5.4 核裂变与核聚变 教案-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该教案聚焦核裂变与核聚变核心知识，通过二战原子弹爆炸视频情境导入，课前引导学生查阅我国核弹发展史及钱三强等科学家事迹，搭建学习支架，梳理核反应方程、能量计算及链式反应等知识脉络。 资料亮点在于以问题驱动小组合作探究，结合科学史与爱国教育（如我国EAST装置成就），培养科学思维（推理链式反应、建构反应堆模型）和科学态度。通过实验法、讨论法提升学生自主学习与探究能力，为教师提供结构化教学流程，助力重难点突破。

第4节　核裂变与核聚变 教学分析 · 教学目标 物理观念：知道核聚变与和裂变的不同，通过核反应方程能计算所释放的能量。科学思维：能够分清楚裂变和聚变的含义，知道当前核聚变是不受控制的。 科学探究：通过核裂变的示意图推理出三分裂和四分裂的概念，了解物理学常用的方法一一推理法。 科学态度与责在：通过观着我国原子弹氢弹的爆炸视频，激发学生献身国防的爱国热情。 · 教学重难点 重点:核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念,链式反应及核聚变释放能量的计算。 难点:链式反应及核聚变释放能量的计算。 · 教学方法 小组合作探究法、读书指导法、讲授法、讨论法、实验法。 · 课时安排 1课时 · 教学准备 多媒体辅助教学设备、学案等。 教学设计 教学环节 教学过程 设计意图 评价维度 一、课前 准备 　　[课前预习] 1.通读教材,利用网络查阅我国核弹、氢弹的发展史,并分组介绍为我国核弹事业作出巨大贡献的钱三强夫妇、“两弹元勋”钱学森、邓稼先等科学家的研究成果。阅读教材“问题”栏目,引入本节课的学习,并激发学习兴趣。 2.以小组为单位提出自主学习过程中存在的问题进行讨论并集中反馈。 提高学生自主学习、查阅资料、阅读材料、分析材料和小组协作的能力。 激发自主学习的兴趣,加强自主学习能力的培养。 二、课堂 引入 　　[情境引入] 第二次世界大战期间日本的广岛、长崎上空被投下了两颗原子弹,刹那间,这两座曾经十分美丽的城市变成一片废墟。 [视频展示] 展示原子弹爆炸的过程及原子弹爆炸后形成的景象的片段。 [教师总结]核能是怎样被转化和使用的呢?板书呈现课题,引导学生进入本课的学习过程,明确本课的基本教学目标。 激发起学生主动探求知识的欲望,从而为下一步进行教学活动奠定一个良好的基础。 是否能对所探究问题进行观察归纳、分析和推理,获得初步认识。 三、课堂 探究 一、核裂变的发现 1.核裂变 [提出问题]什么是核裂变?核裂变的特点是什么? [师生对话]阅读教材核裂变部分内容,分小组讨论。每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。 [学生回答]重核分裂成质量较小的核的反应,称为裂变。 [教师总结]重核分裂成质量较小的核,释放出核能的反应,称为裂变。 [提出问题]是不是所有的核裂变都能放出核能? [师生对话]查阅有关核子平均质量的资料,分小组讨论。每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。 [学生回答]只有核子平均质量减小的核反应才能放出核能。 [归纳总结]不是所有的核反应都能放出核能,有的核反应后生成物的质量比反应前反应物的质量大,这样的核反应不放出能量,反而在反应过程中要吸收大量的能量。 2.铀核的裂变 [提出问题]铀核裂变的产物是多样的,最典型的核反应方程是什么? [学生活动]阅读教材核裂变部分内容,分小组讨论。每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。 [学生回答BaKr+n。 裂变中释放出巨大的能量,在上述裂变中,裂变后的总质量小于裂变前的总质量,质量亏损:Δm=0.357 8×10-27 kg。 释放出的能量为ΔE=mc2≈200 MeV。 1 kg铀235全部发生核裂变时放出的能量就相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能! [图片展示] [补充问题BaKr+n这个反应中的n能否左右消掉一个呢? [学生回答]不能。 3.链式反应 [提出问题]链式反应是怎样进行的? [学生回答]这种由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程,叫作核裂变的链式反应。 [教师点评]学生用自己的语言叙述,基本正确即可。 (1)临界体积(临界质量): [提出问题]什么是临界体积(临界质量)? 有利于培养学生合作式学习的能力。利用小组的竞争,活跃课堂气氛,激活学生思维,增加学习的趣味性。 通过自学和组内互助学习,学会写裂变方程并加深对裂变的理解。 通过阅读能够对探究的问题有初步的认识,逐步提升提炼信息的能力。认识核物理发展的历程,感悟探索对于微观世界的研究方法,强化证据意识和推理能力。 续表 教学环节 教学过程 设计意图 评价维度 三、课堂 探究 [学生回答]通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积,相应的质量叫作临界质量。 裂变质量亏损:Δm=0.357 8×10-27 kg。 [归纳小结]由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程,叫作核裂变的链式反应。核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积。铀核裂变的产物不同,释放的能量也不同。 (2)发生链式反应的条件:铀块的质量大于临界质量,或者铀块的体积大于临界体积。 [图片展示] Kr+n Kr+n Sr+n [课堂练习] 1.(多选)关于裂变反应,下列说法正确的是(　　) A.用中子轰击铀核发生裂变,其一定分裂为质量差不多的两部分 B.铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量 C.铀核发生裂变时可能分裂成两部分、三部分或四部分 D.所有重核用中子轰击均能发生裂变反应 解析:用中子轰击Pu和U等少数重核才能发生裂变反应,铀核裂变时可能分裂为两部分、三部分或四部分,但产生两部分的概率最大,A、D错误,C正确;铀核裂变为中等质量的原子核时一定释放能量,B正确。 答案:BC 二、反应堆与核电站 [提出问题]核反应堆各组成部分在核反应中起什么作用? [师生对话]阅读教材核电站部分内容,分小组讨论。每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。 [学生回答]铀棒由浓缩铀构成,作为核燃料;控制棒由镉做成,用来控制反应速度;慢化剂由石墨、重水和普通水(也叫轻水)做成,用来跟快中子碰撞,使快中子能量减少,变成慢中子,以便让铀235俘获;冷却剂由水或液态的金属钠等流体做成,在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,确保反应堆的安全;水泥防护层用来屏蔽裂变产物放出的各种射线,防止核辐射。 类比细胞的分裂,可以更好地引出链式反应。 通过观察展示的图片能够形象直观的理解链式反应的概念,形成物理观念。 能否快速地阅读、理解、归纳提炼形成新知识。 加强对题目的阅读、理解、分析、判断及知识迁移等多方面能力的提升。 续表 教学环节 教学过程 设计意图 评价维度 三、课堂 探究 [提出问题]核能发电的优点、缺点是什么? [学生回答]优点:①污染小;②可采储量大;③比较经济。 缺点:①一旦核泄漏会造成严重的核污染;②核废料处理困难。 [教师点评]学生用自己的语言叙述,基本正确即可。 [教师补充]了解常用裂变反应堆的类型: 秦山二期、大亚湾二期是压水堆,秦山三期是重水堆。 [图片展示]核反应堆:人工控制链式反应的装置 核能发电的基本原理 [课堂练习] 2.(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是(　　) A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能 B.镉棒的作用是控制反应堆的功率 C.石墨的作用是吸收中子 D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能 解析:铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,C错误;水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却,控制温度,D正确。 答案:ABD 三、核聚变 [提出问题]请同学们阅读教材,回答什么叫核聚变? 1.两个轻核结合成质量较大的核,这样的核反应叫作核聚变。 　　 通过观察核反应堆的结构图、阅读教材,理解人工控制链式反应的原理。能够强化学生对核反应堆的认识,使学生更加清晰地知道核反应堆中各部分的作用。 提高总结、质疑、解释、表达交流的能力,提高学以致用的兴趣和能力。 续表 教学环节 教学过程 设计意图 评价维度 三、课堂 探究 [图片展示] Hen Hen [归纳补充] (1)氢核聚变反应Hen+17.6 MeV (2)释放能量:ΔE=Δmc2=17.6 MeV,平均每个核子释放出的能量在3 MeV以上,比核裂变反应中平均每个核子放出的能量大3~4倍。 [提出问题]核聚变发生的条件是什么? 学生阅读教材,分析思考、归纳总结并分组讨论得出结论。 2.聚变条件:参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围,即10-15 m! [思考讨论]发生聚变的条件: 使原子核间的距离达到 10-15 m以内,核力才能起作用。由于原子核都带正电,要使它们接近到这种程度,必须克服巨大的库仑斥力。也就是说,原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量的原子核获得足够的动能而发生核聚变呢? [归纳总结] (1)用加速器加速原子核。 人工核反应:利用加速器将氘加速到所需的能量,轰击含氚的靶。这种方法引起聚变的几率极低。 (2)把原子核加热到很高的温度。 将一团氘核和氚核约束起来,并保持一定的密度。将核加热到上亿度的超高温,使其在极短时间内一起发生聚变。 3.聚变反应的特点 核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应继续下去。 [归纳补充] 实例:(1)太阳内部和许多恒星内部温度高达107 K以上,其反应就是热核反应的实例。 太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J,地球只接受了不到二十亿分之一的能量。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有7亿吨原子核参与反应。科学家估计,太阳的这种“核燃烧”还能维持几十亿年。当然,与人类历史相比,这个时间很长很长! (2)核武器——氢弹在短时间释放巨大的能量,这就是聚变引起的核爆炸。 20世纪50年代,人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹,氢弹是利用热核反应制造的一种大规模杀伤武器,在其中进行的是不可控热核反应。 [提出问题]氢弹爆炸的原理是什么? 学生阅读教材中氢弹原理图,它需要用原子炸药来引爆,以获得热核反应所需要的高温高压,而这些原子炸药又要用普通炸药来点燃。 　　 通过阅读教材,理解核聚变,建立新的物理概念。 能否很顺利的建立物理概念,形成物理思维。 续表 教学环节 教学过程 设计意图 评价维度 三、课堂 探究 4.聚变与裂变相比的优点 [提出问题]请同学们自学教材,了解聚变与裂变相比有哪些优点? [学生回答]优点之一:轻核聚变产能效率高。 点拨:氢核聚变平均每个核子放出的能量约为3.3 MeV,而铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1 MeV。 优点之二:地球上核聚变燃料氘储量丰富。 点拨:每升海水中就含有0.03 g氘,地球上有13.86亿立方千米的水,大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来制取,地球上锂储量有2 000亿吨。 优点之三:轻核聚变反应更为安全、清洁。 点拨:实现核聚变需要高温,一旦出现故障,高温不能维持,反应就自动终止了。另外,氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的,放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质,比裂变所生成的废物的数量少,容易处理。 5.目前还不能控制热核反应的主要问题 (1)热核反应的点火温度很高; (2)如何约束聚变所需的燃料; (3)反应装置中的气体密度要很低,相当于常温常压下气体密度的几万分之一。 6.实现核聚变的两种控制方案 (1)磁约束:利用磁场来约束参加反应的物质。 [视频学习]通过了解我国在可控热核反应方面的成就,激发学生的爱国热情。 [图片展示] 环流器的结构示意图 (2)惯性约束:利用核聚变物质的惯性约束参加反应的物质。 [图片展示] 惯性约束聚变激光 激发思维,引入新知。 拓展学生知识面,激发学习兴趣。 通过阅读,解决问题;同时请各组代表展示自己的收获,形成科学态度与责任。 是否对新知的学习有着很高的兴趣。 能否通过课上的学习带来更多的新知识,有更广阔的知识储备。 能否形成较强的小组协作能力和总结、质疑、解释、表达交流的能力,提高学以致用的兴趣和能力。 四、概念 深化 [课堂练习] 1.关于重核的裂变,下列说法正确的是(　　) A.铀235被中子轰击后都会分裂成两块质量差不多的碎块,同时放出几个中子 B.铀235被中子轰击后二者都会发生分裂 C.要使铀块发生链式反应,其体积必须足够大 D.铀235分裂成两个中等质量的核,比结合能减小,放出核能 答案:C 2.现已建成的核电站发电的能量来自(　　) A.天然放射性元素衰变放出的能量 B.人工放射性同位素放出的能量 C.重核裂变放出的能量 D.化学反应放出的能量 答案:C 3.关于核聚变,下列说法正确的是(　　) A.与裂变相比轻核聚变辐射极少,更为安全、清洁 B.世界上已经有利用核聚变发电的核电站 C.要使轻核发生聚变,必须使它们的距离达到10-10 m以内,核力才能起作用 D.核聚变比核裂变更易控制 答案:A 4.关于轻核聚变释放核能,下列说法正确的是(　　) A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多 B.聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大 C.聚变反应中粒子的比结合能变小 D.聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量变大 答案:B 5.(多选)我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电,显示了“EAST”装置具有良好的整体性能,使等离子体约束时间达1 000 s,温度超过1亿摄氏度,这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平。合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方。核聚变的主要原料是氘,在海水中含量极其丰富。已知氘核的质量为m1,中子的质量为m2He的质量为m3,质子的质量为m4,下列说法中正确的是(　　) A.两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子 B.两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子 C.两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1-m3-m4)c2 D.两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1-m3-m2)c2 答案:BD 五、课堂 小结 [教师引导]通过今天的学习你都收获了什么?还有哪些疑问和不解?你能很好地区别核裂变与核聚变吗? 教师提问,倾听学生回答,适当提示,适时指正。 [学生总结]本节课我们主要学习了核裂变与核聚变的概念及核反应方程,知道核反应能放出巨大的能量,所以才有了氢弹和原子弹。 以学生为主体,通过师生互动,用探讨、交流的方式,总结本课的收获。 提高总结、表达交流的能力和学以致用的兴趣,养成科学探究的精神。 布置作业 1.[掌握巩固]完成教材课后习题和学案。 2.[课外延续]请利用网络或图书馆查阅学习我国“神光Ⅲ”激光约束核聚变研究装置。 教学反思 本节课顺利完成所有预设,在教学过程中注重突出学生主体地位,注重讲思结合的授课模式。实现了以学生学习为本,以教师讲授为纲要的课堂理念,整堂课教学思路层层递进,概念建立明晰,师生互动充分,思维培养有效。 板书设计 第4节　核裂变与核聚变 1.裂变:重核分裂成质量较小的核,并释放核能的反应。 2.聚变:某些轻核能够结合在一起,生成一个较大的原子核的核反应。 备课资源 【设计思想】本课教材蕴含着十分丰富的教学内容,在知识方面涉及核裂变与核聚变,这两部分内容是对核物理基本知识学习后的应用拓展。学生在放射性元素衰变的基础上认识到核反应不仅可以自发地进行,也可以通过人工转变发生,为学生思考人工控制下的核能利用奠定了基础。学生可以对两种类型的核反应的条件、释放的核能的优缺点和应用情况进行直观的对比,对能源危机以及核能这一新能源的发展应用前景有初步的了解。通过核电站等实际装置的介绍学习以及我国科学家对此领域的研究介绍,让学生了解我国目前对两类核能研究的进展和应用情况,体会科学技术是国家进步的第一生产力。在学习核裂变和核聚变这两部分内容时,还应进行科学方法、创新意识、爱国主义情怀培养等众多题材。教材在编写上很详细,学生有能力进行自学,所以授课时采用以问题为中心,分组交流的方式进行,不仅可以激发学生学习兴趣,还可以锻炼学生的总结与表达能力。所以,本课设计以两个大问题为中心:“一、谈谈你所知道的核裂变。 ”“二、对于超强能量核聚变你都知道哪些呢?”这样以两个问题为主线索,将学科内容的教学与思想方法的教学融合贯穿、有机结合,使学生自然而然既掌握物理的教材知识又能够提升自己对外部世界的认识。本课总体设计思想是课堂教学借助多媒体课件及学生分组展示介绍,教师和其他学生及时补充的方法,抓住核裂变与核聚变这两大问题主线,充分学习在核能发展利用方面的科学发展史,在科学史实展示中推出学科知识,渗透科学思想方法,激发学生的爱国情怀。 