5.3 核反应 结合能 课时教案-2025-2026学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

5.3《核反应 结合能》课时教案

学科

物理

年级册别

高二下册

共1课时

教材

教科版选择性必修第三册

授课类型

新授课

第1课时

教材分析

教材分析
本节内容位于教科版高中物理选择性必修第三册第五章第三节，是原子核物理的核心知识之一。教材通过引入核反应方程、质量亏损与爱因斯坦质能方程的结合，系统阐述了结合能与比结合能的概念及其在核能利用中的重要意义。内容由浅入深，从学生已知的原子结构出发，逐步过渡到核子间的强相互作用和能量转化规律，体现了物理学“从现象到本质”的认知路径。本节为后续学习核裂变、核聚变及核能应用奠定了理论基础，在整个模块中起着承上启下的关键作用。

学情分析
高二学生已具备一定的原子物理基础知识，如原子核的组成、同位素概念以及基本的核反应符号表示方法。但在理解微观粒子间的作用机制、质量与能量之间的等价关系方面仍存在较大认知障碍。学生对“质量可以转化为能量”这一反常识观念接受度低，容易产生思维定势。此外，计算结合能涉及较复杂的单位换算（u→kg→J→MeV），数学运算能力要求较高。因此教学中需借助直观模型、类比推理和分步训练，帮助学生突破抽象思维瓶颈，建立正确的物理图景。

课时教学目标

物理观念
1. 理解核反应的基本特征，掌握书写核反应方程的原则，并能判断常见核反应类型（如衰变、人工转变、裂变、聚变）。
2. 掌握质量亏损、结合能与比结合能的概念，能够运用爱因斯坦质能方程 ΔE = Δmc² 计算核反应中释放或吸收的能量。

科学思维
1. 能通过比较不同原子核的比结合能曲线，分析核稳定性规律，推理出轻核聚变与重核裂变释放能量的原因。
2. 运用守恒思想（电荷数守恒、质量数守恒）分析核反应过程，培养逻辑推理与模型建构能力。

科学探究
1. 通过查阅资料与数据分析活动，探究比结合能随质量数变化的规律，体验科学发现的过程。
2. 在小组合作中设计简单核能释放方案，尝试解释核电站与太阳能源原理，提升问题解决能力。

科学态度与责任
1. 认识核能在现代社会中的双重性——既是清洁能源又是潜在威胁，树立理性看待科技发展的科学态度。
2. 感悟我国“人造太阳”等重大科技工程的意义，增强民族自豪感与社会责任意识。

教学重点、难点

重点
1. 核反应方程的书写规则与质量亏损、结合能的物理意义。
2. 利用 ΔE = Δmc² 进行核能计算的基本方法。

难点
1. 理解“质量亏损”并非质量真正消失，而是静止质量向能量形式的转化。
2. 比结合能曲线的理解及其对核反应方向性的指导意义。

教学方法与准备

教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法

教具准备
多媒体课件、核反应动画视频、比结合能数据图表、计算器

教学环节

教师活动

学生活动

情境导入：走进核世界
【5分钟】

一、创设真实情境，激发探索兴趣

（一）、播放震撼视频，引发认知冲突。
教师播放一段精心剪辑的视频：画面从广岛原子弹爆炸的蘑菇云切入，转至现代核电站平稳运行的外景，再切换到“中国环流器二号M”装置点火成功的新闻画面，最后定格在太阳光芒万丈的特写镜头。视频背景音乐低沉而富有张力。
提问引导：“刚才我们看到的画面都与‘核’有关。同样是核过程，为什么有的带来毁灭，有的却点亮万家灯火？太阳这颗燃烧了数十亿年的恒星，它的能量又来自哪里？”
等待学生自由发言后，进一步追问：“这些看似不同的现象背后，是否隐藏着相同的物理规律？今天我们就来揭开‘核反应’与‘结合能’的神秘面纱。”
（二）、讲述历史故事，点燃科学热情。
讲述卢瑟福1919年首次实现人工核反应的故事：“1919年，英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击氮气，竟然得到了氧和质子——人类第一次主动改变了原子核！他当时激动地说：‘我可能看到了炼金术士梦寐以求的事情。’从此，人类正式迈入操控原子核的时代。”
顺势引出课题：“那么，这样的转变是如何发生的？其中蕴含多少能量？这就是我们今天要研究的核心问题。”

1. 观看视频，感受核能的巨大威力与广泛应用。
2. 思考并回答教师提出的问题，表达初步看法。
3. 倾听科学家故事，体会科学探索的艰辛与魅力。
4. 明确本节课的学习主题与目标。

评价任务

观看专注：☆☆☆
思考积极：☆☆☆
表达清晰：☆☆☆

设计意图

通过强烈的视觉冲击与历史叙事相结合的方式，迅速抓住学生注意力，制造认知悬念。以“核能为何既能毁灭又能造福”为核心问题驱动，激发学生的求知欲。同时渗透STS教育理念，让学生意识到物理不仅是公式推导，更是影响世界的力量，从而自然引出本课主题。

新知建构：解析核反应
【12分钟】

一、剖析核反应本质，掌握书写规范

（一）、呈现典型实例，归纳反应规律。
教师在PPT上逐条展示四个典型核反应方程：
1. α衰变： → Th + He
2. β衰变：⁴C → N + ₋e
3. 人工转变：N+ He →O + H （即卢瑟福实验）
4. 聚变反应：H + H → He +n
组织学生观察这四个方程，提出探究任务：“请仔细观察上述四个核反应方程，找出它们在数字上的共同规律。”
 

1. 分组观察四个核反应方程，寻找质量数与电荷数的变化规律。
2. 小组代表汇报发现，参与全班讨论。
3. 独立完成核反应方程填空与判断练习。
4. 听取讲解，完善笔记，建立核反应分类框架。

待学生讨论交流后，请代表汇报发现。教师适时引导，强调两个守恒定律：
- 质量数守恒：反应前后总质量数相等；
- 电荷数守恒：反应前后总电荷数相等。
明确指出这是书写和判断核反应方程正确与否的根本依据。
（二）、开展即时训练，巩固书写技能。
给出两道练习题供学生当堂完成：
① 完成下列核反应方程：U + n → Ba + ___ + 3n
② 判断下列方程是否可能成立：Th → Pa + e
教师巡视指导，重点关注学生是否自觉运用守恒原则进行验算。对典型错误进行集中点评，例如忽略中子数量或误写电荷数。
（三）、分类梳理反应类型，构建知识网络。
在确认学生掌握基本书写方法后，教师引导学生根据反应特点将上述例子归类：
- 自发变化：衰变（α、β）
- 外力诱发：人工核反应（轰击）、裂变、聚变
并通过动画演示中子轰击铀核引发链式反应的过程，形象说明裂变机制。强调聚变需要极高温度才能克服库仑斥力，呼应太阳内部环境。

评价任务

发现规律：☆☆☆
正确书写：☆☆☆
合理分类：☆☆☆

设计意图

采用“实例—归纳—应用”教学模式，让学生经历科学规律的发现过程。通过多案例对比分析，强化守恒思想在核物理中的核心地位。设置阶梯式训练题，及时反馈学习效果。动画辅助突破空间想象难点，使抽象过程可视化。整个环节注重思维引导而非灌输，培养学生自主建构知识的能力。

深度探究：揭秘结合能
【15分钟】

一、揭示质量亏损，建立能量观念

（一）、提出矛盾问题，引发深层思考。
教师提出问题：“我们知道，原子核是由质子和中子组成的。那是不是所有核子的质量加起来就等于原子核的实际质量呢？”
展示数据：氢原子质量 mH = 1.007825 u，中子质量 mn = 1.008665 u，氦原子质量 mHe = 4.002603 u。
提问计算：“一个氦核由2个质子和2个中子组成，请计算其理论总质量并与实测值比较。”
学生计算得：2×1.007825 + 2×1.008665 = 4.032980 u，明显大于4.002603 u，相差0.030377 u。
教师指出：“这部分‘丢失’的质量去哪儿了？这不是测量误差，而是真实存在的‘质量亏损’。”
（二）、引入质能方程，解释能量来源。
介绍爱因斯坦1905年提出的狭义相对论著名结论：E = mc²，强调质量和能量是物质同一属性的两种表现形式，可相互转化。
推导得出：ΔE = Δm c²，即质量亏损对应释放的能量。
以氦核为例进行示范计算：
Δm = 0.030377 u = 0.030377 × 1.6606×10⁻²⁷ kg ≈ 5.044×10⁻²⁹ kg
ΔE = (5.044×10⁻²⁹) × (3×10⁸)² J ≈ 4.54×10⁻¹² J
转换为更常用单位MeV：1 eV = 1.602×10⁻¹⁹ J ⇒ ΔE ≈

1. 根据给定数据计算理论质量与实测质量之差。
2. 理解质量亏损与结合能的物理含义。
3. 观察比结合能曲线图，分析核稳定性规律。
4. 小组合作回答问题，总结聚变与裂变的能量优势。