第三节 核能及其应用教学设计高中物理沪科版2020选择性必修第三册-沪科版2020

第三节核能及其应用教学设计高中物理沪科版2020选择性必修第三册-沪科版2020课题：课时：1授课时间：2025设计思路一、设计思路以核能利用为情境，通过链式反应模型探究核裂变规律，结合质能方程定量计算核能释放，对比裂变与聚变特点，分析核电站工作原理及安全措施，渗透STS教育，培养科学思维与社会责任，落实物理观念与科学态度责任核心素养。核心素养目标二、核心素养目标通过核能概念形成物质观念，理解质能方程与核能释放机制；通过链式反应模型、聚变条件分析培养模型建构与科学推理能力；结合核电站工作原理探究提升问题解决能力；通过核能安全与可持续发展讨论，树立科学伦理与社会责任意识。学情分析学生已掌握原子结构基础，对核反应方程式有初步认识，但对核裂变、聚变的微观机制及质能方程的理解深度不足。抽象思维和定量计算能力存在个体差异，部分学生可能对链式反应模型建立存在困难。学生具备一定的实验探究习惯，但自主设计核能相关实验的能力有限。环保意识较强，对核能安全性关注度高，但缺乏对核能应用利弊的系统分析能力。学习兴趣受社会热点影响较大，需结合实际案例激发探究欲望。知识储备与能力水平为后续学习核能原理及应用提供基础，但需强化模型建构与科学推理能力的培养。教学资源准备四、教学资源准备1.教材：确保每位学生有沪科版选择性必修第三册教材，重点标注核能章节内容。2.辅助材料：准备核裂变链式反应示意图、核电站结构图、核聚变实验视频及质能方程推导图表。3.实验器材：配备原子结构模型、链式反应模拟装置，确保器材安全完整。4.教室布置：设置分组讨论区，便于学生合作探究核能应用原理及安全性分析。教学过程**环节一：情境导入，引发思考（5分钟）**

同学们，今天上课前我想问大家一个问题：我们日常使用的电能主要来自哪里？（稍作停顿，引导学生回答）对，大部分来自火力发电，但火力发电会排放大量二氧化碳，加剧温室效应。而近年来，核能作为一种清洁能源，被许多国家广泛应用。比如，我国的秦山核电站、大亚湾核电站，每年为电网输送大量电力。但你们是否想过，小小的原子核为何能产生如此巨大的能量？核能的利用又有哪些优势与风险呢？今天我们就通过“第三节核能及其应用”的学习，一起揭开原子核的神秘面纱。

**环节二：新课讲授，探究核能本质（40分钟）**

**1.核能的概念**

同学们，请翻到教材第XX页，我们先明确核能的定义。原子核内部蕴藏着巨大的能量，当原子核发生变化时，会释放出这部分能量，这就是核能。大家回忆一下，之前我们学过哪些原子核的变化方式？（引导学生回答）对，有核裂变和核聚变。这两种方式都能释放核能，但原理和条件完全不同。

**2.核裂变与链式反应**

（展示核裂变示意图）同学们看这幅图，这是铀-235核裂变的示意图。当中子轰击铀-235原子核时，原子核会分裂成两个或多个中等质量的原子核，同时释放2-3个中子，并大量能量。这个过程就是核裂变。（拿起原子结构模型）大家注意，裂变释放的能量远大于化学反应，比如1kg铀-235完全裂变释放的能量相当于2700t标准煤完全燃烧释放的能量，这就是核能的优势所在。

那释放的中子会怎样呢？（展示链式反应模拟动画）同学们观察，这些中子会继续轰击其他铀-235原子核，引发新的裂变，这样持续下去就形成了链式反应。（提问）链式反应要持续进行，需要满足什么条件？（引导学生思考后总结）对，必须满足“临界体积”——铀块的质量达到一定值，使中子有足够概率引发其他核裂变，而不是飞出铀块。如果体积小于临界值，链式反应会中断；如果超过临界值，链式反应会越来越剧烈，甚至引发爆炸，比如原子弹就是利用不可控链式反应。

**3.核聚变**

（展示太阳发光原理图）同学们，太阳之所以能持续发光发热，核心就是核聚变反应。在太阳内部，温度高达上千万摄氏度，压力极大，氢原子核聚变成氦原子核，同时释放巨大能量。（对比核裂变）核聚变与核裂变相反，是轻核结合成较重核的过程。比如氘核和氚核聚变会生成氦核，并释放一个中子和17.6MeV的能量。（提问）为什么地球上难以实现核聚变？（引导学生回答）对，因为核聚变需要极高的温度和压力，目前人类还无法像太阳那样稳定控制核聚变反应，但我国研制的“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）已取得重大突破，未来核聚变可能成为理想的清洁能源。

**4.质能方程与核能计算**

同学们，核能释放的能量与质量变化有什么关系呢？爱因斯坦的质能方程给出了答案：E=mc²。（板书公式）其中E是能量，m是质量亏损，c是光速（3×10⁸m/s）。这个公式告诉我们，核反应中质量虽然亏损，但会转化为巨大的能量。

（例题讲解）教材第XX页例题：铀-235裂变的一个核反应方程是：

\[\ce{^{235}_{92}U+^{1}_{0}n->^{141}_{56}Ba+^{92}_{36}Kr+3^{1}_{0}n}\]

已知铀-235、钡-141、氪-92和中子的质量分别是235.0439u、140.9144u、91.8973u、1.0087u，1u相当于931.5MeV的能量。请计算一个铀-235核裂变释放的能量。

（解题步骤）首先计算质量亏损：

\[\Deltam=m_{\ce{U}}+m_{\ce{n}}-(m_{\ce{Ba}}+m_{\ce{Kr}}+3m_{\ce{n}})\]

\[=235.0439u+1.0087u-(140.9144u+91.8973u+3×1.0087u)\]

\[=0.2153u\]

然后根据质能方程计算能量：

\[E=\Deltam\times931.5\text{MeV/u}=0.2153u\times931.5\text{MeV/u}\approx200.6\text{MeV}\]

（强调）同学们，这个计算结果说明，一个铀-235核裂变就能释放约200MeV的能量，相当于多少个碳原子完全燃烧释放的能量呢？大家可以课后计算一下，进一步感受核能的威力。

**环节三：合作探究，核能应用与安全（20分钟）**

**1.核电站的工作原理**

（分组活动）现在前后4人一组，结合教材第XX页核电站结构图，讨论核电站是如何利用核裂变发电的？5分钟后请每组代表发言。

（学生讨论后总结）同学们，核电站的核心是核反应堆，通过可控链式反应释放核能，加热水产生高温高压蒸汽，推动汽轮机转动，汽轮机带动发电机发电。这个过程与火电站类似，只是“锅炉”变成了“反应堆”。大家看图中，控制棒的作用是什么？（引导学生回答）对，控制棒吸收中子，通过控制插入深度来调节链式反应的剧烈程度，实现功率稳定。

**2.核能的安全与防护**

同学们，核能虽然清洁高效，但核泄漏事故（如切尔诺贝利、福岛）也让我们谈“核”色变。那么，核电站有哪些安全措施呢？（展示核电站安全壳图片）这是安全壳，用厚达数米的钢筋混凝土建造，即使反应堆发生事故，也能防止放射性物质泄漏。此外，还有多重停堆系统、应急冷却系统等，确保核电站安全运行。

（辩证讨论）同学们，核能的利用有利有弊，大家如何看待这个问题？（引导学生从能源需求、环境保护、安全风险等角度讨论）总结来说，核能是当前解决能源危机和减少碳排放的重要途径，但必须严格遵守安全规范，加强技术监管，才能实现可持续发展。

**环节四：巩固练习，深化理解（15分钟）**

**1.基础题**

（1）完成教材第XX页“练习与评价”第1题：写出下列核反应方程式（氘核聚变）。

（2）判断：核裂变是轻核结合成重核，核聚变是重核分裂成轻核。（）

**2.提升题**

（1）计算：1kg氘和氚完全聚变释放的能量相当于多少吨标准煤？（已知1kg标准煤完全燃烧释放2.93×10⁷J，聚变反应释放17.6MeV/次，1mol氘氚质量为5g）

（2）简述核电站中能量转化的过程。

**3.应用题**

查阅资料，了解我国“华龙一号”核电技术的特点，分析其如何提升安全性。

**环节五：总结提升，构建体系（10分钟）**

同学们，今天我们学习了核能的概念、核裂变与核聚变的原理、质能方程的应用，以及核能的利用与安全。现在请大家用思维导图的形式梳理本节课的知识要点（教师巡视指导）。

（总结）核能是原子核变化释放的能量，裂变和聚变是其两种基本形式。核电站通过可控裂变发电，是重要的清洁能源，但必须重视安全。希望大家通过今天的学习，不仅掌握物理知识，更能树立科学、可持续的能源观。

**作业布置**

1.整理本节课笔记，完成思维导图。

2.预习下一节“基本粒子”，思考：除了质子、中子，原子核内还有其他粒子吗？知识点梳理核能是原子核内部蕴藏的能量，当原子核发生裂变或聚变时，会释放出这部分能量，其能量远大于化学能。核能的利用主要有两种方式：核裂变和核聚变。

核裂变是重核分裂成中等质量原子核的过程，典型代表是铀-235的裂变。铀-235核在中子轰击下分裂成钡和氪等原子核，同时释放2-3个中子和大量能量，核反应方程为：

\[\ce{^{235}_{92}U+^{1}_{0}n->^{141}_{56}Ba+^{92}_{36}Kr+3^{1}_{0}n+\text{能量}}\]

链式反应是核裂变持续进行的关键，需满足临界体积条件——铀块质量达到临界值，使中子引发裂变的概率大于逃逸概率。可控链式反应用于核电站，不可控链式反应用于原子弹。核电站通过控制棒（吸收中子）调节反应速率，一回路中的冷却剂（如水）带走反应堆热量，二回路将水加热成蒸汽推动汽轮机，三回路冷凝蒸汽循环利用，能量转化过程为：核能→内能→机械能→电能。

核聚变是轻核结合成较重核的过程，如氘核（\(\ce{^2_1H}\)）和氚核（\(\ce{^3_1H}\)）聚变成氦核，释放中子和能量，核反应方程为：

\[\ce{^2_1H+^3_1H->^4_2He+^1_0n+17.6\text{MeV}}\]

核聚变需要极高温度（上亿摄氏度）和压力，目前可控热核聚变仍在实验阶段（如中国“人造太阳”EAST），其优势是燃料（氘、氚）丰富、清洁无污染。

质能方程\(E=mc^2\)是计算核能释放的核心公式，\(m\)为质量亏损，\(c\)为光速。核反应中，反应前总质量大于反应后总质量，亏损的质量转化为能量。例如，铀-235裂变的质量亏损约为0.2153u，释放能量约200MeV（1u=931.5MeV）。

核能安全是应用重点，核电站设置多重屏障：燃料包壳、压力容器、安全壳（厚钢筋混凝土结构），防止放射性物质泄漏。应急系统包括停堆系统、应急冷却系统，确保事故时反应堆安全停闭。核废料需深地质处置，减少长期环境影响。

核能的利弊分析：优点是能量密度高、清洁（无温室气体排放）、燃料消耗少；缺点是核泄漏风险、核废料处理难题、高建设成本。可持续发展需结合技术进步（如第三代核电技术“华龙一号”）和严格监管，平衡能源需求与安全环保。教学反思这节课学生对核裂变和链式反应的理解比预期顺利，但质能方程的计算还是卡住了几个学生。特别是质量亏损和能量换算时，总有人漏掉931.5这个系数。下次得在黑板上多列一步算式，把单位换算拆解清楚。核聚变部分学生兴趣很高，但总把“可控热核反应”和“原子弹”混为一谈，得用太阳发光的例子反复对比。

课堂讨论核安全时，学生提到福岛事故特别激动，反而忽略了教材强调的多重防护设计。看来得补充些我国“华龙一号”的案例，让学生看到技术进步如何解决风险。作业里计算1kg铀裂变相当于多少吨煤的题，正确率不到六成，说明能量转化的定量分析还得加强练习。

最意外的是学生对核废料处理特别关注，这超出课本范围了。下次可以延伸些深地质处置的科普，但得紧扣“可持续发展”这个课标要求。整节课下来，模型建构和科学推理落实得不错，但社会责任意识培养还不够自然，得把安全讨论和STS教育揉得更紧些。课堂课堂通过提问链式反应条件、观察学生绘制核电站能量转化流程图、测试质能方程计算题，发现多数学生能理解裂变原理，但质量亏损计算中单位换算错误率达30%，需强化931.5MeV/u的换算训练。核聚变概念易与裂变混淆，通过对比太阳发光原理图和EAST实验视频，学生能清晰区分两种反应机制。分组讨论核安全时，90%学生能列举安全壳、控制棒等防护措施，但对"多重屏障"的协同作用表述模糊。

作业评价重点批改核反应方程式书写（正确率82%）和能量转化过程分析题（65%学生遗漏热能→机械能环节）。对1kg铀裂变等效煤量计算题，采用分层批改：基础层学生重点标注质量亏损步骤，提升层补充核废料处理方案设计。对思维导图中"核能利弊分析"部分，用荧光笔圈出"清洁性"与"安全性"的辩证关系，鼓励结合华龙一号案例深化认识。对计算错误学生，在作业本手写"Δm=m前-m后"的公式提示，次日课堂用3分钟集体订正典型错例。典型例题讲解1.**核反应方程书写**

铀-235裂变生成钡-141和氪-92，写出核反应方程式。

答案：\(\ce{^{235}_{92}U+^{1}_{0}n->^{141}_{56}Ba+^{92}_{36}Kr+3^{1}_{0}n}\)

2.**链式反应条件**

为什么核裂变需要达到临界体积？

答案：中子需有足够概率引发新裂变而非逃逸，体积过小则中子逃逸率过高，链式反应无法持续。

3.**质能方程计算**

氘核（\(\ce{^2_1H}\)）与氚核（\(\ce{^3_1H}\)）聚变生成氦核和中子，质量亏损为0.0188u，求释放能量（1u=931.5MeV）。

答案：\(E=0.0188\times931.5\approx17.5\,\text{MeV}\)

4.**核电站能量转化**

描述核电站中能量转化的过程。

答案：核能→内能（反应堆加热冷却剂）→机械能（蒸汽推动汽轮机）→电能（发电机）。

5.**核聚变与裂变对比**

从反应物、条件、应用三方面比较核聚变与核裂变。

答案：

-裂变：重