урок-конференция "Плюсы и минусы атомной энергетики"

Разделы: Физика, Информатика

Тип урока: обобщение материала по разделу «Квантовая физика».

Вид урока: урок-конференция.

Продолжительность – 2 часа.

Цели урока.

  • Развивающая: развивать умение отобрать необходимые знания из большого объема информации, умение делать выводы из совокупности фактов.
  • Учебная: систематизировать и расширить знания по данному разделу, формировать умение пользоваться различными источниками информации.
  • Воспитательная: любить Родину; бережно относиться к ее природным богатствам; гордиться своими соотечественниками, отечественной наукой.

Задачи урока:

  • Совершенствовать навыки самостоятельной работы с дополнительной литературой, осуществлять отбор материала по соответствующей теме.
  • Развивать интерес к информационным технологиям, применять их в учебном процессе, обучать приемам целенаправленного использования сети Интернет в учебном процессе.
  • Обучать умению вести научные дискуссии, оперировать фактами, обобщать и делать прогнозы на основе этих фактов, обоснованно отстаивать свою точку зрения.

Техническое оснащение:

  • Интерактивная доска.
  • Графопроектор.

Электронные издания и Интернет-ресурсы:

  • диск «Открытая физика часть 1, 2»
  • диск «Библиотека электронных наглядных пособий ФИЗИКА 7-11» ООО «Кирилл и Мефодий»
  • диска «Физика 7-11 классы, практикум» - ФИЗИКОН
  • диск «ФИЗИКА, библиотека наглядных пособий»-1С:Образование
  • диск «Интерактивная энциклопедия - открытая дверь в мир науки и техники» (От плуга до лазера).
  • http://www.minatom.ru/ - Федеральное агентство по атомной энергии
  • http://ruatom.ru/rosatom/analit/section7p1.shtm - атомная энергетика СССР и Росси
  • http:// college.ru/physics/courses/op25part1/design/index.htm - Открытая физика часть - 1
  • http:// college.ru/physics/index.php - Открытый колледж.

Рассматриваемые вопросы.

  1. Открытия конца 19 века, положившие начало изучения строения атома.
  2. Ядерные реакции, искусственные ядерные превращения. Деление ядра урана, энергетические характеристики этой реакции и практические возможности, связанные с ней.
  3. В чем проявляется энергетический кризис, его сущность. Факты, подтверждающие начало кризисного этапа в области энергетики.
  4. Атомная энергетика-решение ли проблемы энергетического кризиса?
  5. Вред и польза атомной энергетики. Биологическое действие радиоактивного излучения.
  6. Влияние развития «Физики атома и атомного ядра» на НТ прогресс
  7. Альтернативнне источники энергии, их использование.
  8. Защита проектов (моделей) преобразователей альтернативных видов энергии.

Конференция проводится в форме дискуссии. Учащиеся разбиты на три группы:

1-я группа – сторонники атомной энергетики.

2-я группа – сторонники альтернативных видов энергии.

3-я группа – аналитический центр, в задачу которого входит подведение итогов конференции.

Ход урока

1. Вступительное слово учителя. (На доске проекция слайда Power Point: тема конференции, вопросы, вынесенные на обсуждение, список докладчиков и темы их выступлений.)
Энергетический кризис, глобальное потепление на планете волнуют ученых, экологов, политиков, всех сознательных граждан Земли. Может ли развитие цивилизации стать губительным фактором для планеты, или в ее развитии – спасение? Кто ответит на эти вопросы? Нам многое известно с чего начиналось, что предшествовало и что способствует возникновению этих проблем. Мы не будем рассматривать политические аспекты этих проблем, а проследим за ходом исторических открытий и событий, связанных с этими проблемами, поговорим о возможных направлениях поиска решений этих проблем в нашем с вами понимании.

2. Выступление учащихся:

Тема 1-го доклада - «История развития учения о строении атома»

Насколько сегодня известно, мысль о том, что материя может состоять из отдельных частиц, впервые была высказана Левкиппом из Милета в 5 в. до н.э. Эту идею развил его ученик Демокрит, который и ввел слово атом (от греческого атомос, что значит неделимый). В начале 19 века Джон Дальтон (1766 – 1844) возродил это слово, подведя научную основу под умозрительные идеи древних греков. Согласно Дальтону, атом – это крошечная неделимая частица материи, принимающая участие в химических реакциях.

Простые представления об атоме, принадлежащие Дальтону, были поколеблены в 1897 г., когда Дж. Дж. Томсон (1856 – 1940) установил, что атому могут испускать еще меньшие отрицательно заряженные частицы (позднее названные электронами). Стало очевидным, что атом обладает внутренней структурой. Это открытие указывало, что атом, по-видимому, должен содержать и положительные заряды. Томсон предположил, что электроны рассеяны в положительно заряженном атоме, подобно «изюминкам в булке». Эта модель не позволяла объяснить некоторые свойства атомов, однако более совершенную модель удалось создать лишь после открытия радиоактивного излучения. Явление радиоактивности было открыто Беккерелем, который обнаружил, что атомы урана самопроизвольно испускают излучение. Явление самопроизвольного превращения неустойчивых ядер атомов в ядра других атомов с испусканием частиц и излучением энергии называется естественной радиоактивностью. Исследования состава радиоактивного излучения были проведены Резерфордом.

Рисунок 1

Известны 3 формы этого излучения: бета-частицы (отрицательно заряженные электроны), альфа частицы (положительно заряженные ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов) и гамма-излучение (коротковолновое электромагнитное излучение, не несущее заряда).

Тема 2-го доклада - «Модель атома Резерфорда».

На доске проекция слайда (Рассевание альфа-частиц)-с диска «Библиотека электронных наглядных пособий ФИЗИКА 7-11» ООО «Кирилл и Мефодий» (Строение атома, опыт Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц) или Рисунок 2.

Рисунок 2

В 1911 г. Эрнест Резерфорд (1871 – 1937) предложил совершенно новую модель атома, основанную на результатах его собственных экспериментов и экспериментов Ханса Гейгера (1882 – 1945), в которых измерялось рассеяние альфа частиц при прохождении через золотую фольгу. Согласно модели Резерфорда, положительный заряд и основная масса атома сосредоточены в центральном ядре, вокруг которого движутся электроны. Сегодня мы знаем, что атом представляет собой почти пустое пространство с крошечным ядром, размеры которого в десятки тысяч раз меньше размеров атома в целом. Сами атомы тоже предельно малы: 10 млн. атомов, выстроенные в ряд, составят всего 1 мм.

Позже Резерфорд установил, что положительный заряд ядра несут частицы в 1836 раз более тяжелые, чем электрон. Он назвал их протонами. Заряд протона равен по величине, но противоположен по знаку заряду электрона.

Проекция слайда- 3D-модель «Планетарная модель атома» с диска «Библиотека электронных наглядных пособий ФИЗИКА 7-11» ООО «Кирилл и Мефодий».

Простейший атом – атом водорода – состоит из одного протона (ядра) и одного электрона, движущегося вокруг него. Более тяжелые ядра содержат большее число протонов (это число называют атомным номером), причем оно всегда равно числу окружающих ядро электронов.
Свойства ядер с большим массовым числом.

Проекция слайда (ядерные превращения) из Web-страницы http:// college.ru/physics/modules.php?name=models&subj vis=4&suptopic vis=|34|35|36|37|38|39|40|41|42 Или слайд 5.14 с диска «Физика 7-11 классы, практикум» - ФИЗИКОН.

Позднее было установлено, что все ядра атомов, за исключением ядра водорода, содержат также частицы и другого типа – незаряженные частицы нейтроны с массой, почти равной массе протона. Ядра многих элементов нестабильны. Явление самопроизвольного превращения неустойчивых ядер атомов в ядра других атомов с испусканием частиц и излучением энергии называется естественной радиоактивностью. Почти 90 % известных ядер нестабильны. Радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно заряженные ( -частицы – ядра гелия), отрицательно заряженные (-частицы – электроны) и нейтральные (-частицы – кванты коротковолнового электромагнитного излучения). Магнитное поле позволяет разделить эти частицы

Тема 3-го доклада – «Ядерные реакции»

Ядерные реакции сопровождаются освобождением ядерной энергии.
Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или -квантов.

Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии.

Деление тяжелых ядер

В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или -частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс. В 1938 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов: 92U238(99,3 %) и 92U235(0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления 92U235наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра 92U238вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Теоретическое объяснение реакции дали физики О.Фриш и Л.Майтнер в 1939 г.

Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра 92U235 Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна – порядка 200 МэВ. Оценку выделяющей при делении ядра энергии можно сделать с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90–145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти. При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рисунке 3.

Рисунок 3

Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Курчатова. Это явилось началом эпохи «мирного» атома

На доске проекция действующей модели ядерного реактора.

