫二分裂，产物是多种多样的，一种典型的反应如下述核反应方程所示：

（也有三分裂、四分裂现象，但出现的概率极低，约为二分裂的千分之三和万分之三。）

这个核反应的结果中，又释放出2-3个中子，这些中子又会引起其他原子核的裂变，形成链式反应，使裂变继续下去。当然维持链式反应是要有一定条件的，这个条件是，每次裂变产生的中子，至少平均有一个能再度引起裂变反应。这些中子，有的可能被杂质吸收，有可能穿出裂变物质体外，因而不能引起新的裂变发生。为维持链式反应要减少裂变物质中的杂质，增大裂变物质的体积。可以简单介绍临界体积、临界质量的概念，纯U235球形的直径约4.8cm就达到了临界体积，其临界质量大约1kg左右.

根据质能方程可以计算出上述裂变反应释放的能量为201MeV.铀核的每个核子平均释放约1MeV.

3、核电站

利用核能发电的核心设施是核反应堆.核反应堆是用人工控制链式反应的装置，教学中要重点讲述用人工方法控制链式反应速度的原理。其构造可利用挂图，分五部分予以介绍.

（1）铀棒.由浓缩铀制成，作为核燃料

（2）减速剂：常用的减速剂有石墨、重水等，使裂变中产生的快中子（能量在0.1-20MeV，平均约为2MeV）减速为慢中子（能量约为MeV），因为铀235裂变需要的是慢中子，只有通过减速，才能维持链式反应的进行.

（3）控制棒：用镉制成.镉吸收中子的能力很强，调节镉棒插入的深度，改变吸收中子的数量，达到控制链式反应速度的目的.

（5）冷却剂，常用水，液体钠等，在反应堆内外循环流动，把反应堆产生的热能传出去用以发电，同时降温，保证安全.

4、聚变

聚变时平均每个核子释放的能量是裂变时的3-4倍（可以通过质能方程计算一下：

释放17.6MeV平均每个核子释放3.52MeV）

产生轻核聚变的条件是高温。必须使轻核具有很大的动能，才能使它们接近到10－15m发生聚变.

热核反应和裂变反应相比，具有许多优越性。热核反应释放能量比裂变反应大的多；热核反应产生放射性物质处理起来比裂变反应产生放射性物质容易；热核反应用的氘，储量丰富。

我国自行研制可控热核反应装置中国环流一号于1984年9月启动。具有国际先进水平的可控热核反应实验装置HT-T超导托卡马克于1994年安装成功，标志我国在研究可控热核反应方面具有一定的实力。

巩固小结

高三物理康普顿效应教案32

第二节康普顿效应
三维教学目标
1、知识与技能
（1）了解康普顿效应，了解光子的动量
（2）了解光既具有波动性，又具有粒子性；
（3）知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性；
（4）了解光是一种概率波。
2、过程与方法：
（1）了解物理真知形成的历史过程；
（2）了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性；
（3）知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性。
3、情感、态度与价值观：领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。
教学重点：实物粒子和光子一样具有波粒二象性
教学难点：实物粒子的波动性的理解。
教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。
教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备
（一）引入新课
提问：前面我们学习了有关光的一些特性和相应的事实表现，那么我们究竟怎样来认识光的本质和把握其特性呢？（光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性，分别举出有关光的干涉衍射和光电效应等实验事实）。
我们不能片面地认识事物，能举出本学科或其他学科或生活中类似的事或物吗？
（二）进行新课
1、康普顿效应
（1）光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。
（2）康普顿效应
1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。
（3）康普顿散射的实验装置与规律：

按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！散射中出现的现象，称为康普顿散射。
康普顿散射曲线的特点：
①除原波长外出现了移向长波方向的新的散射波长
②新波长随散射角的增大而增大。波长的偏移为
波长的偏移只与散射角有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长无关，
=0.0241=2.41×10-3nm（实验值）
称为电子的Compton波长
只有当入射波长与可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。

（4）经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难
①根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。
②无法解释波长改变和散射角的关系。
（5）光子理论对康普顿效应的解释
①若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。
②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。
③因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。
（6）康普顿散射实验的意义
①有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；
②首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；③证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。
2、光的波粒二象性
讲述光的波粒二象性，进行归纳整理。
（1）我们所学的大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性。光的分立性和连续性是相对的，是不同条件下的表现，光子的行为服从统计规律。
（2）光子在空间各点出现的概率遵从波动规律，物理学中把光波叫做概率波。
3、光的波动性与粒子性是不同条件下的表现：
大量光子行为显示波动性；个别光子行为显示粒子性；光的波长越长，波动性越强；光的波长越短，粒子性越强。光的波动性不是光子之间相互作用引起的，是光子本身的一种属性。
例题：已知每秒从太阳射到地球上垂直于太阳光的每平方米截面上的辐射能为1.4×103J，其中可见光部分约占45%，假设认为可见光的波长均为0.55μm，太阳向各个方向的辐射是均匀的，日地之间距离为R=1.5×1011m，估算出太阳每秒辐射出的可见光的光子数。（保留两位有效数字）