7.2 核能 教学设计方案-2025-2026学年高二下学期（中职）物理高教版（2021）通用类

《核能》教学设计方案 课题名称 核能 课程类型 理论课 课时安排 2课时（90分钟） 授课班级 中职一年级XX专业 授课地点 教室 教材版本 高等教育出版社《物理（通用类）》（2021年版）主题七 核能及其应用 第二节 一、 教材与学情分析 · 教材分析：本节是“核能及其应用”主题的核心内容，主要包括核能的概念、爱因斯坦的质能方程、核裂变、核聚变以及核能的利用（核电站、核武器）等。核能是原子核内部蕴藏的巨大能量，是当今世界重要的能源之一。教材通过介绍核裂变和核聚变的原理，引导学生理解核能释放的机制，了解核电站的工作原理，认识核能的优势和潜在风险，培养学生的能源意识和安全意识。 · 学情分析： · 知识基础：学生已在上一节学习了原子核的组成，知道原子核由质子和中子组成，但对原子核内部巨大的结合能缺乏认识。学生可能从新闻中了解过核电站、原子弹等，但对核能释放的原理了解不深。 · 认知特点：中职学生对核能充满好奇，但质能方程（E = mc²）较为抽象，质量亏损的概念理解有难度。核裂变的链式反应、核聚变的条件等需要通过形象比喻帮助学生理解。 · 专业衔接：本节课内容与核电站运行维护、核医学、核技术应用等专业领域紧密相关，是理解核能利用的基础。同时，核能是清洁高效能源，对实现“双碳”目标有重要意义。 二、 核心素养培养目标 1. 物理观念： · 理解核能的概念，知道原子核中蕴藏着巨大的能量。 · 掌握爱因斯坦质能方程 E = mc²，理解质量亏损与核能释放的关系。 · 了解核裂变和核聚变的原理，知道链式反应的条件。 · 知道核电站的工作原理，了解核能的优点和可能带来的问题。 1. 科学思维： · 通过质能方程的学习，建立质量与能量的联系，培养统一与守恒的观念。 · 通过分析链式反应的条件，培养系统思维和控制变量思想。 · 通过对比裂变和聚变，培养比较分析能力。 1. 科学探究： · 通过模拟链式反应实验（如多米诺骨牌），理解链式反应的概念。 1. 科学态度与责任： · 了解我国核工业的发展成就（如“华龙一号”核电站），增强民族自豪感。 · 认识核能的双刃剑效应，树立科学利用核能、安全第一的意识。 · 结合核废料处理等问题，培养环保意识和社会责任感。 三、 教学重难点 · 教学重点： 3. 质能方程 E = mc² 及质量亏损的理解。 3. 核裂变的原理及链式反应。 3. 核聚变的原理及条件。 3. 核电站的工作原理。 · 教学难点： 3. 质量亏损与核能释放的关系（质能方程的应用）。 3. 链式反应的可控与不可控。 3. 核聚变的条件（高温高压）及实现途径。 四、 教学方法与资源 · 教法：启发式讲授、演示实验法、问题驱动法、类比分析法。 · 学法：观察分析法、讨论交流法、练习巩固法。 · 教学资源：多媒体课件（PPT）、视频素材（原子弹爆炸、核电站工作原理、可控核聚变研究）、实验器材（多米诺骨牌、模拟链式反应装置）、教学互动平台。 五、 教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 1. 情境导入（5分钟） 播放视频：① 原子弹爆炸的蘑菇云；② 核电站发电；③ 太阳内部核聚变。提问：① 原子弹爆炸释放的巨大能量从何而来？② 核电站是如何发电的？③ 太阳为什么能持续发光发热？引入——这些现象都源于核能。今天我们来学习核能的相关知识。 观看视频，思考并回答问题，感知核能的巨大威力。 利用震撼的视听效果激发兴趣，自然引出核能主题。 2. 核心概念建构（60分钟） 第一课时：核能与质能方程 （一）核能的概念 1. 