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

该高中物理教学设计聚焦核裂变与核聚变核心知识，通过核爆与核电情境设问图导入，承接比结合能曲线旧知，以“重核轻核转变释能原理”为支架，引导探究裂变链式反应、可控核电流程及聚变热核反应条件。 特色在于微观模型与工程应用结合，借助铀核裂变微观示意图、链式反应图像推演（科学思维模型建构），结合核电站流程图解（科学探究问题驱动），小组讨论对比裂变聚变优缺点。融入我国环流器研究（科学态度与责任），助学生建立物理观念，提升教师教学效率与思政渗透能力。

教学设计 课程名称 核裂变与核聚变 选用教材 高中物理人教版选修三 教学章节 第五章四节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节课承接结合能、比结合能的知识，围绕重核裂变、轻核聚变两大核反应构建完整知识体系，分为四大核心板块：第一板块由核爆与核电应用情境提出问题，讲解重核裂变，依托微观模型说明中子轰击铀 235 发生裂变的过程，引入链式反应概念；第二板块区分不可控链式反应（原子弹）与可控链式反应（核反应堆、核电站），介绍反应堆控制棒、冷却回路、发电完整流程；第三板块讲解轻核聚变（热核反应），以氘氚聚变为例说明反应条件，对比氢弹原理与太阳天然聚变；第四板块对比裂变、聚变的优缺点，介绍我国环流器可控核聚变研究进展，辩证看待核能和平利用与核军备危害。课程以比结合能中等核最稳定为理论根基，打通微观核反应与大型工业、天体物理、国防应用的联系，树立和平利用核能的观念。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已经掌握比结合能曲线规律，知道重核、轻核向中等核转变会释放能量；了解中子、质子、原子核结构，但不清楚中子诱发重核裂变的机制，不理解链式反应持续增殖的原理；听过核电站、氢弹，但分不清裂变、聚变两种核反应；不知道可控与不可控链式反应的核心区别，不了解核聚变需要超高温条件。 2. 能力基础 学生具备微观核模型读图能力，但自主推导链式反应增殖过程逻辑薄弱；小组讨论时难以对比裂变、聚变的反应原料、条件、产能、废弃物差异；不能梳理核电站从核裂变到电能输出完整能量转化链条；缺少将微观核反应理论对应大型工程设备的理论联系实际能力。 3. 思维基础 学生存在典型认知误区：混淆裂变、聚变，认为原子弹、氢弹原理相同；觉得核聚变极易实现，忽略上亿开高温的严苛条件；片面认为核能只有核武器危害，忽视核电清洁能源价值；不清楚控制棒、慢中子在反应堆里的核心作用，无法区分临界体积与可控反应条件。 三、教学目标 1. 物理观念 建立统一的相互作用微观宏观观念，熟记引力、电磁、强、弱四种基本相互作用的特点；掌握核力（强相互作用）短程、饱和、存在于全部核子间的核心性质；理解质量亏损、结合能物理含义，知道核子聚合释放能量、拆分吸收能量；看懂比结合能曲线，明白中等质量原子核最稳定。 2. 科学思维 依托原子核微观结构设问图建立质子斥力与原子核稳定的矛盾猜想建模思维；借助四种基本相互作用星系图建立宏观引力、微观强相互作用分层归纳对比思维；利用核力微观模型图建立核力作用对象、作用距离特征的辨析分析思维；结合比结合能曲线图建立定量判断原子核稳定程度的图像推演思维，实现矛盾设疑、分类对比、微观模型拆解、图像定量分析全链条科学思维训练。 3. 科学探究 观察原子核结构设问，思考带正电质子不分散的内在作用力；研读星系示意图对比引力宏观作用范围，结合核模型区分核力微观短程特征；分析氦核拆分、聚合的能量变化，推导质量亏损与结合能的关联；解读比结合能曲线，归纳原子核稳定规律；完整经历 “质子斥力矛盾提出核力猜想→区分四种基本相互作用→微观模型拆解核力特点→能量变化引入质量亏损与结合能→曲线分析原子核稳定性” 完整探究流程。 4. 