«Физика 7-11 классы, практикум» ФИЗИКОН. Модель 5.15

Ученик поясняет устройство и принцип работы ядерного реактора.

Тема 4-го доклада – «Энергия атома в мирных целях»

Первая в мире атомная электростанция. Информация об Обненской АС.

На доске проекция, сохраненной на компьютере Web-страницы: http://dvoika.net/milit/first.htm

На 1 января 1991 года в СССР на 15 АЭС работало 46 энергоблоков общей электрической мощность 36,6 ГВт. В 1990 году было выработано 211,5 миллиардов кВт/час электроэнергии, то есть 12,5% всей выработанной в СССР электроэнергии.

Все действующие АЭС в России имеют общую мощность 22 ГВт, включают 30 энергоблоков, в том числе 14 энергоблоков с корпусными реакторами типа ВВЭР, (из них восемь блоков ВВЭР-1000 и шесть блоков ВВЭР-440), 15 энергоблоков с водографитовым ВВЭР-1000 реакторами, (из них 11 блоков РБМК-1000 и 4 блока с реакторами ЭГП-6), и один блок с реактором на быстрых нейтронах БН-600.

К экономическим факторам в пользу развития атомной энергетики относятся обеспечение надежности энергоснабжения России; конкурентоспособность АЭС по сравнению с ТЭС; увеличение экспорта электроэнергии за счет АЭС.

К экологическим преимуществам атомной энергетики относится, прежде всего, отсутствие у АЭС выбросов продуктов сгорания, включая парниковые газы, с учетом международных рекомендаций по ограничению их эмиссий (для России на уровне 1990 года).

Проекция таблицы 7.1 из Web-страницы http://ruatom.ru/rosatom/analit/section7p1.shtm Атомная энергетика России. Учащиеся делают сравнительный анализ.

Тема 5-го доклада - «Ядерные взрывы и их последствия»
Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.

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. На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы. (А.Д.Сахаров)

Проекция с диска «ФИЗИКА, библиотека наглядных пособий»-1С:Образование Анимация 4 –«Принцип действия атомной бомбы».

Учащийся дает информацию о разрушающих факторах ядерного взрыва, о многолетних последствиях радиации.

Ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире: ядерное оружие оказывает влияние на политику, оно нависло угрозой над всем, живущим на Земле. А пока человечество стремится утолить свои непрерывно растущие потребности в энергии путем беспредельного развития ядерной энергетики, радиоактивные отходы загрязняют нашу планету. Отходы упаковывались в контейнеры и сбрасывались в Мировой океан. Проекция «Контейнер с радиоактивным веществом» из диска «Библиотека электронных наглядных пособий ФИЗИКА 7-11» ООО «Кирилл и Мефодий»

Только США таким образом произвели захоронение в 11 точках Тихого океана. Япония –в 6. Такие захоронения делали Англия, Бельгия, Нидерланды и СССР. Опускались контейнеры со смертоносным грузом в Бискайский залив, в северные моря, на дно Атлантики. А взрыв 26 апреля 1986года четвертого реактора Чернобыльской АЭС. Радиация «накрыла» Австрию, Болгарию, Венгрию, Италию, Норвегию, Польшу, Россию, Румынию, Англию, Турцию, Германию, Финляндию, Югославию. По оценке экспертов 63 кг продуктов деления было выброшено в атмосферу. Для сравнения: при взрыве бомбы, сброшенной на Хиросиму (август 1945г.), радиоактивных отходов образовалось 0,74кг. А взрыв контейнера на комбинате «Маяк» в Челябинске. Проекция рисунка зоны повышенного заражения.

Рисунок 4

Тема 6-го доклада – «Биологическое действие радиоизлучения»

Радиоактивные излучения : самая главная опасность атомной энергетики, существующая на всех этапах топливного цикла и работы А Э С. Радиоактивные излучения оказывают пагубное воздействие на все живые организмы.

Механизм биологического действия радиоактивного излучения сложен и до конца не изучен.