【教学设计】全课用 “核裂变”与“核聚变”这两个问题为主线设计问题,由学生分组谈论展示交流。 一、谈谈你所知道的核裂变 【演讲】第二次世界大战期间日本的广岛、长崎上空被投下了两颗原子弹,刹那间,这两座曾经十分美丽的城市变成一片废墟。 问题1:什么是核裂变?核裂变的特点是什么?是不是所有的核裂变都能放出核能? 读教材核裂变部分内容,分小组讨论。每一小组由一位同学陈述小组讨论的结果。 问题2:铀核的裂变 观察方程式BaKr+n。 裂变中释放出巨大的能量,在上述裂变中,裂变后的总质量小于裂变前的总质量,质量亏损:Δm=0.357 8×10-27 kg。 释放出的能量为ΔE=Δmc2≈200 MeV。 1 kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能! 问题3:核能发电的优点、缺点是什么? 1.优点:①污染小;②可采储量大;③比较经济。 2.缺点:①一旦核泄漏会造成严重的核污染;②核废料处理困难。 二、对于超强能量核聚变你都知道哪些 问题1:什么是核聚变? 【演讲】两个轻核结合成质量较大的核,这样的核反应叫作核聚变。 (1)氢核聚变反应Hen+17.6 MeV (2)释放能量:ΔE=Δmc2=17.6 MeV,平均每个核子放出的能量在3 MeV以上,比核裂变反应中平均每个核子放出的能量大3~4倍。 问题2:核聚变发生的条件是什么? 学生阅读教材,分析思考、归纳总结并分组讨论得出结论。 【归纳】发生聚变的条件: 使原子核间的距离达到 10-15 m以内,核力才能起作用。由于原子核都带正电,要使它们接近到这种程度,必须克服巨大的库仑斥力。也就是说,原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量的原子核获得足够的动能而发生核聚变呢? 【演讲】(1)用加速器加速原子核。 人工核反应:利用加速器将氘加速到所需的能量,轰击含氚的靶。这种方法引起聚变的几率极低。 (2)把原子核加热到很高的温度。 将一团氘核和氚核约束起来,并保持一定的密度。将核加热到上亿度的超高温,使其在极短时间内一起发生聚变。 聚变反应的特点: 核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应继续下去。 【归纳补充】实例:(1)太阳内部和许多恒星内部温度高达107 K以上,其反应就是热核反应的实例。 太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J,地球只接受了不到二十亿分之一的能量。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减小。它每秒有7亿吨原子核参与反应。科学家估计,太阳的这种“核燃烧”还能维持几十亿年。当然,与人类历史相比,这个时间很长很长! (2)核武器——氢弹在短时间释放巨大的能量,这就是聚变引起的核爆炸。 20世纪50年代人们利用核聚变反应制成了用于战争的氢弹,氢弹是利用热核反应制造的一种大规模杀伤武器,在其中进行的是不可控热核反应。 问题3:氢弹爆炸的原理是什么? 学生阅读教材中氢弹原理图,它需要用原子炸药来引爆,以获得热核反应所需要的高温高压,而这些原子炸药又要用普通炸药来点燃。 问题4:聚变与裂变相比的优点有哪些? 【演讲】优点之一:轻核聚变产能效率高。 点拨:氢核聚变平均每个核子放出的能量约为3.3 MeV,而铀核裂变时平均每个核子释放的能量约为1 MeV。　 优点之二:地球上聚变燃料氘储量丰富。 点拨:每升海水中就含有0.03 g氘,地球上有13.86亿立方千米的水,大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来制取,地球上锂储量有2 000亿吨。 优点之三:轻核聚变反应更为安全、清洁。 点拨:实现核聚变需要高温,一旦出现故障,高温不能维持,反应就自动终止了。另外,氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的,放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质,比裂变时生成的废物的数量少,容易处理。 问题5:目前还不能控制热核反应的主要问题有哪些? 【演讲】(1)热核反应的点火温度很高; (2)如何约束聚变所需的燃料; (3)反应装置中的气体密度要很低,相当于常温常压下气体密度的几万分之一。 问题6:实现核聚变的两种控制方案 【演讲】(1)磁约束:利用磁场来约束参加反应的物质。 [视频学习]通过了解我国在可控热核反应方面的成就,激发学生的爱国热情。 (2)惯性约束:利用核聚变物质的惯性约束参加反应的物质。 第 11 页 共 11 页 学科网（北京）股份有限公司 $