科学态度与责任 物理学家先后发现引力、电磁力，再通过原子核稳定性矛盾推导出强、弱相互作用，历经百年完善四种基本相互作用体系，体现物理研究善于发现理论矛盾、持续实验推演、层层递进完善理论的科研品格；核力、结合能理论是核能发电、核武器、医用核设备的底层理论，引导学生辩证看待核能利弊，树立合理开发清洁能源、规范管控核资源、严谨求真的科学责任意识。 四、教学重难点 重点 重核裂变、链式反应的原理，可控与不可控链式反应区别 核电站的工作流程、能量转化过程 轻核聚变的条件，裂变与聚变的优缺点对比 难点 理解链式反应中子增殖自持反应的逻辑 区分裂变、聚变的反应机制、应用场景与反应条件 五、教学方法 现实情境对比导入法：核爆情境设问图结合核电引入裂变、聚变探究问题； 微观模型拆解教学法：铀核裂变微观示意图直观展示中子诱发裂变过程； 图像逻辑推演教学法：链式反应示意图分析中子持续增殖规律； 工程流程图解教学法：核电站工作流程图梳理核能发电完整链路； 小组对比辨析讨论法：互助区分裂变、聚变的条件、原料、优缺点。 六、教学资源 人教版选择性必修第三册课本；核爆情境设问图、铀核裂变微观示意图、链式反应示意图、核电站工作流程图；裂变聚变科普动画、我国环流器实验影像、多媒体课件、黑板、裂变聚变对比表格。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 核应用情境导入，提出核能释放核心疑问 · 展示核爆情境设问图 · 讲解现实场景：原子弹依靠重核裂变瞬间释放巨大能量，氢弹依托轻核聚变，核电站则平稳输出电能，两类核反应都依靠原子核向中等核转变释放能量。顺势抛出核心导学思考题：重核分裂、轻核合并释放核能的微观过程分别是什么？怎样控制核反应，实现和平发电或瞬间爆炸？ · 递进出示同桌交流问题：结合上一节比结合能知识，思考为什么重核、轻核转变为中等核都会释放能量？给学生两分钟同桌交流，依托中等核比结合能最大的旧知识猜想作答。 · 待学生交流完毕点明本节课探究主线：先学习重核裂变，借助微观模型认识中子诱发裂变与链式反应；再对比不可控原子弹、可控反应堆与核电站完整流程；之后学习轻核聚变，了解热核反应高温条件与氢弹、太阳聚变；最后对比裂变聚变优缺点，了解我国可控核聚变研究。 观看核爆情境设问图，区分核武器与核电两种核能应用场景；同桌之间回忆比结合能规律，理解重核、轻核反应释能的理论依据；带着 “什么是核裂变、链式反应如何持续、核电站如何控制反应、核聚变需要什么条件” 四大疑问进入新课主体学习。 核裂变与链式反应、核电站、核聚变 · 第一步，讲解重核裂变基础概念。展示铀核裂变微观示意图 · 分步讲解：慢中子轰击铀 235，生成不稳定铀 236，分裂为钡、氪等中等原子核，同时释放 2-3 个中子与大量能量；给出裂变定义。再展示链式反应示意图 · 推导自持反应逻辑：单次裂变释放的中子继续轰击其他铀核，反应持续扩大，称为链式反应；临界体积是维持链式反应的最小燃料体积，超过临界体积反应不可控。同步配套随堂提问：原子弹、核电站分别对应哪种链式反应，核心控制差异是什么？ · 在学生作答后过渡可控核反应与核电站教学，展示核电站工作流程图 · 分层拆解流程：反应堆内铀棒裂变释放核能，冷却介质带走热量；热交换器产生高温蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电；镉控制棒吸收中子，调节反应快慢，水泥外层屏蔽辐射，完整梳理 “核能→内能→机械能→电能” 转化链条。 · 第二步，讲解核聚变，说明聚变需要几百万开高温，又称热核反应，氘氚聚变释放能量远高于同质量裂变；介绍氢弹依靠原子弹爆炸提供高温触发聚变，太阳内部持续天然核聚变；对比裂变、聚变优缺点，简要介绍我国环流器磁约束可控核聚变装置。组织三分钟四人小组讨论思考题：结合示意图对比不可控链式反应（原子弹）与可控反应堆的控制手段，每组推选代表完整汇报结论。 观看铀核裂变微观示意图，记住中子诱发铀核裂变的完整微观过程；观看链式反应示意图，理解中子增殖维持自持反应；观看核电站工作流程图，完整复述四层能量转化、控制棒、冷却回路作用；记住核聚变超高温条件，分清裂变、聚变应用；四人小组围绕可控与不可控链式反应展开辨析讨论；整理裂变、链式反应、核电站、核聚变完整笔记。 