第二节 核能和核安全（表格式教学设计）物理新教材北师大版（北京）九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦核能的产生原理（裂变与聚变）、核电站能量转化及核安全，通过原子弹爆炸、核电站、核磁共振多情境图片导入，引导学生从微观核反应机制探究到宏观能源应用，再到安全责任认知，构建完整知识脉络。 特色在于深度融合核心素养，以多米诺骨牌类比链式反应培养科学思维（模型建构），通过“华龙一号”“人造太阳”案例强化科学态度与责任（科技自信），组织“核能利弊”讨论提升科学论证能力。情境探究与案例分析结合，助学生建立理性核能观，教师使用可高效落实素养目标，丰富教学维度。

二、核能和核安全 （教学设计） 年级 九年级 学科 物理 课时数 教师 课题 二、核能和核安全 教学 目标 物理观念 认识核能是原子核结构发生变化（裂变或聚变）时释放出的巨大能量，理解质能关系。了解核能对应的物质载体（铀、氘、氚等），知道核反应与化学反应的本质区别。 科学思维 能通过核裂变链式反应和核聚变的示意图，理解其反应机理和持续进行的条件。能全面、辩证地分析核能“利”与“弊”，理解核能是一把“双刃剑”，认识到在利用其巨大能量的同时，必须将安全置于首位。 科学探究 能对“核能从哪里来？”“如何控制核能？”等核心问题展开探究。能基于示意图解释核电站的基本工作过程，理解能量转化关系。 科学态度 与责任 感受科学家探索精神，敬佩如邓稼先等科技工作者的无私奉献，形成对科学事业的崇敬之情。树立“核安全是国家安全的重要组成部分”的强烈意识，理解核安全法的意义，支持安全、和平利用核能。了解我国在核电（“华龙一号”）和受控核聚变（“人造太阳”）领域的重大成就，增强民族自豪感和科技自信。 教材 分析 本节内容是能源篇章中的高潮部分，探讨了一种能量密度极高、对未来至关重要的能源形式。教材结构清晰，逻辑严密：从核裂变（发现、能量、链式反应）到核聚变（原理、优势、挑战），阐述了核能的两种产生方式及其巨大潜力。以核电站为例说明核裂变能的和平利用，并重点展示了我国“华龙一号”和全超导托卡马克装置的自主创新成果。直面核能的风险，通过历史事故警示、国家立法、放射性废物处理等，强调核安全的极端重要性，并升华至反对核武器、构建人类命运共同体的高度。通过“邓稼先”的拓展阅读，将科学探索与爱国奉献精神融为一体。 学情分析 九年级学生已学习过能量转化、内能、电能等概念；通过媒体对“核”有模糊概念。对“核武器”、“核电站”、“人造太阳”等充满好奇与探究欲。具备初步的环保意识和爱国主义情感。 对“核裂变”、“链式反应”、“核聚变”等微观过程难以想象和理解。受核事故、核武器阴影影响，容易“谈核色变”，对核能利用持过度恐惧或片面否定态度。可能混淆核电站与原子弹的原理，对“受控”与“非受控”反应缺乏认识。 教学重点 核裂变及链式反应；核电站的能量转化过程。核能的优势与风险，树立安全利用核能的观念。 教学难点 理解“链式反应”是核能得以大规模持续利用的关键，并能区分“受控”与“非受控”链式反应。引导学生辩证地看待核能，既认识到其巨大价值，又高度重视其潜在风险，形成理性的核能观。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【问题情境】展示图片：原子弹爆炸的巨大能量（历史影像）、核电站的壮观外观、医院核磁共振设备。 提问：这些看似无关的事物，其背后都蕴含着一种共同的能量，是什么？（核能）它为何既有毁灭性的力量，又能造福人类？今天我们一同揭开它的面纱。 观看图片，思考核能的双重性，带着问题进入学习。 学习新课 一、探究原理，解锁“裂变”之力 （一）原子结构 1．原子由原子核和核外电子组成。 如：氢原子由原子核和一个核外电子组成。原子核有一个质子，质子带正电荷，核外电子带负电荷。二者电荷量相同。 H 2．核能： 质子和中子依靠强大的核力紧密地结合在一起。要使它们分裂或结合都是极其困难的。 质量较大的原子核发生分裂或者质量较小的原子核相互结合时，就有可能释放出惊人的能量，这就是核能。 （1）裂变：把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变． （2）聚变：把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做聚变． （二）核裂变 1938年，科学家用中子轰击铀核，使其分裂成两个中等质量的原子核。质量较大的重原子核在其他粒子的轰击下分裂成中等质量原子核的过程，叫作核裂变(图20.2-1)。人们发现，铀核裂变后产物的总质量有所减少，同时会释放出大量能量，1kg铀全部裂变时放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时放出的能量。人们把这种原子核结构发生变化时释放出的能量，称为原子核能。 1．发生裂变的条件 用中子轰击铀核，铀核才能发生裂变，放出能量。 外界中子停止轰击，裂变也就停止了。怎样才能让裂变继续下去呢？ 1938年，德国物理学家哈恩和他的助手史特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，发现有钡的产生，他们提出铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反映是裂变为钡和氪，同时放出三个中子，其核反应方程是： 2．链式反应 【想想议议】将火柴搭成左下图所示结构，点燃第一根火柴后，会发生什么？ 用中子轰击铀235原子核，铀核在分裂时，会释放出核能，同时还会产生几个新的中子，这些中子会继续轰击其他铀核。于是就导致一系列铀核持续裂变，并释放出大量核能，这就是裂变中的链式反应。 3．核电站利用核能发电 核电站的核心设备是核反应堆。核反应堆是原子核发生链式反应的场所。 1942年，人类利用核反应堆第一次实现了可控制的铀核裂变。 目前，全世界已经建成了几百座核电站，核电发电量接近全球发电量的1/5。 链式反应如果不加以控制，大量原子核就在一瞬间发生裂变。释放出极大的能量。 在人类实现可控核裂变大约三年后，即1945年，利用不加控制的核裂变制造的毁灭性武器——原子弹爆炸了。 了解核裂变的发现史。 通过多米诺骨牌的类比，形象化理解链式反应的自持机制，并理解“可控”是和平利用的关键。 学习新课 二、走进应用，领略中国成就 （一）我国核电建设成就 近年来，我国核电建设高质量发展，已跻身世界核电大国行列。“华龙一号”是我国在三十余年核电科研、设计、制造、建设和运行经验的基础上，研发的具有完全自主知识产权的三代压水堆核电创新成果，技术指标达到国际先进水平。2022年，“华龙一号”全球首堆示范工程全面建成，形成了一套完整的、自主的三代核电型号标准体系，对优化我国能源结构、推动绿色低碳发展具有重要作用。 （二）核能与核聚变 展望终极能源：讲解核聚变的原理（太阳内部反应）、巨大优势（能量更多、燃料丰富、更清洁）。介绍中国“人造太阳”（EAST）在受控核聚变上取得的世界领先成果（403秒）。 科学研究发现，比氦核(2He)质量小的氘核({H)、氚核(H)在一定条件下(如超高温和高压)能够聚合成氦核，同时释放出更巨大的能量。轻原子核聚合成质量较大的原子核并放出巨大能量的过程称为核聚变。 太阳源源不断地释放光和热，其内部发生的就是核聚变反应。 在消耗相同质量的核燃料时，核聚变释放的能量要比核裂变多4倍以上。直接或间接地发生核聚变反应的核燃料都是氚核，氘核在海水中储量丰富，多达4×1013t。如果把海水中的氘全部提炼出来用于核聚变反应，所提供的能量足够地球上的人类使用几百亿年。核能一旦被大规模地开发利用，人类就可以拥有“取之不尽，用之不竭”的能源。要安全利用核聚变反应，就要使核聚变反应平稳、受控进行，这就是受控热核反应。2023年4月，我国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(图20.2-3)取得重大突破，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403s，对探索实现核聚变发电具有重要意义。 读图分析，梳理核电站中的能量转化链条。 了解“华龙一号”，感受中国核电技术的跨越式发展，增强自豪感。 了解核聚变的广阔前景和我国在该领域的领先地位，对未来能源充满期待。 学习新课 三、聚焦安全，树立理性观念 （一）核安全 核能的开发利用给人类带来了新的能源，同时也带来了风险和挑战。苏联切尔诺贝利、美国三哩岛、日本福岛等核电站事故，警示人们要高度重视对核事故的预防与应对，安全利用核能。我国已经将核安全纳入国家总体安全体系，写入国家安全法，明确了关于核安全的战略定位。2017年，《中华人民共和国核安全法》颁布，从核设施安全、核材料和放射性废物安全、核事故应急等方面通过立法保障核安全。图20.2-4为放射性标志。 1．直面风险：简要提及三哩岛、切尔诺贝利、福岛核事故，指出人类为利用核能付出的代价。 切尔诺贝利核事故 福岛核事故 这些事故不仅造成了巨大的人员伤亡和环境破坏，也让公众对核能的安全性产生了深刻的担忧。每一次核事故的发生，都暴露出在核设施设计、运行管理、应急响应等环节可能存在的漏洞，促使全球核电行业重新审视安全标准和操作规程，不断推动核安全技术的升级和管理体系的完善。 2．国之重法：介绍我国将核安全纳入总体安全体系，颁布《核安全法》，强调“安全第一”的基本原则。 这一原则贯穿于核设施的选址、设计、建造、运行和退役等全生命周期管理中，要求相关单位和个人严格履行核安全义务，确保核活动始终在安全可控的范围内进行。《核安全法》的出台，不仅为我国核安全监管提供了明确的法律依据，也为保障公众健康和生态环境安全筑牢了法治屏障，体现了我国在核能开发利用过程中对安全问题的高度负责态度和坚定决心。 3．辩证讨论：组织小组讨论“核能是‘天使’还是‘魔鬼’？”引导学生从能源需求、环保、风险、技术、管理等多角度分析。 在能源需求层面，随着全球经济的快速发展和人口增长，对能源的需求量持续攀升，而核能作为一种高效的清洁能源，能够提供大量稳定的电力，在一定程度上缓解传统化石能源供应紧张的局面。从环保角度来看，核能发电过程中不会像煤炭、石油等化石燃料那样排放大量的二氧化碳、二氧化硫等温室气体和污染物，有助于减少酸雨形成和全球气候变暖的压力，对改善生态环境具有积极意义。然而，核能也存在不容忽视的风险，核燃料的放射性以及核废料的处理问题一直是公众关注的焦点，一旦发生核泄漏事故，其对生态环境和人类健康造成的危害可能是长期且难以逆转的。技术方面，虽然当前核电技术已经相对成熟，但新型核电技术的研发和应用仍面临诸多挑战，如何进一步提高核设施的安全性和稳定性，降低事故发生的概率，是科技工作者需要持续攻克的难题。在管理层面，完善的管理制度和严格的监管措施是确保核能安全利用的关键，这要求相关部门建立健全从核燃料开采、核设施建设到核废料处理的全链条管理体系，加强人员培训和应急演练，提高应对突发核事件的能力。通过这样多维度的分析，让学生认识到核能本身既非绝对的“天使”，也非纯粹的“魔鬼”，其角色取决于人类如何科学地开发、利用和管理它，从而树立正确的核能安全观和科学的决策意识。 4．达成共识：总结学生观点，强调核能是强大的工具，其性质取决于人类如何利用。我们必须以最严格的标准确保安全，和平利用，造福人类。 在实际教学中，教师可以引导学生结合具体案例展开讨论，比如对比不同国家在核能利用过程中的成功经验与失败教训，让学生更直观地理解安全标准和管理措施对核能发展的重要性。同时，鼓励学生思考未来核能技术的发展方向，例如如何通过技术创新进一步提升核废料处理的效率和安全性，或者探索更清洁、更可持续的核能利用模式，使学生不仅认识到核能利用的责任，更激发其为推动核能安全和平利用贡献智慧的积极性。通过这样的教学互动，帮助学生将抽象的理论认知转化为具体的行动意识，真正理解人类在核能利用中所扮演的主导角色，以及肩负的维护全球能源安全与生态平衡的使命。 （二）相关链接：放射性废物的分类处置 放射性废物应当实行分类处置。低、中水平放射性废物在国家规定的符合核安全要求的场所实行近地表或者中等深度处置。高水平放射性废物由指定单位实行集中深地质处置。 核能是一把“双刃剑”，既能用来造福人类，也能用来制造核武器给人类带来危害。我们应当努力打造核安全命运共同体，利用核能造福人类，坚决反对、遏止使用核武器。2016年，在华盛顿核安全峰会上，我国领导人庄严宣告“中国始终在确保安全的前提下，致力于开发利用核能，弥补能源需求缺口，应对气候变化挑战”“深化同其他国家以及联合国、打击核恐怖主义全球倡议等的交流合作”“中国将继续加强本国核安全，积极推进国际合作，分享技术和经验，贡献资源和平台”。 （三）阅读与拓展：邓稼先 深情介绍“两弹一星”元勋邓稼先的故事： 毅然归国，隐姓埋名28载。 