5.4 核裂变 核聚变 教学设计-2026-2027学年高二下学期物理教科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，通过回顾比结合能曲线衔接质能方程旧知，以铀235裂变、链式反应等四张教材示意图为支架，梳理裂变微观过程、链式反应条件及聚变应用脉络。 特色在于依托示意图采用流程图解与对比辨析法，落实科学思维（模型建构、对比分类），融入神光装置等国内科研史实培养科学态度与责任，帮助学生纠正认知误区，为教师提供分层教学方案。

教学设计 课程名称 核裂变 核聚变 选用教材 高中物理教科版选修三 教学章节 第五章第四节 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 本节课承接上一节结合能、质能方程相关理论，依托铀 235 裂变示意图、链式反应示意图、核聚变示意图、激光惯性约束装置示意图四张教材图片，分为核裂变、核聚变两大核心板块展开教学。核裂变部分以铀 235 典型裂变模型为载体，讲解裂变反应过程、核反应方程、链式反应发生条件、临界体积概念，对比无控链式反应（原子弹爆炸）与可控链式反应（核反应堆、核电站）两种应用场景；核聚变板块讲解轻核聚合的反应条件、氘氚聚变典型反应方程，对比核聚变与裂变的能量释放优势，结合我国神光、天光激光惯性约束聚变装置与王淦昌院士科研史实，介绍可控核聚变的研究途径与国内科研成果。整节课把微观质能转化理论落地到实际核反应应用，区分裂变、聚变两类释能核反应的发生条件、产物、实际用途，兼顾物理原理、工程应用与家国科研成就，是原子核章节理论联系实际的核心应用课时。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已经掌握原子核由质子、中子构成，能规范书写核反应方程，熟悉质量亏损、比结合能、质能方程核心理论，清楚重核裂变、轻核聚变均会释放核能；知晓比结合能曲线规律，能判断中等质量原子核稳定性更强，但不了解铀核裂变完整微观过程、链式反应持续条件，不知道临界体积的物理意义；不清楚核聚变需要克服库仑斥力的高温高压条件，对可控核聚变国内科研成果、约束装置完全陌生，无法区分可控、不可控核裂变的应用差异。 2. 能力基础 学生具备粒子示意图、流程示意图读图能力，但通过裂变分步示意图梳理链式反应循环过程的逻辑推导能力薄弱；对比裂变、聚变两类核反应发生条件、能量释放特点的分类归纳能力不足；结合科研装置示意图解读可控聚变实现思路、联系国内科研史实进行综合分析的能力偏弱。 3. 思维基础 学生存在多处顽固认知误区：认为铀核裂变产物固定唯一；不清楚中子是维持链式反应的关键粒子，不理解临界体积过小会导致中子逃逸、反应终止；误以为核聚变极易发生，忽略同种电荷库仑斥力阻碍；混淆原子弹、核电站的链式反应控制方式；认为核聚变目前已经完全实现商用发电。 三、教学目标 1. 物理观念 建立核反应应用微观观念：铀 235 吸收低速中子会发生裂变，裂变产物多样，反应释放中子、γ 射线与巨大核能；裂变释放的中子可以持续撞击其他铀核形成链式反应，链式反应维持需要满足临界体积条件；无控链式反应对应原子弹爆炸，人为可控链式反应依靠核反应堆实现，平稳转化核能为电能；两个轻核聚合发生核聚变，需要极高温度克服库仑斥力，聚变单位核子释放能量高于裂变；氘氚聚变是典型聚变反应，人工可通过激光惯性约束实现可控聚变。 2. 科学思维 依托铀 235 裂变示意图建立分步核反应流程归纳思维；借助链式反应示意图建立循环微观过程演绎思维；利用核聚变示意图建立裂变、聚变两类核反应对比分类思维；结合激光惯性约束装置示意图建立工程装置、物理原理结合的建模思维，四类思维同步开展训练。 3. 科学探究 读懂铀核裂变示意图，梳理中子吸收、原子核分裂、次级中子释放完整裂变流程，书写典型裂变核反应方程；观察链式反应示意图，推导链式反应持续的必要条件，理解临界体积作用；对比裂变、聚变示意图，归纳两类核反应发生条件、能量释放特点；结合惯性约束装置图，梳理激光实现可控聚变的原理；完整经历 “裂变微观过程 — 链式反应规律 — 可控与不可控裂变应用 — 聚变反应条件 — 国内可控聚变科研” 完整探究流程。 4. 科学态度与责任 了解我国神光、天光激光聚变装置与王淦昌院士开创性研究成果，增强民族科研自信与家国情怀；辩证看待核能，原子弹无控裂变带来巨大破坏，核电站可控裂变提供清洁电能，核聚变是未来理想清洁能源；一代代物理学家从核反应理论到可控装置持续攻关，培养持之以恒、求真务实的科研品格；认识核安全、核废料处理的重要性，树立合理开发、安全管控核能的可持续发展理念。 四、教学重难点 重点 1. 铀 235 裂变完整过程，典型裂变核反应方程；链式反应、临界体积概念，可控与不可控裂变的应用区别 2. 核聚变反应发生条件，氘氚聚变核反应方程；裂变、聚变能量释放特点对比 难点 1. 理解链式反应循环维持的原理，明白临界体积过小中子逃逸导致反应终止 2. 理解核聚变需要高温克服库仑斥力，区分裂变、聚变的实现难度与应用现状 五、教学方法 1. 流程图解讲授法：铀 235 裂变示意图分步拆解裂变完整微观过程； 2. 循环图像分析法：链式反应示意图解读中子循环撞击维持反应的规律； 3. 对比辨析教学法：同步对比裂变、聚变的反应条件、产物、能量优势、应用； 4. 史实融合讲授法：结合激光惯性约束装置图，融入王淦昌院士与我国神光装置科研史实； 5. 小组讨论法：分组辨析可控、不可控链式反应差异，对比裂变聚变优缺点。 六、教学资源 教科版高中物理选择性必修第三册课本；铀 235 裂变示意图、链式反应示意图、核聚变示意图、激光惯性约束装置示意图四张教材配图；裂变聚变对比任务单；核反应方程书写练习题；我国可控核聚变科研科普拓展资料。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 旧知回顾，核裂变概念与微观过程导入（7 分钟） · 1. 带领学生回顾上一节比结合能曲线结论：重核分裂为中等质量原子核会发生质量亏损、释放核能，这种重核分裂反应称为核裂变，本节课先以铀 235 为例完整学习裂变微观过程、链式反应与实际应用。 · 2. 展示铀 235 的裂变示意图 · 分步拆解图中四步完整流程：低速中子被铀 235 原子核吸收、原子核结构变得不稳定、原子核分裂为钡、氪两类中等核、释放 3 个中子与 γ 射线；同步说明铀裂变产物不唯一，钡、氪只是典型产物。 · 3. 在黑板规范书写教材给出的铀裂变核反应方程，严格遵循质量数、电荷数守恒，标注反应物、生成物各类粒子。 · 4. 抛出探究问题：裂变释放的 3 个中子会向四周运动，这些中子会带来怎样的后续反应？如果铀块体积很小，中子会直接飞出铀块，还能持续发生裂变吗？ · 5. 组织两分钟同桌交流，教师巡回收集学生误区，多数学生认为中子不会再撞击铀核、铀块体积不影响反应持续。 · 6. 梳理认知漏洞：裂变释放的中子可以撞击其他铀原子核，形成持续循环反应；铀块体积不足时中子大量逃逸，反应无法维持，引出链式反应与临界体积概念，过渡下一张示意图。 · 1. 回顾比结合能、重核释能相关旧知识，记录本节课两大学习板块：核裂变、核聚变，明确学习目标。 · 2. 观看铀 235 的裂变示意图，按顺序记录裂变四步微观过程，跟随教师书写完整裂变核反应方程，核对质量、电荷守恒。 · 3. 同桌互相交流中子后续作用、铀块体积对反应的影响，说出自身原有猜想，标记疑问：怎样才能让裂变持续不断发生。 · 4. 跟随教师梳理认知漏洞，建立预判：裂变释放的中子可以持续引发新裂变，铀块体积大小会直接影响反应能否维持。 环节二 链式反应图解，区分可控、不可控裂变应用（12 分钟） · 1. 展示链式反应示意图 · 讲解循环机制：单个中子撞击铀核发生裂变，一次裂变释放多个次级中子，次级中子继续撞击周围铀核，不断重复裂变过程，形成链式反应。 · 2. 引入临界体积定义：能够维持链式反应持续进行的裂变物质最小体积，铀 235 临界体积大约和柚子相近，对应临界质量 15 千克；体积小于临界体积，中子大量逃逸，链式反应中断。 · 3. 对比两类链式反应：无控链式反应，短时间内全部铀核同步裂变，瞬间释放巨大能量，对应原子弹爆炸；可控链式反应，人为控制中子数量，平稳缓慢释放核能，依靠核反应堆实现，应用于核电站发电。搭配原子弹爆炸实景简单拓展无控裂变的巨大破坏力。 · 4. 布置四人小组三分钟讨论任务：从中子控制、能量释放速度、实际用途三个角度，对比原子弹与核电站链式反应的区别，小组整理要点推选代表发言。 · 5. 汇总小组发言，完整总结两类裂变差异：原子弹无中子约束、瞬间剧烈释能；核电站反应堆通过控制材料吸收多余中子，平稳缓慢输出能量，将核能转化为电能。 · 6. 过渡铺垫：轻核聚合也能释放更多核能，称为核聚变，聚变反应发生条件与裂变完全不同，展示核聚变示意图开展学习。 1. 观看链式反应示意图，梳理中子循环撞击的完整循环逻辑，完整抄写链式反应、临界体积文字定义，记住铀 235 临界体积大小。 2. 四人小组围绕可控、无控链式反应展开交流，从反应速度、中子管控、实际用途三层梳理区别，小组代表举手分享讨论结论。 3. 自主区分原子弹、核电站对应的链式反应类型，纠正 “所有铀裂变都剧烈爆炸” 的误区。 4. 独立梳理裂变完整知识链条：中子诱发铀裂变→释放次级中子→链式反应→临界体积维持反应→分可控、无控两类应用。 环节三 核聚变图解，讲解反应条件与能量优势（13 分钟） 1. 展示核聚变示意图 给出核聚变定义：轻原子核相互聚合生成较重原子核的核反应；分析反应阻碍：所有原子核均带正电，两个轻核靠近时存在库仑斥力，必须具备极高动能、极高温度才能克服斥力，进入核力作用范围发生聚变。 2. 以氘、氚聚变作为典型案例，板书规范书写聚变核反应方程，讲解反应产物为氦核与中子，单次聚变释放大量能量；对比裂变说明优势：平均每个核子聚变释放能量远高于裂变，原料氘可从海水大量获取，聚变产物无高放射性废料，是理想清洁能源。 3. 抛出同桌两分钟思辨讨论：为什么核聚变很难在常温下实现？聚变相比核裂变有哪些优势，教师巡回倾听学生观点。 4. 统一整合结论：同种电荷库仑斥力阻碍轻核靠近，常温下轻核动能不足无法聚合；聚变产能更高、原料储量丰富、放射性污染更小。 5. 过渡铺垫：核聚变需要超高温环境，无法直接储存约束，科学家研发激光惯性约束装置实现短时间可控聚变，展示激光惯性约束示意图，结合国内科研史实讲解。 1. 观看核聚变示意图，记录氘、氚聚合、释放中子与能量的反应过程，完整抄写核聚变定义、典型聚变核反应方程。 2. 同桌互相交流聚变难以常温发生的原因、聚变相对裂变的优势，分工从库仑斥力、能量释放、原料、污染四层梳理论据。 3. 自主建立裂变、聚变对比表格框架，标记二者发生条件、能量优势、原料差异。 4. 纠正 “核聚变极易发生、已经全面商用” 的认知误区，记住聚变需要极端高温条件。 环节四 激光惯性约束装置图解，国内聚变科研拓展 + 习题巩固（10 分钟） 1. 展示惯性约束示意图 讲解激光惯性约束实现可控聚变的原理：多束激光从各个方向同时照射聚变原料，瞬间压缩升温，依靠物质自身惯性，在扩散前完成聚变反应。 2. 融入课程思政科研史实：激光惯性约束创始人王淦昌院士，我国是最早开展该方向研究的少数国家，建成神光、天光系列激光装置，在可控核聚变领域走在世界前列，一代代科研人员持续攻关清洁能源技术。 3. 完整梳理本节课四层主线：铀 235 裂变微观过程与反应方程→链式反应、临界体积、可控 / 无控裂变应用→核聚变反应条件、氘氚聚变方程与能量优势→激光惯性约束可控聚变与国内科研成果。 4. 出示四道分层课堂思考题： ① 简述铀 235 裂变完整微观过程，写出教材典型裂变核反应方程。 ② 什么是链式反应、临界体积？说明原子弹与核电站链式反应的区别。 ③ 核聚变发生需要什么特殊条件？对比核聚变与核裂变的优势。 ④ 激光惯性约束依靠什么原理实现可控聚变？我国有哪些聚变科研装置？ 5. 带领学生复盘本节课四张配图核心知识：铀裂变示意图掌握分步裂变流程；链式反应示意图理解中子循环与临界体积；核聚变示意图分清聚变反应条件与能量优势；惯性约束装置图掌握可控聚变实现方式与国内科研成就，串联裂变、聚变完整应用逻辑。 6. 梳理本节课四类典型误区板书：铀裂变产物固定、体积不影响链式反应、常温可发生聚变、聚变完全商用，带领学生逐条纠正。 7. 布置分层课后作业：基础作业抄写裂变、聚变定义与两类典型核反应方程；提升作业独立完成四道课堂思考题；拓展作业搜集王淦昌院士或神光装置相关科研资料简要记录。 · 1. 观看惯性约束示意图，记录多方向激光压缩升温、惯性完成聚变的装置原理，记录我国神光、天光聚变装置与王淦昌院士科研事迹。 · 2. 独立完成四道分层思考题，完整书写每道题分析依据，完成后对照四张配图笔记自查错题，标记模糊知识点。 · 3. 跟随教师复盘四张示意图对应的完整知识主线，梳理裂变、聚变两类核反应完整对比逻辑。 · 4. 在课本记录四类典型认知误区，标注纠正知识点，规避同类答题错误。 · 5. 完整记录三层课后作业，分清概念抄写、简答分析、史料拓展三类任务。 环节五 课堂收尾 回扣开篇铀 235 的裂变示意图总结：本节课先学习铀核裂变完整微观过程，借助链式反应示意图理解中子循环维持反应、临界体积的必要条件，区分原子弹无控裂变、核电站可控裂变两类应用；通过核聚变示意图掌握聚变需要高温克服库仑斥力，聚变能量释放更具优势；最后依托激光惯性约束装置示意图，了解激光实现可控聚变的方式与我国领先的核聚变科研成果。下一节将梳理全章原子核完整知识，开展单元综合习题训练。 · 完整回顾本节课全部内容：铀裂变过程与方程、链式反应临界体积、可控与无控裂变、核聚变条件与优势、国内可控聚变科研成果，记住四张教材示意图对应的探究主线，完善原子核应用知识体系。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托铀 235 裂变示意图、链式反应示意图、核聚变示意图、激光惯性约束装置示意图四组教材素材，沿着核裂变微观过程、链式反应实际应用、核聚变反应规律、国内可控聚变科研成果完整脉络落实育人目标。王淦昌院士作为激光惯性约束创始人，深耕聚变领域，我国自主建成神光、天光系列激光聚变装置，跻身全球可控核聚变前沿国家，一代代科研工作者甘于奉献、持续攻关清洁能源，增强学生民族科技自信与爱国情怀；核能存在两面性，无控裂变造成巨大破坏，可控裂变、聚变可作为清洁可持续能源，引导学生辩证看待前沿科学技术，树立安全管控、合理开发能源的价值观；从理论上的质能亏损到可落地的核电站、聚变实验装置，物理理论依靠长期实验转化为民用技术，培养学生求真务实、持之以恒的科研品格；核聚变原料取自海水，近乎取之不尽，是未来解决能源危机的核心途径，引导学生树立可持续发展、绿色低碳的长远能源理念。 十、教学反思和修改 1. 教学反思 本节课四张流程、装置示意图直观易懂，小组裂变聚变对比讨论参与度高，但学生存在四类顽固认知误区，知识理解存在薄弱点：多数学生默认铀裂变产物固定不变，记不清临界体积对链式反应的约束作用；无法牢固记住核聚变需要超高温克服库仑斥力，误以为常温即可发生聚变；混淆原子弹、核电站中子管控方式，分不清可控、无控链式反应；不能清晰区分裂变、聚变在原料、污染、实现难度上的差异；同时部分学生结合示意图自主梳理链式反应循环过程的图像逻辑推导能力偏弱，书写核反应方程时容易漏算粒子数量。 2. 修改措施 课前印发预习填空单，标注四大核心易错点：铀裂变产物多样、临界体积维持链式反应、聚变需要高温、核电站为可控链式反应；课堂增加四轮抢答互动，快速纠正基础误区；延长四人小组四张示意图辨析讨论时长，帮扶薄弱学生，分层整理裂变、聚变对比清单；课后配套分层作业，夯实概念、简答、史料拓展；下一节课课前两分钟复盘裂变聚变核心差异，衔接原子核单元复习课，巩固核反应应用探究思维。 学科网（北京）股份有限公司 $