第三节 核能的开发与利用（表格式教学设计）物理新教材北师大版九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦“核能的开发与利用”，围绕核裂变、核聚变定义及核能利用展开，通过1kg铀与2500t煤的能量对比数据及示意图导入，承接微观粒子学习，构建“核能原理-利用方式-安全挑战”的逻辑学习支架。 资料特色在于深度融合核心素养，物理观念上明确裂变聚变定义与利用，科学思维通过链式反应模拟动画和典例分析区分特点，科学态度与责任结合“华龙一号”“东方超环”案例及核安全教育，助力学生建立能量观念与社会责任，为教师提供丰富教学资源与实践活动设计。

第三节 核能的开发与利用（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第三节 核能的开发与利用 教学目标 物理观念 知道核裂变、核聚变的定义，了解核能的利用方式 科学思维 能区分核裂变与核聚变的特点，分析核能利用的利弊 科学探究 通过链式反应模拟，理解核反应堆的控制原理 科学态度 与责任 树立 “和平利用核能、关注核安全” 的意识 教材分析 本节《核能的开发与利用》是北师大版九年级全一册第十六章的第三节内容，承接微观粒子的学习，聚焦原子核能量的开发与应用，遵循 “核能原理→核能利用→核安全挑战” 的逻辑线索展开。首先通过原子核蕴藏巨大能量的情境引入，逐步讲解核裂变、核聚变的定义、特点及相关现象，进而介绍核电站的工作原理、我国核电成就及可控核聚变的探索，最后强调核安全与核废料处理的重要性。本节重点培养学生的能源认知素养和科学责任意识，是引导学生理解 “科学技术是一把双刃剑” 的关键章节。 学情分析 九年级学生已具备能量转化的基本常识，通过前序学习对原子、原子核的结构有初步了解，但对核能的产生原理、链式反应的控制等抽象内容理解存在困难。学生对新能源的开发利用抱有浓厚兴趣，且具备一定的分析和讨论能力，可借助实验示意图、案例分析、习题巩固等直观手段，结合学生的兴趣点和认知水平突破难点，同时引导学生理性看待核能的利弊。 教学重点 核裂变、核聚变的原理；核能的利用（核电站） 教学难点 链式反应的控制；核安全与核废料处理 教学准备 核裂变与核聚变反应示意图、链式反应模拟动画、核电站结构示意图、“华龙一号”“东方超环” 相关图片及视频、PPT 课件中的典例习题及课后作业素材 教学过程 导入新课 展示原子核能量示意图，提问：“原子核体积很小，但在一定条件下却能释放出惊人的能量。1kg 铀全部裂变放出的能量相当于 2500t 优质煤完全燃烧所放出的能量，那么原子核是如何释放能量的？怎样才能有效利用这些能量？” 【设计意图】通过具体数据和直观示意图，突出原子核能量的巨大，引发学生好奇心，自然引入 “核能的开发与利用” 这一核心主题，激发学生的探究兴趣。 学习新课 一、核能 【核心概念讲解】 1. 核裂变 —— 重核的 “分裂” 1938 年，物理学家用中子轰击铀核，铀核分裂成两个中等质量的核，同时放出中子和能量。核裂变一旦开始，会引发 “链式反应”：一个中子轰击铀核，分裂时放出 2~3 个中子，这些中子再轰击其他铀核，持续分裂并释放大量能量。 链式反应的两种结果：不加控制（瞬间释放能量→原子弹）；可控（缓慢释放能量→核电站）。 2. 核聚变 —— 轻核的 “聚合” 轻核（如氢的同位素氘、氚）在极高温度（≈1 亿℃）下结合成重核，释放能量。核聚变的特点：原料丰富（海水中含大量氘）；能量密度更高（是核裂变的 4 倍以上）；无污染（产物是氦，无放射性）。 3. 