课堂总结、分层课后任务 · 整合四张配图梳理课堂主线：核爆情境设问图由核军备、核电两种应用提出裂变聚变研究问题→铀核裂变微观示意图拆解中子诱发重核分裂释能过程→链式反应示意图推导自持核反应增殖规律→核电站工作流程图展示可控裂变和平发电完整工程链路，完整覆盖现实情境设疑、微观裂变模型、链式反应逻辑、核电工程应用四大核心板块。 · 按照教材行文梳理整节课完整知识脉络：比结合能规律支撑重核裂变、轻核聚变释能→中子轰击铀 235 发生裂变，释放中子形成链式反应；超临界体积不可控（原子弹），依靠控制棒吸收中子实现可控（核电站）；轻核需要超高温发生热核聚变，用于氢弹、太阳；聚变产能更高、污染更小，我国开展磁约束可控聚变研究，黑板同步思维导图，标记链式反应条件、核电站能量转化、聚变高温条件三大高频易错点。 · 分层布置贴合教材的课后任务：基础任务写出核裂变、核聚变的定义；提升任务完整写出核电站能量转化全过程；拓展任务对比核裂变、核聚变的原料、反应条件、废弃物优缺点，下节课分享。 整合本节课四张配图对应的核爆情境导入、铀核裂变微观模型、链式反应图像、核电站流程全部知识点，重点纠正 “氢弹属于裂变”“核聚变常温可发生” 两类高频认知错误；记录分层课后作业要求，规划概念默写、流程书写、对比分析的完成顺序。 课堂收尾 · 回扣开篇核爆情境设问图完整总结本节课全部内容：本节课我们解开了核武器与核电站的能量来源之谜，中子轰击铀 235 发生重核裂变，释放中子形成链式反应；控制中子数量就能实现平稳核电输出，不加约束则瞬间剧烈爆炸；轻核需要上亿度高温发生核聚变，产能更高、污染更少，太阳依靠聚变持续发光，我国环流器正在攻克可控聚变清洁能源技术，我们应当倡导和平利用核能，反对核武器竞赛。 完整回顾裂变、链式反应、核电站流程、核聚变全部知识点，整理四幅配图对应的核应用情境、铀核裂变微观、链式反应、核电站流程笔记，理清 “核现实应用设疑→微观模型认识重核裂变→链式图像推导自持反应→工程流程图学习可控核电→拓展聚变清洁能源” 的核反应完整探究思路，规划课后分层任务完成顺序。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托核爆情境设问图、铀核裂变微观示意图、链式反应示意图、核电站工作流程图四组教材素材，沿着核现实应用对比设疑、微观裂变模型拆解、链式反应逻辑推演、核电工程流程分析的脉络开展教学，培养学生依托比结合能理论解释核反应释能、借助微观粒子示意图梳理裂变完整过程、从链式图像提取自持反应条件、结合工程流程图梳理核能发电转化链条的严谨实证科研品格；核裂变理论诞生后，人类同时造出毁灭性核武器与清洁核电，体现核能技术具备两面性；我国自主建成多座商用核电站，研发环流器磁约束核聚变装置，突破清洁能源关键核心技术，摆脱国外技术垄断，引导学生扎实掌握裂变、聚变完整知识体系，树立和平开发核清洁能源、坚持自主核科技研发、反对核武器军备竞赛、合理规范管控核资源的责任意识。 十、教学反思和修改 教学反思：本节课使用四张教材配图结合核应用情境导入、铀核裂变微观模型、链式反应图像、核电站流程完整完成教学，但学生普遍存在三处典型认知误区：一是混淆裂变、聚变，记错氢弹属于核聚变；二是不理解控制棒吸收中子的核心控制原理，分不清临界体积影响；三是认为核聚变常温即可发生，忽略超高温严苛条件；部分小组不能完整梳理核电站四层能量转化顺序。 修改措施：课前印制裂变、聚变区分填空预习单，提前分清两类核反应；课堂增加链式反应控制手段辨析小练习，强化控制棒、临界体积认知；延长四人小组聚变反应条件讨论时长，增设 “太阳为何持续发光” 随堂问答题即时纠错；课后配套裂变聚变定义默写分层基础习题，配套核电站能量转化书写、两类核反应优缺点对比拓展作业，强化裂变聚变区分、链式反应控制、核电能量转化三重专项训练。 学科网（北京）股份有限公司 $