5.5 裂变和聚变 教学设计-2026-2027学年高二下学期物理粤教版选择性必修第三册

该高中物理教学设计聚焦“裂变和聚变”核心内容，以比结合能曲线为学习支架，通过复习导入推导重核裂变与轻核聚变的释能本质，衔接核反应方程、质能方程等前序知识，构建完整核能知识体系。 资料特色在于运用微观图像推理解读链式反应中子增殖过程，分类对比裂变与聚变条件及应用，工程图像拆解反应堆结构，培养科学思维与探究能力，结合国产核电站实例渗透责任教育，助力学生提升分析能力，为教师提供清晰教学流程与资源支持。

教学设计 课程名称 裂变和聚变 选用教材 高中物理粤教版选修三 教学章节 第五章第五节 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 本节是原子核章节收尾核心课时，依托上一节比结合能曲线的结论搭建完整核能释放体系，整体逻辑分为四大模块：依托比结合能规律定义重核裂变、轻核聚变两类释能核反应；以铀 235 为典型讲解裂变链式反应，区分铀 235 与铀 238 俘获中子的差异，引入临界体积概念，结合链式反应示意图展示持续裂变过程；讲解核聚变（热核反应）发生高温条件、氘氚聚变反应方程，区分不可控氢弹热核反应与可控人工热核反应研究现状；最后介绍核能实际利用，分为不可控核武器、可控核反应堆发电，依托反应堆结构图、台山核电站实景图讲解反应堆石墨慢化剂、镉控制棒、水泥防护层三大核心结构，对比核电与火电燃料消耗差异，拓展核动力船舶应用，同时客观说明核废料深埋处理的环保要求。教材搭配核裂变及链式反应示意图、热中子反应堆示意图、台山核电站实景图三幅配图，先从微观核反应解释核能释放根源，再区分裂变、聚变实现条件，最后落地民用核电能源应用，完成原子核微观理论到清洁能源生产的完整闭环，兼具理论推导、微观图像、工程应用三重维度。 二、学情分析 1. 知识储备 学生前序课时掌握原子核组成、核反应方程电荷与质量数双重守恒、比结合能曲线变化规律、质能方程、三种射线穿透与防护；知晓质量亏损对应释放核能；能看懂核微观粒子示意图、工程装置结构图；具备能量守恒基础；但学生仅知晓比结合能中等核最高，无法自主推导重核分裂、轻核聚合都会产生质量亏损释放能量；不理解链式反应持续发生的中子增殖原理；分不清慢中子、快中子对铀 235、铀 238 作用差异；不能结合库仑斥力解释核聚变百万度高温的必要性；对核反应堆内部慢化、控制、屏蔽三层结构功能认知空白。 2. 能力现状 学生具备微观核反应示意图、工业反应堆结构图、电站实景图读图能力，能定性观察粒子分裂、聚合轨迹，但证据推理能力薄弱，无法由比结合能曲线反向推导裂变、聚变释能；定量分析能力不足，不能结合中子增殖过程解释临界体积存在的原因；分类归纳能力欠缺，无法自主对比裂变、聚变发生条件、原料、单次释能大小、可控程度；工程分析能力弱，不能对应反应堆内部石墨、镉棒、水泥层各自的作用。 3. 思维认知痛点 学生存在多重宏观思维固化误区：一是认为只有重核分裂才能释放核能，不知道轻核聚变单位核子释放能量更大；二是混淆铀 235、铀 238 吸收中子的规律，误以为天然铀可直接发生链式反应；三是不理解原子核均带正电，默认轻核可轻易碰撞聚合，忽略库仑斥力需要超高温克服；四是对链式反应存在认知误区，认为少量铀块也能持续裂变，不明白中子逃逸与临界体积的关系；五是片面看待核能，只关注核电清洁优势，忽视核辐射防护、核废料处理的安全环保约束。 三、教学目标 1. 物理观念 建立裂变、聚变统一核能微观观念：比结合能中等质量原子核最高，重核分裂为中等核（核裂变）、轻核聚合为较重核（核聚变）均出现质量亏损，依据质能方程释放大量核能；铀 235 俘获任意能量中子均可裂变，每次裂变释放 2~3 个中子，中子持续诱发新裂变形成链式反应，铀块存在临界体积；轻核聚变需要数百万摄氏度高温克服核间库仑斥力，又称热核反应，氘氚聚变单位核子释能远大于裂变；可控裂变依靠核反应堆实现平稳核能输出，反应堆包含石墨慢化剂、镉控制棒、水泥辐射防护层，核电是清洁低碳能源，同时配套核废料深埋防护处理；能结合核裂变链式反应示意图、热中子反应堆示意图完整解读链式反应微观过程与反应堆工程结构原理。 2. 科学思维 依托比结合能变化规律演绎推理裂变、聚变释能本质，建立微观核能建模思维；由链式反应示意图中子增殖轨迹推导临界体积存在的物理逻辑，形成粒子运动证据推理思维；分类对比核裂变、核聚变的原料、发生条件、释能效率、可控程度、实际应用场景，构建分类归纳对比思维；分层拆解核反应堆三大核心部件功能，建立微观核物理到大型能源工程的迁移思维；打通 “比结合能规律→裂变 / 聚变定义→链式反应微观过程→热核反应高温条件→核反应堆可控核能利用” 完整逻辑链条。 3. 科学探究 观察核裂变及链式反应示意图，根据中子增殖轨迹猜想链式反应持续条件；结合比结合能曲线对比反应前后原子核比结合能，推导质量亏损、核能释放原理；分组对比裂变、聚变发生条件与应用；读取热中子反应堆示意图，分析石墨、镉棒、水泥层各自作用；完整走完 “比结合能图像推导核能释放根源→链式反应微观示意图分析持续裂变条件→裂变聚变分类对比→反应堆工程图像拆解部件功能→清洁能源核电应用拓展” 完整核能探究流程，提升微观粒子示意图读图、比结合能曲线演绎推理、核工程装置结构分析、两类核反应分类归纳的综合探究能力。 4. 科学态度与责任 开展比结合能释能推导、链式反应微观图像分析、裂变聚变分类对比、核反应堆结构拆解、核电站应用拓展时规范区分不可控核爆炸与可控民用核电，分层梳理链式反应临界体积、核聚变高温约束、反应堆三层安全防护的物理原理，分层辩证分析核能清洁低碳优势与核辐射、核废料的安全约束，养成严谨求实、依托比结合能定量规律推导核能释放、依靠微观中子轨迹解释链式反应、辩证看待核能利弊、重视核工程安全防护与生态环保的科学建模与工程分析素养；小组合作推导裂变聚变释能原理、解读链式反应微观图、对比两类核反应、分析反应堆部件功能时分工曲线推理、图像轨迹解读、分类表格梳理、工程部件功能交流展示，锻炼沟通互助、协同完成微观核反应示意图解读、比结合能规律定量推导、裂变聚变多维度对比、核电反应堆工程结构分析复杂核能问题的团队协作意识；认识裂变链式反应、可控反应堆整套理论是国产华龙一号、台山第三代核电站、核动力船舶研发的核心能源物理理论；了解我国自主三代核电、人造太阳可控核聚变装置科研突破成果，引导学生扎实掌握微观链式反应示意图读图、比结合能曲线核能推导、裂变聚变分类对比、核反应堆工程结构分析的物理综合能力，树立依托核物理理论发展清洁能源、助力国家双碳目标、保障能源自主的家国责任，养成主动关注核电站、可控核聚变科研设备，客观看待核能安全、重视核废料环保处理的可持续发展意识。 四、教学重难点 重点 1. 依托比结合能区分核裂变、核聚变，两类核反应释放核能的本质（质量亏损）； 2. 铀 235 链式反应微观过程，中子增殖原理，临界体积概念，铀 235 与铀 238 俘获中子差异； 3. 核聚变（热核反应）百万度高温发生条件，氘氚聚变反应方程，聚变释能优势； 4. 可控核反应堆三大核心部件：石墨慢化剂、镉控制棒、水泥防护层的功能； 5. 裂变核能民用利用：核电站发电、核动力装备，核电低碳清洁优势。 难点 1. 由比结合能曲线自主推导重核裂变、轻核聚变均释放核能； 2. 解释链式反应临界体积存在的原因（中子逃逸与中子增殖竞争关系）； 3. 理解核聚变需要超高温克服原子核间库仑斥力的微观受力逻辑； 4. 区分不可控链式反应（原子弹）、可控链式反应（核电站反应堆）的调控原理； 5. 完整对应反应堆内部石墨、镉棒、水泥防护层各自的物理作用。 五、教学方法  规律演绎讲授法：依托比结合能曲线推导裂变、聚变释能本质；  微观图像推理法：核裂变链式反应示意图解读中子增殖、持续裂变过程；  分类对比教学法：表格对比裂变、聚变的条件、原料、释能、可控性、用途；  工程图像拆解法：热中子反应堆示意图分层拆解慢化、控制、屏蔽三层结构；  实例拓展教学法：结合台山核电站实景讲解民用核电能源优势；  讨论思辨教学法：小组讨论比结合能小的重核裂变产生质量亏损的底层逻辑。 六、教学资源 核裂变及链式反应示意图、热中子反应堆示意图、采用第三代核电技术的台山核电站实景图；配套素材：裂变聚变对比表格、链式反应中子增殖分析单、反应堆三大部件功能填空练习、质能方程核能计算习题。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 裂变与聚变的定义，核能释放的本质（7 分钟）  复习导入设问：上一节我们学习比结合能曲线，中等质量原子核比结合能最高。今天我们利用这条规律，解释原子核巨大能量的释放方式，分为重核裂变、轻核聚变两类，再研究铀裂变链式反应、高温热核聚变，最后学习人类可控利用核能的装置 —— 核反应堆与核电站。组织讨论交流思辨问题：比结合能小的重核分裂为两个较轻原子核，为什么会发生质量亏损、释放核能？  结合比结合能曲线分步推导：重核比结合能低于中等核，重核分裂生成两个中等核，反应后总比结合能提升，核子总结合能增大，出现质量亏损，依据(ΔE=Δmc2)释放核能，该过程称为核裂变；轻核比结合能远小于中等核，轻核聚合生成较重核，同样比结合能升高、质量亏损释放能量，称为核聚变。  板书氘氚聚变典型核反应方程，说明聚变单个核子释放能量是裂变的 3~4 倍，能量密度更高。  出示释能原理问答题，题目具体如下：请结合比结合能变化说明重核裂变、轻核聚变都能释放核能的统一原因。带领学生分层结合曲线规律作答。  小组回顾比结合能曲线变化趋势，对比重核、轻核、中等核的比结合能数值高低，自主梳理反应前后结合能差值来源。  独立完成讨论交流问题与释能原理问答题，分层书写裂变、聚变生成物比结合能大于反应前原子核；核子总结合能增加，对应质量亏损，亏损质量转化为向外释放的核能两层完整作答逻辑，条理完整作答。  同桌互相复述裂变、聚变定义，区分两类核反应原料、原子核质量变化趋势。 环节二 铀核裂变与链式反应、临界体积（14 分钟）  过渡引入裂变实际过程：铀 235 是可发生链式裂变的典型核燃料，中子轰击铀 235 诱发裂变，单次裂变释放 2~3 个新生中子，新生中子继续撞击其他铀 235，持续裂变形成链式反应。出示核裂变及链式反应示意图 分层解读图像：中子撞击铀核、铀核分裂、释放多个中子、中子诱发更多铀核裂变的增殖全过程。  区分天然铀两种同位素：天然铀 99.3% 铀 238、0.7% 铀 235；铀 235 吸收任意能量中子均可裂变；铀 238 仅吸收高能快中子才裂变，慢中子仅弹性碰撞不裂变，因此链式反应需要浓缩铀提升铀 235 占比。  讲解临界体积物理逻辑：铀块体积过小时，大量中子未撞击铀核就逃逸出铀块，无法维持增殖；刚好能够持续链式反应的最小体积为临界体积；体积超过临界体积时中子增殖远大于逃逸，短时间剧烈释放能量，原子弹基于该原理制造。  出示链式反应问答题，题目具体如下：为什么天然铀无法直接发生持续链式反应？什么是临界体积，体积超过临界体积会出现什么现象？带领学生分层结合两种铀同位素中子作用、中子逃逸规律作答。  观看核裂变及链式反应示意图，小组顺着中子运动轨迹梳理完整增殖流程，理解链式反应持续的核心是裂变新生中子持续诱发新裂变。  小组对比铀 235、铀 238 俘获中子的差异，明确浓缩铀提升铀 235 浓度是维持链式反应的必要条件。  独立完成链式反应问答题，分层书写天然铀铀 235 占比极低，大量中子被铀 238 弹性散射消耗，无法持续增殖；临界体积是维持链式反应的最小铀块体积，超临界体积中子快速增殖，短时间剧烈释放核能发生爆炸两层完整解释，条理清晰作答。  小组梳理链式反应三个必要条件：铀 235 燃料、中子增殖、体积大于临界体积。 环节三 核聚变（热核反应）发生条件、可控热核反应研究（13 分钟）  过渡引入聚变约束条件：所有原子核带正电，轻核相互靠近时存在巨大库仑斥力，必须极高温度才能让原子核具备足够动能克服斥力，发生碰撞聚合，因此核聚变又称热核反应，理论需要数百万摄氏度以上高温。  梳理两类热核反应：宇宙恒星内部天然持续热核反应（太阳）；人工不可控热核反应（氢弹，依靠原子弹爆炸提供高温）；可控热核反应是各国前沿科研课题，若实现稳定可控可彻底解决能源短缺。  对比裂变、聚变核心差异：裂变原料为重重金属，单位核子释能低，存在放射性废料；聚变原料氢同位素储量极大，释能效率更高，放射性污染远更小，但高温约束技术难度极大。  出示热核反应问答题，题目具体如下：核聚变为什么需要数百万摄氏度的超高温？氢弹与太阳内部热核反应、可控人工热核反应有什么区别？带领学生分层结合库仑斥力、控制条件作答。  小组分析原子核同种电荷库仑斥力，推导高温提升原子核动能、抵消斥力的微观逻辑。  小组制作裂变、聚变对比表格，横向标注发生条件、原料、单次释能、可控难度、污染情况。  独立完成热核反应问答题，分层书写原子核均带正电，相互排斥，高温提升原子核动能才能靠近发生聚变；太阳是天然持续可控热核反应，氢弹是不可控瞬间爆炸，人工可控热核反应仍处于实验研究阶段两层完整逻辑，条理清晰作答。  同桌互相复述聚变优势与技术瓶颈，建立清洁能源发展认知。 环节四 可控核反应堆、核电站核能利用（12 分钟）  过渡引入可控核能工程：原子弹是无控制链式反应，人类通过核反应堆调控中子数量，平稳释放核能用于发电。出示热中子反应堆示意图 分层拆解三大核心部件功能：石墨作为慢化剂，减慢裂变产生的快中子，提升铀 235 俘获概率；镉控制棒吸收中子，插入越深吸收中子越多，降低反应速率，实现功率调控；外层厚水泥防护层屏蔽各类放射性射线，保障外部安全。  讲解反应堆能量输出：液态金属循环带走裂变热能，加热水汽推动汽轮发电机发电；核废料装入专用容器深埋地下，隔离放射性污染。  出示采用第三代核电技术的台山核电站实景图 对比核电与火电燃料消耗：百万千瓦核电站年消耗 30 吨浓缩铀，同等功率火电站消耗 250 万吨煤炭，核电低碳、燃料运输成本极低；拓展小型反应堆用于核动力潜艇、航空母舰。  出示反应堆结构问答题，题目具体如下：核反应堆中石墨、镉控制棒、水泥防护层分别起到什么作用？为什么核电相比火电属于低碳清洁能源？带领学生分层拆解部件功能、燃料消耗差异作答。  观看热中子反应堆示意图，小组对应识别石墨、镉棒、水泥防护层，逐条梳理各部件调控、慢化、屏蔽的物理作用。  观看台山核电站实景图，小组对比煤电、核电燃料消耗数值，总结核电低碳、低运输消耗的优势。  独立完成反应堆结构问答题，分层书写石墨慢化快中子，利于铀 235 裂变；镉棒吸收中子，调控链式反应速率；水泥层屏蔽放射性射线；核电燃料消耗量极少，不排放二氧化碳等温室气体，属于低碳清洁能源两层完整解释，条理清晰作答。  小组串联本节全部知识点：比结合能→裂变聚变释能→铀链式反应临界体积→高温热核聚变→可控反应堆核电应用，形成完整核能知识链条。 环节五 课堂完整梳理、分层课后作业（6 分钟）  系统梳理本节课完整知识脉络：依托比结合能曲线推导重核裂变、轻核聚变两类核反应均存在质量亏损、释放核能；借助核裂变及链式反应示意图解读铀 235 中子增殖微观过程，区分铀 235 / 铀 238 中子作用，定义临界体积；讲解核聚变超高温热核反应发生条件，对比裂变聚变能源优势；依托热中子反应堆示意图拆解慢化、控制、屏蔽三大部件功能，结合台山核电站实景说明可控裂变核电的低碳能源价值，完整搭建 “微观核反应释能规律→两类核反应微观过程→可控核工程应用” 统一核能知识体系。  分层布置课后作业 基础作业：完整梳理裂变、聚变定义与释能本质；复述本节三幅配套图像对应的核心知识点；完整说明链式反应、热核反应发生条件；完成两道核能定性辨析问答题。 提升作业：结合比结合能曲线完整推导裂变聚变释能原理；解释临界体积、反应堆三大部件功能；对比裂变聚变多维度差异；给定质量亏损利用(ΔE=Δmc2)完成核能定量计算。 拓展实践：查阅我国华龙一号核电站、人造太阳可控核聚变装置相关资料，整理文字说明裂变反应堆、可控热核聚变理论在国产清洁能源装备研发、国家双碳战略中的应用价值。  指导学生整理裂变聚变对比表格、链式反应中子增殖笔记、反应堆部件功能清单，有序收纳三幅配套示意图笔记，养成比结合能规律演绎推导、微观链式反应图像解读、核工程装置分层拆解的核能物理学习习惯。  跟随教师梳理完整课堂知识框架，标记比结合能释能推导、铀链式反应与临界体积、核聚变高温条件、反应堆三大部件、核电能源优势五大重难点，查漏补缺，完善自身笔记，形成 “重核裂变、轻核聚变依靠比结合能提升释放核能，裂变可通过反应堆可控发电，聚变能源潜力巨大但高温约束技术待突破，核电是低碳清洁能源” 的完整核能认知模型。  主动参与课堂整体回顾，依次复述裂变聚变统一释能原因、链式反应中子增殖过程、热核反应高温根源、反应堆石墨 / 镉棒 / 水泥层功能，同桌互相抽查临界体积定义、聚变释能效率优势。  逐条记录分层课后作业要求，结合自身比结合能推导、反应堆结构分析薄弱点规划作业完成顺序，基础作业巩固两类核反应、链式反应、反应堆基础概念记忆；提升作业强化曲线规律推导、微观过程解释、核能定量计算能力；拓展实践结合国产核电、聚变科研装备，理解核物理理论对国家清洁能源自主发展的支撑价值。  整理课堂裂变聚变对比表格、链式反应分析笔记、反应堆部件清单，针对可控热核聚变约束原理、镉控制棒调控链式反应逻辑存在疑问的内容，课后主动向教师、小组同学交流请教。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托核裂变及链式反应示意图直观展示中子持续增殖的微观核反应过程、热中子反应堆示意图分层拆解民用核电安全调控工程结构、台山第三代核电站实景图展现我国自主清洁能源产业成果完整教学流程，学生在读取微观裂变粒子轨迹图像、核电反应堆工程结构图、国产核电站实景过程中如实记录裂变、聚变两类核反应的能源潜力与安全约束条件，分层完整依托比结合能规律推导核能释放的统一物理根源，逐条辩证分析核电低碳清洁助力双碳目标、同时存在放射性废料与辐射防护要求的两面性，养成严谨求实、依靠原子核比结合能定量规律推导能源释放、依托微观中子运动图像解释链式反应、辩证看待核能发展利弊、树立清洁能源可持续发展与核安全防护并重的科学建模与能源工程分析素养；小组合作推导裂变聚变释能原理、解读链式反应微观中子增殖图像、对比两类核反应优劣、拆解反应堆安全部件功能时分工曲线规律推理、微观粒子轨迹解读、多维度分类对比、核电工程部件功能交流展示，锻炼沟通互助、协同完成微观裂变示意图解读、比结合能核能定量推导、裂变聚变综合对比、核电反应堆安全结构分析复杂核能问题的团队协作意识；通过学习链式裂变、高温热核聚变、可控反应堆整套核物理理论，认识本节全部内容是国产华龙一号三代核电站、人造太阳可控核聚变大科学装置、核动力船舶装备研发的底层核心能源物理理论；了解我国在自主商用核电站、可控核聚变前沿科研、核动力舰船领域的重大科研与产业化突破成果，引导学生扎实掌握微观链式反应示意图读图、比结合能曲线核能演绎推导、裂变聚变多维度分类对比、核反应堆工程安全结构分析的物理综合能力，树立依托原子核裂变聚变核物理理论发展低碳清洁能源、保障国家能源独立、助力双碳战略实现的家国责任，建立主动关注核电站、人造太阳核聚变科研装置，客观看待核能发展优势与辐射安全、核废料环保约束，持续关注国内清洁能源高新产业技术发展的可持续发展科学探究价值观。 十、教学反思和修改 教学反思 本节课严格按照教材逻辑完成链式反应微观示意图导入、三幅教材配图分层识图教学、比结合能推导裂变聚变释能、铀链式反应与临界体积讲解、热核反应高温条件分析、反应堆三大部件拆解、核电能源应用拓展完整教学流程，依托核裂变及链式反应示意图、热中子反应堆示意图、台山核电站实景图三幅配图开展微观轨迹读图、工程结构拆解、能源优势拓展教学，大部分学生能够记住裂变聚变依靠比结合能提升释放核能、链式反应依靠中子增殖持续发生，完整写出质能方程(ΔE=Δmc2)，能定性说出反应堆石墨、镉棒、水泥层基础功能，但课堂存在明显短板：一是学生无法自主结合比结合能曲线推导释能逻辑，只会机械背诵结论，不能建立曲线数值与质量亏损的关联；二是对临界体积底层原理理解浅薄，分不清中子增殖、中子逃逸的竞争关系；三是混淆裂变、聚变释能效率、原料、污染差异，容易记反两类反应的能源优势；四是不能结合库仑斥力完整解释核聚变百万度高温的必要性；五是能源辩证思维薄弱，只强调核电低碳优势，忽视核辐射防护、核废料深埋处理的环保安全约束。 修改措施 课前发放预习学案，提前复习比结合能曲线、库仑斥力、质能方程知识点，预留比结合能与核能释放关联填空、链式反应中子运动基础练习，压缩课堂基础规律铺垫讲解时长；增加比结合能数值分层对比板书，直观展示重核、轻核、中等核差值，增设由曲线推导释能的随堂填空，打通图像定量规律与核能释放逻辑；延长临界体积原理讲解时长，用数值举例对比小体积中子大量逃逸、超临界体积中子持续增殖两种情况，增设临界体积完整原理解答专项训练；制作裂变、聚变多维度对比表格专项训练，清晰标注释能效率、原料、污染、可控难度，区分两类核反应核心差异；单独绘制原子核同种电荷斥力简易示意图，强化高温提升动能抵消斥力的微观逻辑；增设核能辩证讨论环节，同步梳理核电优势、辐射与废料约束，建立客观全面的能源认知；课后布置比结合能完整推导、链式反应临界体积原理解释、裂变聚变对比辨析专项习题，强化曲线规律自主推导、微观链式过程完整解释、两类核反应清晰区分能力，增设国产核电站、人造太阳拓展小题，巩固裂变聚变理论在国产清洁能源产业中的应用认知，增加结合链式反应图像解释原子弹与核电站差异的简答题，强化微观核过程与现实能源、武器应用自主关联的综合逻辑思维。 学科网（北京）股份有限公司 $