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

该高中物理导学案聚焦核裂变与核聚变，涵盖核裂变反应、链式反应、反应堆原理、核电站流程及两类核能应用利弊。课堂通过“核武器与核电站能量转化”等问题导入，搭建核反应基础与实际应用的知识支架，引导学生衔接前后内容。 资料以自主预习、课堂探究、分层习题为特色，课堂探究通过小组讨论设计核电站、分析核废料处理，培养科学探究与科学思维，素养专练结合实际应用，强化科学态度与责任，助力学生构建物理观念，提升解决问题能力。

第4节　核裂变与核聚变 学习目标 1.知道核裂变反应、链式反应及核聚变反应的条件。 2.知道反应堆的工作原理；知道核电站的工作流程。 3.知道两类核能的获取方法、原理，分析应用过程的利弊。 4.关注可控核聚变研究进展，核技术的应用对人类社会的影响，培养爱国情怀。 自主预习 一、核裂变的发现 1．核裂变：重核在被中子轰击后分裂成两个质量差不多的 ，并放出 的过程。 2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核裂变的产物是多样的，一种典型的核反应的生成物是 3．链式反应：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。 二、反应堆与核电站 利用核能发电，它的核心设施是 ，其主要由以下几部分组成： 1.燃料： 。 2.慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生核反应，采用 、 或 (也叫轻水)作慢化剂。 3.控制棒：利用镉吸收 能力很强的特性，在反应堆中采用插入镉棒的方法控制链式反应的速度。 4.热交换器： 等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆中的热量传输出去，同时也使反应堆冷却。 5.在反应堆的外面需要修建很厚的 ；核废料需装入特制的容器， 地下。 三、核聚变 1．定义：两个轻核结合成质量 的核的核反应。轻核聚变反应必须在 下进行，因此又叫热核反应。 2．实现可控核聚变的方案： 和 。 【提出问题】课堂探究 问题：核武器与核电站当中，我们使用的是什么能量？ 问题：在核武器与核电站中，我们是如何转化和利用核能的？ 问题：如果要建造一座核电站，有哪些注意问题？ 一、核裂变发现的历史背景 【情境设问】中子轰击铀235之后，形成了一个新的处于激发态的核，核裂变的产物多种多样，一种典型的铀裂变产物就是生成 和 ，同时释放出 。 【提出问题】 问题：小组讨论尝试写出核裂变反应的方程式 问题：在核裂变反应的方程式当中，核反应前后的中子的作用是什么，可否约掉？ 【情境设问】 问题：中子一定能够击中铀核么？ 问题：探究临界体积可能与哪些因素有关？ 结论：临界体积和临界质量与裂变反应物质的纯度和形状有关系。所以为了能够让核裂变反应可控发生，我们需要采用离心机分离技术将自然界的铀矿浓缩提纯，变成核燃料。 二、和平利用原子能——设计一座核裂变反应堆 【情境设问】 如何设计一座裂变反应堆核电站？ 学生自主阅读材料，小组讨论，尝试罗列出建造一座核电站，需要哪些主要的工作？体会建造核电站的难点有哪些？ 1. （天然铀或浓缩铀制成的 ，能够吸收慢中子的铀235占3%到4%）。 2. （常用的慢化剂有 。重核裂变（也就是铀棒发生裂变反应）产生的快中子，与慢化剂中的原子核碰撞后，能量减少，变为慢中子）。 3. （ 吸收中子的能力很强，镉棒插入越深，吸收的中子越多，链式反应的速度越慢，反之亦然）。 4. （ 把核反应堆内释放的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。 5. （用来屏蔽裂变产物放出的各种射线）。 6. （冷却剂的循环系统）。 7. （从冷却剂吸收热量，用于推动蒸汽轮机发电）。 8. 。 【提出问题】 提问：核裂变反应堆电站的核反应过程会产生核废料，那么如何处理核电站产生的核废料？ 三、核聚变介绍 【情境描述】 教师向学生描述核聚变机理，核聚变反应条件。温度需要达到百万开尔文。 【提出问题】 猜想一下宇宙中核聚变反应可能在哪儿发生？人类社会中有没有聚变反应的应用？ 【情境设问】 问题：与核裂变相比，核聚变有什么优点？ 问题：人工可控核聚变的途径有哪些？两种主要路线的典型大科学工程有哪些？ 