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

形成天才的决定性因素是勤奋。 教学设计 课 题 5.4《核裂变与核聚变》 科 目 物理 教学对象 高二学生 课型 新课 主备教师 教材分析 本节课选自人教版 2019 高中物理选择性必修第三册第五章原子核第 4 节，是原子核物理的核心收尾内容，也是原子物理联系现代科技、能源、国防的重要章节。前面已经学习原子核的组成、放射性衰变、质能方程、核反应方程，本节课是前面知识的综合应用与升华；内容分为两大部分：重核裂变、轻核聚变，同时介绍链式反应、核电站、氢弹、可控核聚变等实际应用；本节是高考高频考点，重点考查核反应方程书写、质量亏损与核能计算、裂变聚变区别、核能利用与核安全； 兼具物理理论性、科普性、德育性，是培养科学态度、能源意识、国家安全意识的重要课时。 学情分析 核裂变核聚变是核物理的基础，也是学生们比较感兴趣的原子弹、氢弹的入门知识。高中生对这一块不是很熟悉，但对此内容却非常感兴趣，有比较浓烈的求知欲。对教师来说，如何将深奥的核物理给高中生讲，并让能大致解答他们的疑惑，为后续大学的相关专业学习埋下伏笔，这是这节课的重点。基于此，本节课从核物理现象出发，逐一介绍相关概念，科学家的探究，目前人类的应用，以及目前人类遇到的问题。让同学们在学习知识点同时，增强自身的使命感，为以后的科研事业埋下种子。 教学目标 1.物理观念∶知道核聚变与核裂变的不同，通过核反应方程能计算所释放的能量。 2.科学思维∶能够分清楚裂变核聚变的含义，知道当前核聚变是不受控制的。 3.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——推理法。 4.科学态度与责任∶通过观看我国原子弹氢弹的爆炸视频，激发学生献身国防的爱国主义热情。 教学重点 1. 重核裂变的特点、条件、链式反应原理； 2. 轻核聚变的特点、条件及与裂变的对比； 3. 裂变、聚变核反应方程的正确书写； 4. 利用质能方程计算核反应释放的核能； 教学难点 1. 链式反应发生的条件（临界体积、临界质量）； 2. 核聚变需要极高温度压强的微观原因； 3. 质量亏损与质能方程的本质理解（质量亏损不是质量消失，是静能释放）； 4. 裂变可控、聚变目前不可控的原因区分； 5. 衰变、裂变、聚变三类核反应的本质辨析。 教学方法 讲授法、直观演示法（多媒体教学法）、对比归纳法 教学过程 教学内容 学生活动 教师活动 导 入 新 课 较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？ 思考如何利用原子核在分裂和合并过程中产生的能量。 观察原子弹爆炸的图片。 通过引导学生思考如何利用原子核分裂和合并过程中产生的能量。提高学生的学习兴趣。 新 课 讲 解 一、核裂变的发现 1、核裂变 核裂变：重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。 ⑴铀核裂变的一种典型情形 （最典型的一种核反应方程式） ⑵铀核的三分裂、四分裂 概率：三分裂： 四分裂： 1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三分裂和四分裂现象。 2、 链式反应 ⑴定义：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，这种反应叫核裂变的链式反应。 （2）临界体积和临界质量：使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。 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。 思考： 如图为核裂变示意图。 (1)重核裂变是一种天然现象吗？ (2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？ 答案：(1)不是　(2)不能 解析：重核的裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，只有达到链式反应的条件时，才会发生重核的裂变。 3、核裂变释放大量的能量 一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能! 二、反应堆与核电站 1、反应堆 通过可控制的链式反应来释放核能的装置。 ①铀棒：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料。 ②石墨(或重水)：石墨(或重水)作为慢化剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快中子变为慢中子，便于被铀235“捉”住，发生核裂变。 ③镉棒：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫作控制棒。 ④水泥防护层：屏蔽射线，防止放射性污染。 2、核电站 ⑴核电站工作流程 核电站工作流程 在反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏障裂变反应放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器深埋地下。 