在艰苦条件下为祖国铸就核盾牌。 “干惊天动地事，做隐姓埋名人”的奉献精神。 链接：从邓稼先保卫国家，到今天科研人员利用核能造福社会，是一脉相承的爱国情怀与科学精神。 【实践与探索】 1．查阅苏联切尔诺贝利、美国三哩岛、日本福岛等核电站事故的相关报道，讨论核能的利用与核安全问题。 2．查阅资料，了解我国核电站的发展和现状。 3．查阅资料，了解太阳能与太阳内部发生核聚变反应的关系。 4．查阅资料，了解受控热核反应的研究进展。 认识到核事故的严重后果，树立风险意识。 了解国家为保障核安全所做的法律和制度努力，增强安全感。 积极参与讨论，发表看法，倾听他人，在思维碰撞中形成辩证、理性的核能观。 认同“安全利用、和平发展”的核能利用准则。 被邓稼先等老一辈科学家的爱国情怀、奉献精神和坚定信念深深震撼。将科学探索与民族复兴紧密联系起来。 课 堂 练 习 1．在核电站中，最终使发电机发电的能量来自于（ ） A．内能    B．机械能   C．核能   D．化学能 【答案】C。 【详解】核电站发电过程中，核能首先通过核反应堆中的核裂变反应释放出来，这些核能会使反应堆内的冷却剂温度升高，将核能转化为内能。然后，内能通过蒸汽发生器传递给水，使水变成高温高压的水蒸气，水蒸气推动汽轮机转动，将内能转化为机械能。最后，汽轮机带动发电机转动，将机械能转化为电能。虽然能量经历了多次转化，但追根溯源，最初的能量来源是核燃料发生核裂变时释放的核能，所以最终使发电机发电的能量来自于核能。 2．下列哪种核反应是核电站发电的主要原理？（ ） A．核裂变 B．核聚变 C．核衰变 D．量子隧穿效应 1. 【答案】A 2. 【详解】核电站通过受控核裂变反应释放能量，利用铀-235等重核分裂时释放的巨大能量加热水产生蒸汽，驱动涡轮发电机发电。核聚变目前仍处于实验阶段，尚未实现商业化应用。 3．下列哪种物质通常被用作核电站反应堆的控制棒材料？（ ） A．铀-235 B．石墨 C．镉或硼 D．重水 3. 【答案】C 4. 【详解】控制棒通过吸收中子来控制核裂变反应速率，镉、硼等元素具有强中子吸收能力，可有效调节反应堆功率。铀-235是核燃料，石墨和重水常作为慢化剂使用。 4．下列哪种辐射具有最强的穿透能力？（ ） A．α射线 B．β射线 C．γ射线 D．中子射线 5. 【答案】C 6. 【详解】γ射线是高能电磁波，穿透能力最强，需要厚重的铅或混凝土屏蔽；α射线穿透能力最弱，一张纸即可阻挡；β射线可被铝箔阻挡；中子射线需用水或石蜡等含氢物质慢化吸收。 5．质量较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，并释放出能量的过程叫做_________。要使该反应持续进行，需要依靠_________反应。 7. 【答案】核裂变；链式。 8. 【详解】质量较大的原子核在受到中子轰击时，会发生分裂现象，这种分裂成两个中等质量原子核并释放能量的过程就是核裂变。而链式反应则是维持核裂变持续进行的关键，当一个原子核裂变时会释放出中子，这些中子又会轰击其他原子核，引发新的裂变，如此循环往复，使反应得以持续。 6．核反应堆的“三道屏障”中，第一道屏障是____，第三道屏障是____。 9. 【答案】燃料包壳；安全壳 10. 【详解】核反应堆的三道屏障用于防止放射性物质泄漏：第一道是燃料元件的金属包壳（如锆合金），第二道是反应堆压力容器，第三道是由钢筋混凝土和钢制成的安全壳建筑。 7．国际核事件分级表（INES）将核事件分为______个等级，其中______级被定义为“特大事故”。 11. 【答案】7；7 12. 【详解】INES由国际原子能机构（IAEA）制定，从0级（偏差）到7级（特大事故）共8个等级。7级为最高级别，历史上仅有切尔诺贝利核事故（1986年）和福岛核事故（2011年）被评定为7级特大事故。 8．与核裂变相比，核聚变作为未来理想能源，有哪些突出优势？（至少写出两点） 【答案】① 单位质量燃料释放的能量更多；② 核聚变燃料（氘）在海水中储量极其丰富；③ 核聚变产物放射性污染小，更为清洁。 【详解】核聚变与核裂变相比，在能量释放效率上具有显著优势。就单位质量的燃料而言，核聚变释放的能量远超核裂变，例如氘和氚的聚变反应，其能量密度比铀核裂变要高得多，这意味着相同质量的燃料，核聚变能产生更多的能量，能更高效地满足能源需求。