第三节 核能及其应用（教学设计）物理沪科版选择性必修第三册

第3节 核能及其应用（教学设计） 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第三节 核能及其应用 教学 目标 物理观念 1. 理解核能、核力、结合能、平均结合能的物理意义，掌握质能方程E=mc²与质量亏损的关系。 2. 掌握核裂变、核聚变的本质、反应条件与能量释放规律，明确两种核能释放方式的区别。 3. 了解核电站工作原理、可控核聚变技术及核能的实际应用，建立核能与能源、环境的物理观念。 科学思维 1. 结合平均结合能曲线，分析核裂变与核聚变释放能量的原因，培养图像分析、逻辑推理能力。 2. 能运用质能方程进行核能相关的简单计算，提升定量分析、科学论证能力。 3. 对比核裂变与核聚变的优缺点，形成辩证分析、科学评估的思维方式。 科学探究 1. 探究链式反应的自持条件与临界质量，体会 “提出问题 — 分析原理 — 得出结论” 的探究方法。 2. 结合核电站结构、EAST 装置，分析可控核聚变的技术难点，提升实验与工程原理分析能力。 科学态度 与责任 1. 认识核能在清洁能源、碳中和中的作用，树立安全利用核能、绿色发展的科学态度。 2. 了解我国核能与核聚变研究成就，增强科技自信、社会责任意识。 教学重难点 教学重点： 1. 核力、结合能、质量亏损的概念，质能方程的理解与应用。 2. 核裂变的链式反应原理、核电站核心部件与工作流程。 3. 核聚变的特点、可控核聚变的挑战与我国 EAST 装置的突破。 教学难点： 1. 理解平均结合能曲线与核能释放的内在联系。 2. 核裂变链式反应的自持条件与控制原理。 3. 可控核聚变 “高温、高密度、长约束” 的技术难点分析。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 【情境导入】核能 —— 微观世界的巨大能量宝库 1. 回顾旧知：原子由原子核与核外电子组成，原子核由质子和中子组成，天然放射现象说明原子核具有复杂结构。 2. 情境设问：为什么 1 克核燃料能释放出相当于 2.5 吨煤的能量？太阳为何能持续发光发热数十亿年？核电站的能量从何而来？ 3. 引出课题：原子核内部蕴藏着巨大能量，即核能，本节课共同探索核能的原理、应用与未来。 学生讨论：  回顾原子核组成，回答核内粒子种类。  观察能量对比数据，思考核能的巨大来源。  小组交流：生活中见过哪些核能应用。  带着疑问进入新课学习。 新课讲授 （一）. 核物理基础：核力与结合能 （1）核力 · 定义：维系原子核稳定的强相互作用力。 · 特点：强度大、短程力（10⁻¹⁵m）、饱和性、电荷无关性，能克服质子间库仑斥力，维持原子核稳定。 （2）结合能与质量亏损 · 结合能：核子结合成原子核时释放的能量，或原子核分解为核子时吸收的能量。 · 质量亏损：原子核总质量小于核子单独存在时总质量的差值。 · 核心公式：ΔE = Δm·c²（爱因斯坦质能方程），质量亏损转化为核能释放。 （3）平均结合能与核稳定性 · 定义：总结合能与核子数的比值，是衡量原子核稳定性的核心指标。 · 平均结合能曲线规律： · 轻核区：平均结合能低，波动大； · 中核区（⁵⁶Fe）：平均结合能最高，原子核最稳定； · 重核区：平均结合能逐渐下降。 · 核能释放启示：重核裂变、轻核聚变，都向平均结合能更高的稳定核转变，从而释放能量。 （二）. 核裂变：链式反应与和平利用 （1）核裂变的定义 重核（如²³⁵U）吸收中子后，分裂为多个中等质量核，释放巨大能量与次级中子的过程。 · 典型反应式：²³⁵U + ¹n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3¹n + 能量 （2）链式反应 · 原理：裂变产生的中子继续轰击其他铀核，引发持续裂变，形成链式反应。 · 自持条件： · k>1：超临界，反应加速（原子弹）； · k=1：临界，反应稳定（核电站）； · k<1：次临界，反应停止。 · 临界质量：维持链式反应所需的最小裂变材料质量。 （3）核裂变反应堆（核电站） · 核心作用：可控核裂变，稳定释放核能转化为电能。 · 关键部件： · 核燃料：提供 ²³⁵U 等裂变原料； · 减速剂：将快中子减速为热中子，维持反应； · 控制棒（镉 / 硼）：吸收中子，控制反应速率（“刹车” 装置）； · 反射层：减少中子泄漏，提高效率。 · 能量转化：核能→热能→机械能→电能。 （三）. 核聚变：未来终极能源 （1）核聚变的定义 轻核在极高温度、压强下聚合成较重核，释放巨大能量的过程（太阳能量来源）。 （2）核聚变的核心优势 · 燃料丰富：氘可从海水中提取，储量无限； · 能量密度高：单位质量释放能量是裂变的4 倍以上； · 清洁安全：产物为氦气，无长寿命放射性核废料，反应条件苛刻，失控即停止。 （3）可控核聚变的挑战 需同时满足三大条件： 1. 极高温度：上亿摄氏度； 2. 超高密度：等离子体充分压缩； 3. 长时约束：稳定控制高温等离子体。 （4）中国成就：东方超环（EAST） · 装置类型：全超导托卡马克（磁约束核聚变）； · 关键突破：1.2 亿摄氏度持续 101 秒、1.6 亿摄氏度持续 20 秒，刷新世界纪录。 （5）科学家贡献 王淦昌：1964 年提出激光惯性约束核聚变构想，是我国核聚变研究先驱。 （四）. 核能的综合评估与未来展望 （1）核能优点 · 能量密度极高，燃料消耗少； · 清洁低碳，温室气体排放低； · 运行稳定，适合作为基荷电源； · 裂变燃料储量充足，聚变燃料取之不尽。 （2）核能挑战 · 裂变存在安全风险、核废料处置难、核扩散风险； · 核电站建设成本高、周期长； · 可控核聚变仍需突破技术瓶颈。 （3）未来方向 裂变核电安全升级、先进反应堆研发、可控核聚变商业化攻关，助力全球碳中和目标。 学生讨论  识记核力四大特点，完成口头填空。  理解质量亏损含义，记录公式 ΔE=Δmc²。  观察平均结合能曲线，指出最稳定原子核。  讨论：为什么裂变、聚变都能释放能量。 学生讨论：  朗读并记忆铀 - 235 裂变反应方程。  观察动画，描述链式反应过程。  区分 k>1、k=1、k<1 三种状态的应用。  识别核电站四大部件，说出各自作用。  课堂小练：判断反应堆控制装置作用。 学生讨论：  说出核聚变所需条件：高温、高压。  列表对比裂变与聚变的优缺点。  识记可控核聚变三大挑战。  了解 EAST 装置，说出其类型与突破。  感受我国科技成就，增强民族自信。 学生讨论：  分组总结核能优势与挑战。  讨论：如何安全利用核能。  表达对未来清洁能源的看法。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1. 关于核能的本质，下列说法正确的是（） A. 核外电子转移释放的能量 B. 原子核质量亏损转化的能量 C. 分子间作用力变化释放的能量 D. 原子能级跃迁释放的能量 答案：B 解析：核能是原子核内部核子结合或分裂时，质量亏损按照质能方程E=mc2转化释放的能量，与核外电子、分子作用力无关。 2. 维系原子核稳定，克服质子间库仑斥力的力是（） A. 万有引力 B. 电磁力 C. 核力 D. 弱相互作用力 答案：C 解析：核力是短程强相互作用力，强度大、作用范围10−15m，能稳定原子核；万有引力太微弱，电磁力表现为斥力。 3. 关于核力的特点，下列说法错误的是（） A. 强度极大 B. 是长程力 C. 具有饱和性 D. 与电荷无关 答案：B 解析：核力是短程力，仅在原子核尺度内起作用，超过范围迅速消失。 4. 原子核的结合能是指（） A. 核子运动的动能 B. 核子结合成原子核时释放的能量 C. 原子核的内能 D. 原子核带电的势能 答案：B 解析：结合能是核子结合成原子核释放的能量，或原子核拆分为核子需要吸收的能量。 5. 平均结合能越大，则原子核（） A. 越不稳定 B. 越稳定 C. 质量越大 D. 质量越小 答案：B 解析：平均结合能是总结合能与核子数的比值，是衡量原子核稳定性的核心指标，数值越大越稳定。 6. 根据平均结合能曲线，最稳定的原子核是（） A. 11​H B. 2656​Fe C. 92235​U D. 24​He 答案：B 解析：铁 - 56 位于平均结合能曲线峰值，平均结合能约 8.5MeV，是自然界最稳定的原子核。 7. 核能释放的根本原因是（） A. 核子数增加 B. 平均结合能升高 C. 原子核体积变大 D. 反应温度升高 答案：B 解析：重核裂变、轻核聚变都会使产物平均结合能升高，核子从高能态转向低能态，释放核能。 8. 核裂变的定义是（） A. 轻核聚合成重核 B. 重核分裂为中等质量核 C. 原子核自发衰变 D. 电子与质子结合 答案：B 解析：核裂变是重核（如铀 - 235）吸收中子后，分裂为多个中等质量原子核并释放能量的过程。 9. 铀 - 235 发生裂变的必要条件是（） A. 吸收 α 粒子 B. 吸收中子 C. 吸收 γ 射线 D. 吸收电子 答案：B 解析：铀 - 235 需吸收一个中子后变得不稳定，才能发生裂变反应。 10. 关于链式反应，下列说法正确的是（） A. 