(教学设计)第5章 4 核裂变与核聚变2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册(人教版2019)

(教学设计)第5章4核裂变与核聚变2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册(人教版2019)授课内容授课时数授课班级授课人数授课地点授课时间课程基本信息1.课程名称：第5章4核裂变与核聚变

2.教学年级和班级：高中二年级物理选修班

3.授课时间：2023-2024学年第二学期，第10周星期三第1节

4.教学时数：45分钟

本节课将基于人教版2019新教材高中物理选择性必修第三册，深入探讨核裂变与核聚变的基本原理和应用。通过讲解和互动，帮助学生理解这两种核反应的物理过程及其在现实生活中的重要性。课程将紧密联系教材内容，注重培养学生的科学思维和分析能力。核心素养目标1.科学探究：培养学生通过观察、实验、模拟等方法，深入理解核裂变与核聚变的原理，提高科学探究能力。

2.物理观念：帮助学生建立完整的核物理知识体系，认识原子核结构，理解核裂变与核聚变现象，形成物理观念。

3.科学思维：训练学生运用物理知识分析问题，提高逻辑推理和批判性思维能力，培养科学思维。

4.科学态度与责任：激发学生对核物理领域的兴趣，引导他们关注核能利用对社会、环境的影响，培养科学态度与责任感。学习者分析1.学生已掌握相关知识：学生已学习过原子结构、原子核组成以及放射性衰变等基础知识，具备一定的核物理背景。此外，学生了解能量守恒定律和质能方程，为理解核裂变与核聚变中的能量释放打下基础。

2.学生的学习兴趣、能力和学习风格：学生对物理现象具有好奇心，对核能这一神秘领域表现出较强兴趣。他们在数学和逻辑推理方面具备一定能力，善于通过公式和图像理解物理过程。学习风格方面，部分学生喜欢通过实验和观察来学习，而另一部分学生则偏好理论分析。

3.学生可能遇到的困难和挑战：在理解核裂变与核聚变的具体过程和细节时，学生可能会感到困惑，如反应方程式的平衡、能量释放机制等。此外，对于核反应中涉及到的微观粒子相互作用，学生可能难以直观理解。在应用知识解决实际问题时，学生可能会遇到如何将理论运用到具体情境的挑战。教学方法与策略1.教学方法：结合讲授与讨论，通过案例分析引导学生深入理解核裂变与核聚变原理。采用项目导向学习，让学生分组研究核能的实际应用案例，促进知识的综合运用。

-讲授：系统讲解核裂变与核聚变的基本概念、原理及实际应用。

-讨论：组织学生就核能利用的利弊、安全性等问题展开讨论，激发思考。

-案例研究：分析典型核反应案例，帮助学生理解抽象的物理过程。

-项目导向学习：分组进行核能项目研究，培养学生的团队合作和问题解决能力。

2.教学活动：设计实验和角色扮演等活动，增强学生的参与感和体验。

-实验：组织学生进行模拟核反应实验，直观感受核裂变与核聚变现象。

-角色扮演：模拟核电站运行，让学生扮演不同角色，了解核能发电的整个过程。

3.教学媒体：使用多媒体课件、网络资源及实物模型，丰富教学手段，提高学生的学习兴趣和效果。教学过程设计1.导入新课（5分钟）

-目标：引起学生对核裂变与核聚变的兴趣，激发其探索欲望。

-过程：

-开场提问：“你们知道核裂变和核聚变是什么吗？它们在能源领域和科学发展中扮演着怎样的角色？”

-展示一些关于核裂变和核聚变的图片和视频片段，让学生初步感受这些物理现象的威力。

-简短介绍核裂变和核聚变的基本概念及其在现代能源和科技发展中的重要性。

2.核裂变与核聚变基础知识讲解（10分钟）

-目标：让学生了解核裂变与核聚变的基本概念、组成部分和原理。

-过程：

-讲解核裂变和核聚变的定义，包括它们的主要区别和相似之处。

-使用图表和示意图详细介绍原子核结构，以及核裂变和核聚变过程中粒子的相互作用。

-通过实例，如核电站的运行原理，让学生更好地理解核裂变在实际中的应用。

3.核裂变与核聚变案例分析（20分钟）

-目标：通过具体案例，让学生深入了解核裂变与核聚变的特性和重要性。

-过程：

-选择几个典型的核裂变和核聚变案例进行分析，如切尔诺贝利和福岛核事故，以及国际热核聚变实验反应堆（ITER）项目。

-详细介绍每个案例的背景、特点和意义，探讨核能利用的风险与挑战。

-引导学生思考这些案例对实际生活和学习的影响，以及如何安全有效地利用核能。

-小组讨论：让学生分组讨论核能的未来发展或改进方向，并提出创新性的想法或建议。

4.学生小组讨论（10分钟）

-目标：培养学生的合作能力和解决问题的能力。

-过程：

-将学生分成若干小组，每组选择一个与核裂变或核聚变相关的主题进行深入讨论。

-小组内讨论该主题的现状、挑战以及可能的解决方案。

-每组选出一名代表，准备向全班展示讨论成果。

5.课堂展示与点评（15分钟）

-目标：锻炼学生的表达能力，同时加深全班对核裂变与核聚变的认识和理解。

-过程：

-各组代表依次上台展示讨论成果，包括主题的现状、挑战及解决方案。

-其他学生和教师对展示内容进行提问和点评，促进互动交流。

-教师总结各组的亮点和不足，并提出进一步的建议和改进方向。

6.课堂小结（5分钟）

-目标：回顾本节课的主要内容，强调核裂变与核聚变的重要性和意义。

-过程：

-简要回顾本节课的学习内容，包括核裂变与核聚变的基本概念、组成部分、案例分析等。

-强调核裂变与核聚变在现实生活和学习中的价值和作用，鼓励学生继续探索和应用这些知识。

-布置课后作业：让学生撰写一篇关于核裂变与核聚变的短文或报告，以巩固学习效果。知识点梳理1.核裂变基本概念

-核裂变定义：重核在中子轰击下分裂成两个或多个较轻的核，并释放出大量能量的过程。

-核裂变条件：重核（如铀-235、钚-239）和中子。

-核裂变反应方程：如U-235+n→Ba-141+Kr-92+3n+能量。

2.核裂变反应链

-中子再生：裂变产生的中子可以继续引发更多的裂变反应。

-控制链式反应：通过控制棒吸收多余的中子，维持核反应堆的稳定运行。

3.核裂变应用

-核电站：利用核裂变反应产生热能，驱动涡轮发电机发电。

-核武器：通过不受控制的链式反应释放巨大能量。

4.核聚变基本概念

-核聚变定义：轻核在高温、高压条件下融合成更重的核，并释放出大量能量的过程。

-核聚变条件：高温（约1亿摄氏度）、高压，以及足够的原子核密度。

-核聚变反应方程：如D+T→He-4+n+18.3MeV能量。

5.核聚变困难与挑战

-高温环境：如何实现并维持高温环境，目前主要采用磁约束和激光惯性约束方法。

-中子辐射：核聚变反应产生的中子对反应器材料造成损伤。

-筑壁材料：寻找能够承受高温、高压和中子辐射的筑壁材料。

6.核聚变应用前景

-永久性清洁能源：核聚变燃料丰富，无二氧化碳排放，有望成为未来理想的清洁能源。

-探索宇宙：太阳和其他恒星通过核聚变反应释放能量，研究核聚变有助于了解宇宙的起源和演化。

7.核裂变与核聚变的比较

-燃料：核裂变使用重核，核聚变使用轻核。

-反应条件：核裂变在常温下即可发生，核聚变需要极端的高温、高压环境。

-能量释放：核裂变能量释放相对较小，核聚变能量释放更大。

-安全性和环保：核聚变相对更安全、清洁，但技术难度更高。教学评价与反馈1.课堂表现：观察学生在课堂上的参与程度、提问回答的积极性和准确性，以及学生的注意力和兴趣表现。这有助于了解学生对核裂变与核聚变知识点的理解和掌握情况。

2.小组讨论成果展示：评估各小组在讨论过程中的合作程度、分析问题的深度和创新性想法的提出。重点关注学生对核裂变与核聚变应用及未来发展方向的理解。

3.随堂测试：设计一些关于核裂变与核聚变基础知识的选择题、计算题和简答题，测试学生对课堂所学内容的掌握程度。

4.课后作业：评估学生撰写的关于核裂变与核聚变的短文或报告，从内容完整性、逻辑性和创新性等方面进行评价。

5.教师评价与反馈：

-针对学生在课堂表现、小组讨论和随堂测试中的优点，给予肯定和鼓励，提高学生的自信心。

-针对学生存在的问题和不足，给出具体的改进建议，帮助学生找到提高的方向。

-根据学生的整体表现，调整教学策略和教学方法，以提高教学效果。

-定期与学生沟通，了解他们的学习需求和心理状况，及时调整教学内容和节奏。典型例题讲解例题1：（计算题）已知铀-235的裂变反应方程为：U-235+n→Ba-141+Kr-92+3n+200MeV。若一次裂变释放出的能量为3.2×10^-11J，求每次裂变释放出的中子数。

解答：由题意知，每次裂变释放出的能量为200MeV，转换为焦耳为：

200MeV×1.602×10^-13J/MeV=3.204×10^-11J

每次裂变释放出的中子数为3个，因此每次裂变释放出的能量为3.2×10^-11J/3≈1.07×10^-11J/个。

例题2：（分析题）分析核裂变反应链中，为什么需要控制中子数量以维持链式反应的稳定？

解答：在核裂变反应链中，每个裂变事件会产生多个中子，这些中子可以继续引发更多的裂变反应。如果中子数量过多，会导致链式反应过快，释放的能量无法有效控制，可能引发核事故。因此，需要通过控制棒等手段吸收多余的中子，以维持链式反应的稳定。

例题3：（应用题）解释核聚变反应中，为什么需要高温和高压条件？

解答：核聚变反应需要高温和高压条件，因为原子核带正电，它们之间存在着强大的库仑斥力。在高温和高压环境下，原子核获得足够的动能，可以克服库仑斥力，使得轻核能够足够接近，从而发生聚变反应。

例题4：（计算题）已知氘和氚的聚变反应方程为：D+T→He-4+n+18.3MeV。求每次聚变反应释放出的能量。

解答：每次聚变反应释放出的能量为18.3MeV，转换为焦耳为：

18.3MeV×1.602×10^-13J/MeV=2.93×10^-12J

例题5：（综合题）比较核裂变和核聚变反应在能量释放、安全性、环保等方面的优缺点。

解答：

-能量释放：核聚变反应释放的能量远大于核裂变反应。

-安全性：核聚变反应相对更安全，因为其链式反应容易控制，且不会产生长寿命放射性废物。

-环保：核聚变反应不产生二氧化碳等温室气体，更环保。

-技术难度：核聚变技术难度较高，目前尚未实现商业化应用。反思改进措施-采用项目导向学习，让学生分组研究核能的实际应用案例，促进知识的综合运用。

-设计实验和角色扮演等活动，增强学生的参与感和体验，如模拟核反应实验和核电站运行的角色扮演。

2.存在主要问题：

-教学方法单一，主要以讲授为主，缺乏多样化的教学方法，如讨论、探究等。

-教学评价过于侧重考试成绩，缺乏对学生综合素质和能力发展的评价。

3.改进措施：

-采用多