原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务。 三、核聚变 1、核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。 一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍，核反应方程： 思考与讨论: 要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到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。什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？ ⑴用加速器加速原子核 ⑵对物质加热到很高的温度108～109K 当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。因此，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，靠自身产生的热就会使反应继续下去。 2、核聚变普遍存在于宇宙中 热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。 太阳每秒辐射出的能量约为3.8x 1026J，相当于1 000亿亿吨煤燃烧所放出的能量，其中20亿分之一左右的能量被地球接收。现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分还是来自太阳，即太阳内部核聚变时释放的核能。 科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！ 3、 核聚变的利用——氢弹 4、 可控核聚变的方案 ⑴磁约束 带电粒子运动时在均匀磁场中受洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。 ⑵惯性约束 由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应 学习裂变的概念。 知道裂变的过程。 通过核裂变方程，观察核反应遵循的规律：质量数守恒、电荷守恒。 总结链式反应的概念以及发生链式反应的条件。 引发学生思考。 ] 观察核反应堆结构。 类比核裂变理解记忆核聚变的含义。 思考让粒子加速的方法。 阅读课本材料。了解实现核聚变的困难之处和所采取的方案。 通过类比细胞的分裂，让学生更好的理解“裂变”的概念。 让学生明确链式反应的概念，并由学生总结链式反应发生的条件。提高学生的自主学习能力。 带动同学的学习积极性。 通过课堂练习，巩固基础知识。 通过观察核反应堆的结构图、阅读课本材料，理解人工控制链式反应的原理。 让学生明白科技在推动人类进步的同时，也可以给人们带来灾难，培养学生的爱国主义精神。 让学生在学习过程中学会对比和归纳。养成良好的学习习惯 当 堂 训 练 1. （2025 全国甲卷）关于重核裂变和轻核聚变，下列说法正确的是（ B ） A． 裂变和聚变都是原子核自发释放核能的过程。 B． 裂变的反应物是重核，聚变的反应物是轻核。 C． 裂变和聚变过程中都出现质量增加。 D．聚变比裂变释放的能量更少。 2.（2024 新课标Ⅰ卷）关于铀核裂变，下列说法正确的是（ B ） A．铀核裂变只能分裂为两个新核 B．裂变产生的中子可引发链式反应 C．裂变过程质量增加，释放核能 D．核电站利用不可控裂变发电 3.（2025 广东卷）关于核聚变，下列说法正确的是（A ） A．核聚变又叫热核反应 B．核聚变需要低温低压条件 C．氢弹利用可控核聚变 D．太阳能量主要来自核裂变 4.（2024 浙江卷）关于核反应堆，下列说法正确的是（A） A．镉棒（控制棒）用于吸收中子 B．石墨用于加快中子速度 C．核废料无放射性，可直接丢弃 D．铀 235 易吸收快中子发生裂变 5.（2025 湖南卷）铀核裂变核反应方程：U (92,235) + n (0,1) → Ba (56,144) + Kr (36,89) + X n (0,1)式中 X 的数值为（B） A．2　　B．3　　C．4　　D．5 课 堂 小 结 1.重核裂变 定义：重核分裂为中等核，释放核能。 关键：中子轰击 →链式反应。 应用：核电站（可控）、原子弹（不可控）。 2.轻核聚变 定义：轻核聚变为重核，释放巨量能量。 条件：极高温度（热核反应）。 应用：太阳、氢弹（不可控）、人造太阳（可控）。 课 后 作 业 1. 辨析：重核裂变与轻核聚变的主要区别是什么？（从反应类型、条件、能量大小三方面作答） 2. 书写核反应方程：铀 235 受中子轰击裂变，生成钡 144、氪 89 和若干中子，完成反应式并补全中子个数。 3. 简答：为什么轻核聚变需要极高温度？核电站利用核反应的哪种形式？ 板 书 设 计 5.4《核裂变与核聚变》 一、核裂变 二、反应堆与核电站 三、核聚变 教 学 反 思 本节课结合原子弹蘑菇云图片与动画视频直观讲解裂变、聚变知识，通过对比辨析有效区分了衰变、裂变、聚变三类核反应，学生学习兴趣较高，较好完成了核心知识教学。但课堂对质量亏损、链式反应临界条件等难点讲解偏快，微观原理挖掘不够深入，核能计算练习不足，部分基础薄弱学生理解不到位。后续教学将放慢难点节奏，增加直观演示与当堂计算练习，强化知识落实与难点突破。 学科网（北京）股份有限公司 $