裂变产生的中子引发新的裂变 B. 只需要一个中子就能持续反应 C. 所有原子核都能发生链式反应 D. 链式反应无法被控制 答案：A 解析：链式反应是裂变释放的中子继续轰击其他核，引发持续裂变；只有易裂变核（如铀 - 235）可发生，且能被控制。 11. 核电站中链式反应的临界条件是（） A. k>1 B. k=1 C. k<1 D. k=0 答案：B 解析：增殖系数k=1为临界状态，反应速率稳定，用于核电站；k>1超临界（爆炸），k<1反应停止。 12. 核反应堆中，控制反应速率的关键部件是（） A. 减速剂 B. 控制棒 C. 冷却剂 D. 反射层 答案：B 解析：控制棒由镉、硼制成，能强烈吸收中子，调节插入深度可精准控制反应速率。 13. 核反应堆中减速剂的作用是（） A. 吸收中子 B. 将快中子减速为热中子 C. 反射中子 D. 产生核燃料 答案：B 解析：减速剂（水、石墨）可降低中子速度，使中子更容易引发铀 - 235 裂变，维持链式反应。 14. 1 克铀 - 235 裂变释放的能量约相当于多少吨标准煤（） A. 2.5 吨 B. 25 吨 C. 250 吨 D. 2500 吨 答案：A 解析：核能能量密度极高，1 克铀 - 235 释放能量≈2.5 吨标准煤完全燃烧释放的能量。 15. 核聚变的能量来源是（） A. 重核裂变 B. 轻核在高温下聚合 C. 原子核衰变 D. 化学反应 答案：B 解析：核聚变是轻核（氘、氚）在极高温高压下聚合成较重原子核，释放巨大能量。 16. 与核裂变相比，核聚变的主要优点是（） A. 技术更简单 B. 产生大量核废料 C. 燃料丰富且清洁 D. 更容易控制 答案：C 解析：核聚变燃料氘可从海水提取，储量无限；产物为氦气，无长寿命放射性核废料。 17. 下列不属于可控核聚变三大挑战的是（） A. 上亿摄氏度高温 B. 等离子体高密度压缩 C. 长时间稳定约束 D. 获取大量铀矿 答案：D 解析：可控核聚变需高温、高密度、长约束；铀矿是核裂变燃料，与聚变无关。 18. 我国 “东方超环” EAST 装置属于（） A. 核裂变反应堆 B. 磁约束托卡马克装置 C. 惯性约束装置 D. 核武器实验装置 答案：B 解析：EAST 是全超导托卡马克，利用强磁场约束高温等离子体，属于磁约束核聚变装置。 19. 关于质能方程ΔE=Δmc2，下列说法正确的是（） A. 质量和能量可以相互转化 B. 质量和能量是同一物理量 C. 质量亏损转化为能量释放 D. 反应后总质量增加 答案：C 解析：质能方程表明质量亏损与释放能量的定量关系，质量与能量守恒，并非相互转化。 20. 下列关于核能应用的说法，正确的是（） A. 核电站是不可控核裂变 B. 氢弹是可控核聚变 C. 核电站是可控核裂变 D. 原子弹是可控核裂变 答案：C 解析：核电站为可控核裂变；原子弹是不可控裂变，氢弹是不可控聚变。 板 书 设 计 一、核物理基础 1. 核力：强相互作用、短程、稳定原子核 2. 质能方程：ΔE=Δm·c² 质量亏损→核能 3. 平均结合能：Fe-56最稳定；裂变/聚变→释放能量 二、核裂变 1. 重核分裂 ²³⁵U裂变方程 2. 链式反应：k=1稳定发电；k>1爆炸 3. 核电站：核燃料、减速剂、控制棒、反射层 三、核聚变 1. 轻核聚合 高温高压 2. 优点：无限燃料、清洁、安全 3. 可控聚变：三大挑战；EAST东方超环 四、核能评估 优势：高能、低碳、稳定 挑战：安全、废料、成本 未来：碳中和+清洁能源 课 堂 小 结 1. 核心概念：核力、结合能、质量亏损、E=mc²、平均结合能曲线。 2. 两种核能：核裂变（可控发电）、核聚变（终极能源）。 3. 关键装置：核电站控制棒、EAST 全超导托卡马克。 4. 核能定位：清洁高效、机遇与风险并存，未来向安全裂变与可控聚变发展。 作 业 布 置 1. 完成教材本节课后习题，重点巩固质能方程计算、核裂变与核聚变对比。 2. 查阅资料，简要说明 **“东方超环 EAST” 对人类未来能源的意义 **（100 字左右）。 3. 思考：如何平衡核能的高效清洁与安全风险？写两点个人看法。 教 学 反 思 成功之处：以平均结合能曲线为主线，学生能理解裂变、聚变为何释放能量；结合我国 EAST 成就，课堂代入感与价值引领到位。 不足：部分学生对质量亏损与结合能变化的逻辑理解仍模糊；链式反应临界条件的工程思维建立不够。 改进：增加图像对比与生活类比；补充 1–2 道简单计算例题；用动画演示链式反应与约束过程。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $