5.4 核裂变 核聚变 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

5.4《核裂变 核聚变》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四节，是原子核物理的重要组成部分。教材通过介绍核裂变与核聚变的基本概念、反应原理及其能量释放机制，引导学生理解质量亏损与质能方程的现实应用。内容承接前面对原子核结构、结合能和比结合能的学习，进一步深化对核能来源的认识，并为后续了解核电站、核武器及可控核聚变技术奠定基础。教材注重科学性与时代性的结合，引入了我国“人造太阳”EAST装置等前沿科技成果，增强学生的民族自豪感。

学情分析
高二学生已具备一定的原子物理基础知识，掌握了质能方程E=mc²的基本含义以及比结合能曲线的特点，具备初步的抽象思维能力。但核反应过程高度微观且远离日常生活经验，学生容易产生认知障碍。部分学生对“链式反应”“临界体积”“热核反应条件”等术语理解困难，需借助模型和类比帮助建构。此外，学生普遍关注核能的安全性与可持续性问题，教学中应合理引导其辩证看待核技术发展，激发探究兴趣与社会责任意识。

课时教学目标

物理观念
1. 理解核裂变与核聚变的本质区别，掌握典型核反应方程的书写方法，能够解释铀-235裂变过程中释放巨大能量的原因。
2. 能结合比结合能曲线分析重核裂变与轻核聚变释放能量的物理机制，建立质量亏损与能量释放之间的定量联系。

科学思维
1. 运用类比推理（如多米诺骨牌）理解链式反应的自持特性，培养模型建构能力。
2. 通过对“为何轻核聚变释放能量更多”的问题进行逻辑推演，提升归纳与演绎能力。

科学探究
1. 分析原子弹与核电站的工作原理差异，设计对比表格，提炼控制链式反应的关键因素。
2. 探讨实现可控核聚变的技术难点，提出可能的解决方案并评估其可行性。

科学态度与责任
1. 认识核能利用的双面性，形成尊重科学、理性对待科技发展的态度。
2. 关注我国在核聚变领域的重大进展，增强科技报国的责任意识与民族自信。

教学重点、难点

重点
1. 核裂变与核聚变的概念、反应特点及能量释放机制
2. 铀-235裂变的链式反应原理及其在核电站中的应用

难点
1. 比结合能曲线解释核反应能量变化的深层逻辑
2. 可控核聚变所需极端条件的理解与现实挑战

教学方法与准备

教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法相结合

教具准备
多媒体课件、核反应动画视频、EAST装置图片、磁性黑板贴模型

教学环节

教师活动

学生活动

创设情境，导入新课
【5分钟】

一、从“蘑菇云”到“人造太阳”：一场能源革命的序幕

（一）、播放两段视频片段：
第一段：1945年广岛原子弹爆炸的历史影像资料，画面中升起巨大的蘑菇云，配以低沉震撼的背景音乐；
第二段：中国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）成功运行的画面，科学家们热烈鼓掌，屏幕上显示上亿度高温等离子体维持数百秒的数据记录。
提问：这两幅画面看似截然不同——一个是毁灭的象征，一个是希望的曙光。但它们背后都隐藏着同一种能量来源，你们知道是什么吗？
预设回答：核能！
追问：这种能量是如何产生的？为什么同样的能量既能带来灾难又能点亮未来？今天我们就一起走进《核裂变与核聚变》，揭开这股宇宙级能量的神秘面纱。
（二）、揭示课题并板书：
在黑板中央书写大标题：“5.4 核裂变 核聚变”，下方画出两个箭头分别指向左右两侧，左侧标注“重核分裂→能量释放”，右侧标注“轻核结合→能量释放”。
过渡语：爱因斯坦曾说：“我并不知道第三次世界大战会用什么武器，但第四次战争人类将用木棒和石头。”这句话的背后，正是核武器带来的深刻警示。然而，人类从未停止追寻和平利用核能的脚步。我们能否驯服这头猛兽，让它为我们所用？答案就在今天的课堂之中。

1. 观看视频，感受视觉冲击。
2. 思考并回答问题，激发好奇心。
3. 联想已有知识，尝试建立联系。
4. 明确学习主题，进入探究状态。

评价任务

观看专注：☆☆☆
思考积极：☆☆☆
表达清晰：☆☆☆

设计意图

通过强烈对比的情境导入，引发认知冲突，激发学生探究欲望。利用真实历史事件与国家科技成就形成张力，既体现核能的双刃剑属性，又点燃民族自豪感，为后续教学埋下情感伏笔。同时自然引出本节课的核心议题：核能如何产生？如何被控制？

自主建构，探究裂变
【12分钟】

一、拆解重核：核裂变的能量密码

（一）、呈现铀-235吸收中子后的裂变过程：
教师展示PPT动画：一个中子缓慢接近铀-235原子核，被吸收后形成不稳定的铀-236，随即发生形变并断裂成两个中等质量的原子核（如钡-144和氪-89），同时释放出2~3个新的中子和大量能量。
同步写出标准反应方程式：
 

强调：这是一个典型的核裂变反应，必须标明所有粒子的种类、电荷数和质量数，确保守恒定律成立。 提问：这个反应为什么会释放如此巨大的能量？仅仅是因为

1. 观察动画，理解裂变过程。
2. 抄写并分析反应方程。
3. 结合图表解释能量来源。
4. 参与模拟，体验链式反应。

“分裂”吗？ 引导学生回顾比结合能曲线：指出重核的比结合能较小，而中等质量核的比结合能较大，因此当重核分裂为中等核时，系统整体更稳定，多余的能量便以动能形式释放出来。 计算示例：若一次裂变释放约200 MeV能量，则1克铀-235完全裂变相当于燃烧约2.7吨标准煤！ （二）、构建“链式反应”模型： 请五位同学上台扮演“铀核”，每人手持三个小球代表“中子”。第一位同学接到一个“入射中子”后“裂变”，抛出三个小球击中其他三位“铀核”，每位被击中的“铀核”再各自释放三个“中子”…… 提问：如果空间无限大且铀块足够大，会发生什么现象？如果铀块太小呢？ 引出“临界体积”概念：只有达到一定体积，中子才不会过多逃逸，从而维持持续的链式反应。 拓展说明：原子弹利用的是无控制的链式反应，在极短时间内释放全部能量；而核电站则通过控制棒（如镉棒）吸收多余中子，使反应速率保持稳定。

评价任务

方程规范：☆☆☆
原理解释：☆☆☆
模型理解：☆☆☆

设计意图

通过动态可视化手段降低微观过程的认知门槛，帮助学生建立直观印象。结合质能方程与比结合能曲线进行定量与定性双重分析，强化物理观念的整合。角色扮演活动使抽象的“链式反应”具象化，促进深度理解。同时区分军事与民用的不同应用场景，培养学生辩证思维。

合作探究，揭秘聚变
【13分钟】

一、融合轻核：太阳的能量之源

（一）、追溯宇宙中最伟大的能源工厂：
提问：地球上的绝大多数能源最终来自哪里？
预设：太阳！
继续追问：太阳是怎么发光发热的？是不是也在“燃烧”？
否定回答：不是化学燃烧，而是发生在核心区域的核聚变反应。在那里，氢核在极高温度和压力下克服库仑斥力，融合成氦核，并释放出巨大能量。
展示太阳内部聚变路径图：质子-质子链反应的第一步：
 

说明：两个质子融合生成氘核、正电子和中微子，这是太阳能量产生的起点。 强调：聚变反应同样遵循质量守恒与能量守恒，但由于生成物总质量略小于反应物，微小的质量亏损转化为巨大能量。 （二）、聚焦人工聚变：人类的“人造太阳”梦 组织小组讨论（4人一组）： 任务1：比较核裂变与核聚变的原料来源、产物安全性、能量效率等方面的异同，填写对比表。 任务2：思考：既然聚变能量更高、燃料丰富（海水中的氘）、放射性废物少，为何至今未能大规模商用？ 提示关键词：温度、压力、约束方式、点火条件。 巡视指导，鼓励学生查阅课本相关内容或调用已有知识。 总结反馈：要实现可控核聚变，必须创造上亿摄氏度的高温环境，使物质处于等离子态；同时需要强大的磁场将其约束在有限空间内（托卡马克装置），防止接触容器壁降温。目前最大难题是“净能量增益”——输入的能量仍大于输出。 展示我国EAST装置照片及最新成果：实现了1.2亿度高温下等离子体维持101秒的世界纪录！ 升华情感：这不仅是实验室里的数据，更是中国人向终极清洁能源迈进的坚实脚步。

1. 回答问题，激活前知。
2. 阅读图表，理解反应路径。
3. 小组合作，完成对比表格。
4. 讨论难点，提出解决设想。

评价任务

信息提取：☆☆☆
合作参与：☆☆☆