能量公式：E=mc²（E：物质具有的能量；m：物质的质量；c：光在真空中的传播速度） 4. 太阳的能量源泉 太阳内部温度高达 1570 万摄氏度，压力极大，氢核持续发生核聚变，释放的能量以光和热的形式传播到地球，太阳能是我们今天所用大部分能量的源泉。 【典例1】下列关于原子核裂变和聚变的说法，正确的是（　　） A．目前人类还不能有效控制原子核裂变 B．自然界中只有在人为的条件下才会发生核聚变 C．到目前为止，人类获得核能有两条途径，即核裂变和核聚变 D．原子核在任何条件下都能发生聚变 【答案】C 【详解】A．核反应堆中的链式反应是可以控制的，即目前人类还能有效控制原子核裂变，故A错误； B．自然界中存在天然的核聚变，比如太阳内部一直在发生核聚变，故B错误； C．到目前为止，人类获得核能有两种途径，即重核裂变和轻核聚变，故C正确； D．核聚变需要极高的温度和压强等特殊条件，不是任何条件下都能发生的，故D错误。 故选C。 【典例2】全球首座第四代核电站华能石岛湾核电站投产，标志着我国核电技术已达世界领先水平。如图所示是核电站发电和供电流程图：以核反应堆来代替火力发电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量来加热水，推动汽轮机带动发电机旋转，从而产生电，下列有关说法正确的是（　　） A．核能和太阳能一样均属于一次能源，同时核能又属于可再生能源 B．核电站发电的能量转化过程是：核能→内能→机械能→电能 C．核电站发电原理与太阳释放能量的原理相同 D．核反应堆中发生的链式反应是不可控制的 【答案】B 【详解】A．核能和太阳能都可以直接从自然界获取，属于一次能源；核能需要用到铀，像铀矿这类矿物能源，一旦消耗就很难再生，是不可再生能源，故A错误； B．核能发电是利用铀原子核裂变时放出的核能来加热水，使之变成蒸汽，蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮机带着发电机旋转，从而产生电，能量转化过程是：核能→内能→机械能→电能，故B正确； C．核电站发电原理是利用核裂变释放的能量，太阳释放能量的原理是利用核聚变释放的能量，则核电站发电原理与太阳释放能量的原理不相同，故C错误； D．核电站发电是利用核反应堆中发生可控的链式反应释放的能量来发电的，故D错误。 故选B。 【典例3】核电站发电利用的是原子核发生 （填“裂变”或“聚变”）时释放的能量，其核能属于 （填“可再生”或“不可再生”）能源，其巨大能量来自图 （选填“A”或“B”）所示的核反应。 【答案】 裂变 不可再生 A 【详解】[1]核电站发电利用的是原子核发生裂变时释放的能量，利用了裂变的链式反应释放出巨大能量。 [2]不可再生能源：不可能在短期内从自然界得到补充的能源。核能利用的矿物质在短时间不可再生，因此属于不可再生能源。 [3]其巨大能量来自核裂变反应，图中A是裂变反应图，B是聚变反应图，故选A。 学习新课 二、核能的利用 【核心概念讲解】 1. 核电站的结构与原理 核心设备：核反应堆。 工作原理：核反应堆中的链式反应在控制下缓慢释放核能，能量转化过程为：核能→内能→机械能→电能。 核反应堆的组成： - 核燃料：铀棒（发生核裂变）； - 控制棒：镉棒（吸收中子，控制链式反应速度）； - 减速剂：石墨 / 重水（减慢中子速度，使其易撞击铀核）； - 冷却剂：水（带走热量，产生蒸汽）。 2. 我国核电成就 ——“华龙一号” 我国自主研发的第三代核电技术，满足全球最高安全标准，已实现商业化运营，标志我国核电技术自主可控。 3. 可控核聚变的探索 ——“人造太阳” 难点：需要维持 1 亿℃以上的高温、足够的压力。 