Ионизация и возбуждение атомов и молекул живых тканей, происходящие при поглощении последними, излучений лишь начальный этап в сложной цепи биохимических превращений. Установлено, что ионизация приводит к разрыву молекулярных связей, изменению структуры химических соединений и, в конечном счете, к разрушению нуклеиновых кислот и белка. Под действием радиации поражаются клетки тканей, прежде всего их ядра. Нарушаются способность клеток к делению и обмену веществ и них. Наиболее чувствительны к радиационному воздействию кроветворные органы (костный мозг, селезенка, лимфатические железы), эпителии слизистых оболочек (кишечника), щитовидная железа. В результате действия радиоактивных излучений на органы человека возникают тяжелейшие заболевания: лучевая болезнь, злокачественные опухоли, приводящие нередко к смертельному исходу. Облучение оказывает сильное влияние на генетический аппарат, приводя к появлению потомства с уродливыми отклонениями или врожденными тяжелыми заболеваниями организма.

Степень биологического воздействия радиации зависит от вида излучения, его интенсивности и продолжительности облучения организма.

Специфической особенностью радиоактивного излучения является то, что они не воспринимаются органами чувств человека и даже при смертельных дозах не вызывают болевых ощущений в момент облучения.

Тема 7-го доклада – «Альтернативные источники энергии»

Уменьшить загрязнение и радиоактивное заражение планеты можно развитием и применением альтернативных экологически чистых источников энергии.

При нынешнем темпе потребления нефти ее изве­стных запасов, как считают ученые, хватит на 40 лет. Угля на 220 лет, а через 100 лет всего лишь на 30 лет. Меди имеем на 40 лет Цинка - на 20 лет и.т.д. Не говорим уже о продовольствии и пресной воде.

Как же быть? Выход один - искать новые вы­сокоэффективные источники энергии, не зави­сящие от наших планетарных ресурсов и. что немаловажно, экологически чистые.

Атомная и термоядерная энергетика ко­нечно были бы очень хороши если бы не со­бытия, подобные Чернобылю и если бы люди научились управлять термоядерной реакцией (что уже много лет никак не получается). Остается надеяться на помощь космоса. Имеется в виду бескрайнее море солнеч­ной энергии, разливающейся по космическо­му пространству, которую можно было бы в принципе как-то концентрировать и отправлять на Землю. Согласно одному из предваритель­ных проектов, эту задачу могли бы выполнить искусственные спутники Земли, несущие сол­нечные батареи Идея спутников с солнечными батареями не нова Она была высказана в 1968 году и за­патентована в 1973. Солнечные батареи работают на явлении фотоэффекта. Принцип действия солнечного элемента основан на вентильном фотоэффекте – возбуждении ЭДС в p-n – переходе. Первая солнечная батарея была создана в 1953 году. И уже третий советский спутник (май 1958г.) был снабжен солнечной энергоустановкой. Мощность, отдаваемая солнечной батареей, достигает 300 вт/м2 , а КПД – от 20 до 30 %.

Демонстрируется действие фотоэлемента. На доске проекция «Солнечная батарея» с диска «Интерактивная энциклопедия - открытая дверь в мир науки и техники» (От плуга до лазера).

Различается два вида фотоэффекта: внешний и внутренний. Явление фотоэффекта обусловлено квантовыми свойствами света. Напомним законы фотоэффекта.

На доске проекция модели 11 «Явление внешнего фотоэффекта» с диска «ФИЗИКА, библиотека наглядных пособий»-1С: Образование.

Стоимость производимой солнечными батареями электроэнергии на порядок выше, чем у вырабатываемой традиционными методами, но за ними будущее. И доказательством этого может служить тот факт, что в таком государстве как Израиль, применение солнечных батарей приняло широкомасштабный характер на государственном уровне.

3. «Биографические данные из жизни и деятельности русских и советских ученых»: И.В.Курчатова, А.Г.Столетова, Ю.Б.Харитонова, А.Д.Сахарова. (http://www.allbiogr.narod.ru/fisika)

4. Защита проектов и моделей, сделанных учащимися.

  • Модель ветрогенератора (действующая).
  • Модель солнечного водонагревателя (действующая).
  • Проект солнечной электростанции.

Учащиеся по ходу конференции заполняют таблицу.

Тема доклада Факты, вас поразившие Вывод Предложения
       


Аналитический центр обрабатывает таблицы и подводит итоги.

5.Заключительное слово учителя.

Литература:

  1. Физика 11 - учебник. Авторы - Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев.
  2. Журнал «Физика в школе»
  3. «Физика» приложение к газете «Первое сентября»
  4. «Хочу стать Кулибиным» - И.И.Эльшанский
  5. «Из истории физики и жизни ее творцов» - Ф.М.Дягилев
  6. «Прикладная физика» - З.М.Резников
  7. «Физика и творчество в твоей профессии» - Т.Е.Гнедина