定义：原子核内部蕴藏的能量称为核能，又称原子能。核能是原子核结构发生变化时释放的能量。 2. 核能的来源：核裂变（重核分裂）和核聚变（轻核聚合）。 （二）爱因斯坦质能方程 1. 内容：物体的能量和质量之间存在着密切联系，它们的关系为：E = mc²。式中E为能量，m为质量，c为真空中的光速（3×10⁸ m/s）。 2. 物理意义：一定的质量对应一定的能量，质量发生变化时，能量也发生相应的变化。 3. 质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个差值叫做质量亏损（Δm）。亏损的质量以核能的形式释放出来。 4. 核能释放的计算：ΔE = Δm·c²。 5. 例题：已知一个质子的质量为1.6726×10⁻²⁷ kg，一个中子的质量为1.6749×10⁻²⁷ kg，一个氦核（²He⁴）的质量为6.6465×10⁻²⁷ kg。求两个质子和两个中子结合成氦核时释放的核能。 解：Δm = (2×1.6726 + 2×1.6749 - 6.6465)×10⁻²⁷ = 0.0485×10⁻²⁷ kg；ΔE = Δm·c² = 0.0485×10⁻²⁷ × (3×10⁸)² = 4.365×10⁻¹² J。 （三）核裂变 1. 定义：重核分裂成几个中等质量的原子核，同时释放出巨大能量的过程。 2. 典型反应：铀-235核被中子轰击后裂变，释放2-3个中子，并放出能量。 3. 链式反应：裂变产生的中子继续轰击其他铀核，使反应持续进行下去，形成链式反应。 4. 【演示实验】：多米诺骨牌模拟链式反应。 5. 应用： - 原子弹：不可控链式反应，瞬间释放巨大能量。 - 核电站：可控链式反应，通过控制棒吸收多余中子，使反应平稳进行，将核能转化为电能。 第二课时：核聚变与核能利用 （一）核聚变 1. 定义：轻核结合成质量较大的原子核，同时释放出巨大能量的过程。 2. 典型反应：两个氘核（²H₁）结合成一个氦核（²He₄）。 3. 条件：需要极高的温度（几千万摄氏度）和压强，使轻核克服库仑斥力发生碰撞。因此核聚变又称热核反应。 4. 应用： - 氢弹：利用原子弹爆炸产生的高温高压触发轻核聚变，释放更巨大的能量。 - 太阳：内部持续进行核聚变，是太阳光和热的来源。 5. 可控核聚变：人类正在研究实现可控核聚变（如“人造太阳”托卡马克装置），其原料丰富（海水中的氘）、清洁、安全，是未来理想的能源。 （二）核能的利用——核电站 1. 【视频/动画】：核电站工作原理。 2. 能量转化过程：核能 → 内能 → 机械能 → 电能。 3. 主要结构：反应堆（核燃料、控制棒、慢化剂、冷却剂）、蒸汽发生器、汽轮机、发电机。 4. 核电站的优势： - 清洁：不排放温室气体和污染物。 - 高效：核燃料能量密度极高，消耗少。 - 稳定：不受天气影响，可提供稳定基荷电力。 5. 核电站的安全： - 多重安全屏障（燃料包壳、压力容器、安全壳）。 - 核废料处理（储存、深地质处置）。 - 防止核扩散（国际原子能机构监管）。 （三）我国核工业成就 1. “两弹一星”：原子弹、氢弹、人造卫星，奠定了我国的大国地位。 2. 核电站：秦山核电站（首座自行设计）、大亚湾核电站、“华龙一号”（自主三代核电技术）。 3. 可控核聚变：中国“人造太阳”EAST装置多次刷新世界纪录。 【实例分析】： - 为什么核电站的反应堆中要用控制棒？（吸收中子，控制链式反应速度） - 为什么核聚变被称为“未来的理想能源”？（原料丰富、清洁、安全） 理解核能的概念。学习质能方程，理解质量亏损与核能释放的关系。观察多米诺骨牌模拟链式反应。