我国成就：“东方超环（EAST）” 实现 1.2 亿℃持续 101 秒、4 亿℃持续 20 秒的突破，为可控核聚变的实现奠定基础。。 【典例4】日本发生了里氏9级强烈地震，引发海啸，导致福岛核电站受损，核电站是通过 （选填“裂变”“聚变”）获得巨大能量，从而转化为 能，该核电站的核反应堆受损，已经发生核泄漏，造成了严重污染。 【答案】 裂变 电 【详解】[1][2]核电站是利用核裂变来获得巨大能量的，因为目前人类可控制的核反应是核裂变，核聚变还不可控。核电站将核能转化为电能，通过发电机等设备，把核能释放的能量最终转化为电能供人们使用。 【典例5】黄龙界头庙风电场矗立着许多如图所示的大风车，它可以将风能转化为电能。风能不仅清洁，而且还是 （选填“可再生”或“不可再生”）能源。核电站利用核能发电，它的核心是反应堆，核反应堆是通过可控 （选填“核裂变”或“核聚变”）反应释放核能的设备。 【答案】 可再生 核裂变 【详解】[1]风能来源于太阳辐射导致的大气运动，太阳能量持续存在，风能也会不断产生，不会因使用而枯竭。 [2]核裂变是指重原子核（如铀核）在中子轰击下分裂成较轻原子核，同时释放大量能量的过程，该过程可通过控制中子数量实现 “可控”，适用于核电站反应堆。 核聚变是轻原子核（如氢核）聚合成重原子核的过程，虽释放能量更强，但反应条件极端（如极高温度、压力），目前仅能在氢弹中实现不可控爆发，无法用于核电站。 因此，核反应堆通过可控核裂变反应释放核能。 【典例6】2025年，中国研究的“人造太阳”创造新的世界纪录，太阳内部发生核 （选填“裂变”或“聚变”）可以释放出巨大的核能。核能是 （选填“再生”或“不可再生”）能源。利用核反应所产生的热量可以发电，电能属于 （选填“一次”或“二次”）能源。 【答案】 聚变 不可再生 二次 【详解】[1]太阳内部氢原子核聚变成氦原子核，发生核聚变可以释放出巨大的核能。 [2]核能所利用的核燃料在短期内无法得到补充，所以属于不可再生能源。 [3]利用核反应所产生的热量可以发电，故电能是从一次能源转化而来的，属于二次能源。 学习新课 三、核安全 【核心概念讲解】 1. 核安全风险 核能是 “双刃剑”，核泄漏（如切尔诺贝利、福岛事故）会释放放射性物质，危害环境与健康。 核安全原则：和平利用、严格管控、防扩散。 2. 核废料处理 核废料分类：低放射性（如设备外壳）、高放射性（如用过的铀棒）。 处理方式：中低放射性废料密封后浅层填埋；高放射性废料经冷却→固化→深层地质填埋（需隔离数万年）。 拓展阅读 我国“两弹一星”的成就 【核心概念讲解】 1.“两弹一星”的战略背景： 建国初期我国的武器制造水平落后； 为了国家的独立自主和长治久安。 2.“两弹一星” 的成就时间线： 1960 年：第一枚自主研制的导弹发射成功 1964 年：第一颗原子弹爆炸成功 1967 年：第一颗氢弹空爆试验成功 1970 年：第一颗人造地球卫星 “东方红一号” 发射成功 3.“两弹一星” 的核心贡献者： 邓稼先：原子弹理论设计的核心人物 于敏：氢弹原理突破的关键科学家。 4.“两弹一星” 的意义： 提升国际地位、保障国家安全 带动科技事业发展 凝聚 “热爱祖国、无私奉献” 的精神。 课 堂 练 习 1．东方超环俗称“人造小太阳”，对加快实现可控核聚变具有重要意义。下列应用中核能的使用方法与东方超环一样的是（　　） A．氢弹 B．原子弹 C．核动力潜艇 D．核电站 【答案】A 【详解】东方超环是全超导托卡马克核聚变试验装置，被称为“人造太阳”，氢弹利用的是核聚变，原子弹、核动力潜艇、核电站都是利用的核裂变，综上分析知，故A符合题意，BCD不符合题意。 