典型例题 【例题1】(多选题) 关于重核裂变的说法正确的是(　 ) A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多 B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应 C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子 D.裂变过程中释放能量，质量亏损 【变式训练1】铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是(　　) A.铀块的质量是重要因素，与体积无关 B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子 C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生 D.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关 【例题2】核反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成，分别是(　　) A．核燃料、慢化剂、碰撞系统、传热系统 B．核燃料、慢化剂、发热系统、传热系统 C．核燃料、慢化剂、冷却系统、控制调节系统 D．核燃料、中子源、原子能储存系统、输送系统 【变式训练2】(多选题) 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 课堂练习 1.只要铀块的体积大于临界体积，就可以发生链式反应。 (　 　) 2.中子从铀块中通过时，一定发生链式反应。 (　 ) 3.重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小。 (　 　) 4.核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。 (　 　) 5.(多选题)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 素养专练 1．将铀原料投入核电站的核反应堆中，其中一种核反应是，已知、、的比结合能分别为、、。则（　　） A．该核反应中的X是质子 B．投入核反应堆后，铀235的半衰期变短 C．1kg铀矿石释放的能量为 D．与的平均核子质量相差约 2．一种典型的核反应是一个铀核与一个中子结合成一个钡核和氪核同时放出三个中子，反应方程为已知铀核、钡核、氪核和中子的质量分别为m1、m2、m3和m4，光在真空中的传播速度为c，下列说法正确的是（　　） A．m1 + m4 = m2 + m3 + 3m4 B．该核反应需要在很高的温度下进行，又叫热核反应 C．该核反应属于核裂变，制造氢弹不需要利用核裂变 D．该核反应释放的能量ΔE =（m1 − m2 − m3 − 2m4）c2 3．原子弹、氢弹、中子弹是核武器家族中的3个重要成员。1988年中国首颗中子弹研制成功，并进行了爆炸试验，自此以后，中国正式掌握了第三代核武器的设计及研制能力。下图为中子弹剖面示意图，中子弹使用的是铍元素外壳，铍9在一个中子的轰击下会发生如下核反应，则下列说法正确的是（   ） A．X是α粒子 B．中子弹是一种原子弹 C．中子弹的原理是核裂变反应 D．可以采用电磁场干扰发射出的中子 4．1967年我国第一颗氢弹成功爆炸，氢弹爆炸的核反应方程为，下列说法正确的是（　　） A．该核反应为α衰变 B．该核反应为裂变反应 C．X粒子为电子 D．的比结合能大于的比结合能 5．下图为核反应堆的示意图，铀棒是核燃料，其中一种核反应方程为，则下列说法正确的是（　　） A．铀核的比结合能比钡核的小 B．该核反应为热核反应 C．镉棒插入深一些可增大链式反应的速度 D．铀核的半衰期会受到环境压强的影响 参考答案 自主预习 一、核裂变的发现 1较轻原子核 核能. 2钡、氪、中子 二、反应堆与核电站 核反应堆 1铀棒 2石墨 重水 普通水 3中子 4水或液态的金属钠 5水泥层 深埋 三、核聚变 1较大 高温 2磁约束 惯性约束 课堂探究 1、 核裂变发现的历史背景 钡 氪 三个中子 2、 和平利用原子能—设计一座核裂变反应堆 1.燃料棒 铀棒 2.慢化剂 石墨、重水和普通水 3.控制棒 镉棒 4.冷却剂 水或者液态钠 5.水泥防护层 6.冷却循环系统 7.蒸汽循环系统 8.蒸汽轮机、发电机、冷凝器 例题与变式 【例题1】 AD 【变式训练1】 C 【例题2】 C 【变式训练2】ABD 课堂练习 1.×　2.×　3.×　4.√　5.BC 素养专练 1.D　2.D　3.A　4.D　5.A 2 学科网（北京）股份有限公司 $