学习核裂变原理及链式反应。学习核聚变原理及条件。观看核电站工作原理视频。了解我国核工业成就。 通过质能方程的学习，建立质量与能量的联系。通过类比实验，形象理解链式反应。对比裂变和聚变，培养比较分析能力。结合我国成就，增强民族自豪感。 3. 巩固提高（15分钟） 展示练习题： 1. 基础题：关于核能，下列说法正确的是（ ） A. 核能是原子核内部蕴藏的能量，只能通过裂变释放。 B. 质量亏损是指原子核的质量小于组成它的核子质量之和，亏损的质量转化为能量释放出来。 C. 核电站是利用核聚变释放的能量发电的。 D. 控制棒的作用是减慢中子的速度，提高裂变效率。 2. 计算题：已知一个铀-235核裂变时释放的能量约为200 MeV（兆电子伏），1 MeV = 1.6×10⁻¹³ J。求1 kg铀-235完全裂变释放的能量，并与1 kg标准煤燃烧释放的能量（约3×10⁷ J）比较，说明核能的优势。 答案：1 kg铀-235的原子核数约为2.56×10²⁴个，总能量约为2.56×10²⁴ × 200 × 1.6×10⁻¹³ = 8.2×10¹³ J，约为同质量煤的2.7×10⁶倍。 3. 综合应用：为什么太阳能够持续发光发热几十亿年？ 独立思考，完成练习，分享答案。 及时巩固核能概念、质能方程、裂变与聚变的区别，通过计算体会核能的巨大优势。 4. 课堂小结（5分钟） 引导学生回顾：① 质能方程 E = mc² 及质量亏损；② 核裂变原理及链式反应；③ 核聚变原理及条件；④ 核电站的能量转化过程；⑤ 我国核工业成就。 跟随教师引导，构建知识框架。 梳理核心内容，形成系统认识。 5. 作业布置（5分钟） 1. 必做：完成课后练习题1、2、3。2. 选做：查阅资料，了解“华龙一号”核电站的技术特点，写一篇200字左右的短文。3. 拓展：讨论核能是清洁能源还是危险能源？如何看待核能的发展前景？ 记录作业。 分层作业，兼顾基础巩固和能力拓展，引导学生辩证思考。 六、 板书设计 §7.2 核 能 一、质能方程 三、核聚变 1. 表达式：E = mc² 1. 定义：轻核结合成较重的核 2. 物理意义：一定质量对应一定能量 2. 典型反应：²H₁ + ²H₁ → ²He₄ 3. 质量亏损：Δm = 核子总质量 - 原子核质量 3. 条件：高温高压（热核反应） 4. 核能计算：ΔE = Δm·c² 4. 应用：氢弹、太阳、可控核聚变（人造太阳） 二、核裂变 四、核电站 1. 定义：重核分裂成中等质量的核 1. 能量转化：核能 → 内能 → 机械能 → 电能 2. 典型反应： 2. 主要结构：反应堆、蒸汽发生器、汽轮机 ²³⁵U₉₂ + n → 裂变 + 2~3n + 能量 3. 链式反应： 3. 控制：控制棒吸收中子 中子不断轰击其他核，持续进行 - 不可控：原子弹 4. 优势：清洁、高效、稳定 - 可控：核电站（控制棒调节） 5. 我国成就：秦山、大亚湾、“华龙一号” 七、 教学反思（课后填写） · 预期效果：预计大部分学生能掌握质能方程的基本含义，能区分核裂变和核聚变，了解核电站的工作原理。质能方程中的质量亏损概念可能理解不深，需要结合具体例题强化。链式反应的多米诺骨牌模拟实验能有效帮助学生理解，核聚变条件的抽象性需要借助比喻和视频。 · 改进设想：可引入更多与专业相关的实例（如核电专业中反应堆控制原理、辐射防护技术），使教学更贴近职业需求。可利用动画模拟链式反应的过程，增强直观性。可组织学生分组讨论“核废料处理方案”，培养学生的创新思维和社会责任感。结合“碳达峰、碳中和”目标，引导学生思考核能在能源结构中的重要作用。 学科网（北京）股份有限公司 $