故选A。 2．关于核能，下列说法正确的是（　　） A．核能是化石能源 B．核反应堆是控制链式反应的装置 C．核能可直接转化为电能 D．核能是原子内部发生化学反应释放出来的能量 【答案】B 【详解】A．核能和化石能源的来源完全不同，所以核能不属于化石能源，故A错误； B．核反应堆，它以铀为核燃料，核反应堆中发生的核裂变反应是可以控制的，即核反应堆是控制链式反应的装置，故B正确； C．核电站工作时，核能会先转化为内能，然后内能对外做功，机械能转化为电能，故C错误； D．核电机组发电的过程是将核裂变产生的核能，不是原子内部的化学反应释放出来的能量，故D错误。 故选B。 3．核能是原子核裂变或聚变释放出的能量。下列说法正确的是（　　） A．原子核通常由质子和中子组成 B．原子核带负电 C．目前的核电站是利用核聚变原理工作的 D．使用核能不会对环境带来任何影响 【答案】A 【详解】A.原子是由原子核和核外电子组成，原子核又由质子和中子组成，故A正确； B.原子核带正电，核外电子带负电，中子不带电，故B错误； C.核电站主要应用核裂变释放出的能量来进行发电，故C错误； D.核废料具有放射性，处理不当会对环境造成污染，因此使用核能会对环境带来影响，故D错误。 故选A。 4．下图所示的是某种核反应示意图，这属于核 变，核电站的核反应堆就是利用该反应释放核能的设备；氢弹利用的是核 变在瞬间释放的能量。（均选填“裂”或“聚”） 【答案】 裂 聚 【详解】[1]图中是铀核吸收一个中子以后，分裂成两个质量较小的原子核，放出很大的能量，同时产生几个新的中子，这些中子又能使别的原子核接着发生核裂变，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应；链式反应是核裂变的原理，核电站的核反应堆就是利用该反应释放核能的设备； [2]氢弹利用的是核聚变反应，即轻核在高温高压下融合成重核，释放出巨大的能量。 5．2025年5月，被称为“新一代人造太阳”的“中国环流三号”托卡马克装置在四川绵阳实现百万安培亿度H模，如图所示。其产生能量的原理与太阳发光发热的原理一样，是我国自主研发的可控 （选填“核聚变”或“核裂变”）大科学装置。 【答案】核聚变 【详解】太阳放出的能量是通过核聚变得到的，“新一代人造太阳”的能量产生原理与太阳发光发热相似，所以人造太阳是通过核聚变释放巨大能量。 板 书 设 计 第三节 核能的开发与利用 一、核能的来源 1. 核裂变：重核分裂→链式反应（可控：核电站；不可控：原子弹） 2. 核聚变：轻核聚合（高温高压）→太阳、人造太阳 3. 能量公式：E=mc² 二、核能的利用 1. 核电站：核心设备（核反应堆）→能量转化（核能→内能→机械能→电能） 2. 我国成就：“华龙一号”（第三代核电技术）、东方超环（可控核聚变突破） 三、核能的挑战 1. 核安全：核泄漏风险→原则（和平利用、严格管控、防扩散） 2. 核废料处理：分类（低 / 高放射性）→处理方式（浅层 / 深层填埋） 核心结论：合理利用核能，重视核安全与环保 课 堂 小 结 第三节 核能的开发与利用 课 后 作 业 1.习题作业：完成课本“自我检测”剩余题目； 2.拓展作业：查阅 “中国核聚变实验堆（EAST）” 的最新进展，写 100 字短评； 3.实践作业：和家人讨论 “你是否支持家乡建核电站？”，记录 3 条理由。 教 学 反 思 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！1 学科网（北京）股份有限公司 $