同时，核聚变的燃料来源也极为广泛，其中氘可以从海水中大量提取，据估算，海水中氘的含量约为0.03克/升，全球海水总量蕴含的氘所能产生的聚变能量，足以支撑人类能源需求数十亿年，几乎是取之不尽、用之不竭的，不像核裂变燃料那样面临资源枯竭的问题。此外，核聚变反应的产物主要是氦气，这种气体是一种惰性气体，不具有放射性，不会像核裂变反应那样产生大量长寿命的放射性废料，从而大大降低了对环境的放射性污染风险，从环保角度来看，核聚变无疑是更为清洁的能源选择。这些优势使得核聚变成为未来解决全球能源危机、实现能源可持续发展的重要方向。 9．我国为什么要制定并严格执行《核安全法》？ 【答案】为了保障核设施的安全稳定运行，预防与应对核事故，保护公众和从业人员的安全与健康，保护环境，推动核事业的健康发展，将核安全纳入国家总体安全体系。 【详解】核安全是国家安全的重要组成部分，《核安全法》的制定与严格执行，从法律层面构建了全方位的核安全保障体系。它明确了各相关主体在核设施选址、设计、建造、运行、退役等全生命周期的安全责任，规范了核材料和放射性废物的管理流程，确保每一个环节都有法可依、有章可循。通过建立健全核安全标准体系和监管机制，能够有效防范核风险，避免因人为失误、技术缺陷或自然灾难等因素引发核安全事故。同时，该法律的实施也向国际社会彰显了我国对核安全问题的高度重视和负责任态度，有助于提升我国在全球核治理领域的话语权和影响力，为国际核安全合作提供了坚实的法律基础和实践范例。 10．有人认为“既然核能有风险，我们就应该完全放弃使用它”。你同意这种观点吗？请结合所学知识，阐述你的理由。 【答案】答案开放，言之成理即可。示例：不同意。因为① 核能能量密度高，是重要的清洁能源，对减少温室气体排放、优化能源结构有重要作用；② 我们不能因噎废食，正确的态度不是放弃，而是通过发展更先进的技术、制定更严格的法律和规范、加强管理，来最大限度地确保其安全利用。完全放弃会让我们失去一种应对能源危机和气候变化的有力工具。 【详解】核能作为一种高效的能源，在全球能源转型中扮演着关键角色。虽然核能确实存在一定的安全风险，如核泄漏可能带来的放射性污染等问题，但完全放弃使用核能并非明智之举。从能源需求角度看，随着全球经济的发展和人口的增长，对能源的需求量不断攀升，而传统化石能源面临着储量减少和环境污染严重等问题，核能的能量密度远超化石能源，少量的核燃料就能产生巨大的能量，能够有效满足大规模的能源需求。从环境保护方面来说，核能在发电过程中几乎不排放二氧化碳等温室气体，对于缓解全球气候变暖趋势具有不可替代的作用，有助于实现“碳达峰”“碳中和”的目标。同时，随着科技的不断进步，核安全技术也在持续发展，像第三代、第四代核电技术在安全性、经济性和可靠性等方面都有了显著提升，能够有效降低核事故发生的概率。此外，核能的发展还能带动相关产业的技术创新和进步，促进经济增长和就业。当然，我们在利用核能的过程中，必须高度重视核安全，严格遵守相关法律法规，加强对核设施的监管和维护，确保其安全稳定运行，将风险控制在最低水平。因此，综合考虑核能的优势以及当前的技术水平和管理能力，我们不应该完全放弃使用核能，而是要在保障安全的前提下，合理、有序地开发和利用核能。 板 书 设 计 二、核能和核安全 一、核能之源 1．核裂变（Uranium-235） 定义：重核分裂成中等核 + 能量 关键：链式反应（类比：多米诺骨牌）→ 可控：核电站 不可控：原子弹 2．核聚变（氘、氚 → 氦） 定义：轻核聚合成较重核 + 更大能量 优势：燃料丰富、能量大、更清洁 挑战：受控（"人造太阳"EAST） 13. 二、核能之利 能量巨大，缓解能源危机 中国成就："华龙一号"（核电）、EAST（聚变） 14. 三、核能之弊与安全 风险：核事故、核废料、核武器 安全准则：安全第一，预防为主 法律保障：《中华人民共和国核安全法》 15. 四、精神之光 邓稼先：奉献、爱国 核能利用原则：和平、安全、造福人类 课 堂 小 结 二、核能和核安全 作业布置 1．教材本节末“实践与探索” 2．配套同步“导学案”。 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $