第3节 核力与核能教学设计高中物理鲁科版2019选择性必修 第三册-鲁科版2019

第3节核力与核能教学设计高中物理鲁科版2019选择性必修第三册-鲁科版2019课题XX课时1设计思路一、设计思路以核现象为切入点，通过α粒子散射实验引导学生发现核力的存在，结合课本核力特点（短程、强相互作用）构建认知；通过质能方程推导核能计算，联系核裂变、聚变实例，深化能量转化与守恒的理解；采用问题驱动与小组讨论，结合科学史料（如爱因斯坦质能方程）渗透科学方法，实现从微观结构到宏观应用的认知进阶。核心素养目标二、核心素养目标物理观念：形成原子核结构及核力的观念，理解核能本质；科学思维：通过质能方程推导，培养模型建构与推理论证能力；科学探究：分析核现象，提升实验观察与问题分析能力；科学态度与责任：结合核能应用，体会科技发展与社会责任的联系。学习者分析三、学习者分析1.学生已掌握原子结构、能量守恒、动量守恒等知识，了解放射性现象及半衰期概念，为本节核力与核能学习奠定基础。2.学生对微观世界和核能应用（如核电站）有好奇心，具备一定逻辑推理和抽象思维能力，偏好通过实例和模型理解抽象概念。3.可能对核力的短程性、强相互作用特点及质能方程的物理意义理解困难，核裂变与聚变的条件及应用实例易混淆，需结合实验现象和生活实例突破难点。教学资源准备四、教学资源准备1.教材：鲁科版2019选择性必修第三册，确保学生人手一册。2.辅助材料：核力特点示意图、核裂变聚变过程图表、核能应用视频（如核电站工作原理）。3.实验器材：核力模拟演示装置（弹簧模型）、质能方程推导演示工具，确保器材安全完好。4.教室布置：设置分组讨论区，配备实验操作台，便于学生观察与讨论。教学过程（一）情境导入，引发思考（5分钟）

同学们，请看大屏幕（播放核电站工作视频）。你们知道核电站的能量来自哪里吗？对，来自原子核内部。原子核由质子和中子组成，质子带正电，它们之间有强大的静电斥力，可原子核却非常稳定，这是为什么呢？今天我们就来探究维系原子核稳定的“核力”，以及原子核释放的巨大能量——核能。（板书课题：第3节核力与核能）

（二）新课讲授：核力的存在与特点（15分钟）

1.核力的提出

我回顾一下，之前我们学习过原子的结构，知道原子由原子核和核外电子组成，原子核又由质子和中子组成。质子带正电，根据库仑定律，质子间应该存在巨大的静电斥力，可实际情况是，绝大多数原子核都很稳定。这说明原子核内一定存在另一种力，它比静电斥力更强，能将质子和中子紧紧束缚在一起。这种力就是核力。（展示教材图3-3-1，α粒子散射实验示意图）

2.核力的特点

核力有哪些特点呢？我们通过实验和理论分析来总结。（拿出核力模拟演示装置：两个小球用弹簧连接，代表质子和中子）

同学们请观察：当两个小球距离较远时，弹簧几乎不伸长也不压缩，相当于无相互作用力；当距离缩短到一定程度，弹簧被压缩，产生强大的吸引力；如果距离过近，弹簧会被拉伸，产生排斥力。这个实验能模拟核力的哪些特点？对，核力是短程力，作用范围只有10^-15m；核力既存在吸引力，也存在排斥力；核力与电荷无关，质子与质子、质子与中子、中子与中子之间的核力大小几乎相同。（板书：核力特点：短程力、强相互作用、与电荷无关）

（三）探究活动：质能方程与核能（20分钟）

1.质能方程的推导

既然核力如此强大，那么原子核发生变化时，会释放能量吗？爱因斯坦的质能方程给出了答案。（展示教材质能方程推导过程）

同学们，根据相对论，物体的能量和质量是相关的，E=mc²。其中E是能量，m是质量，c是光速（3×10^8m/s）。这个方程告诉我们，质量可以转化为能量，能量也可以转化为质量。当原子核的质量发生变化时，就会伴随着能量的释放或吸收。

2.质量亏损与核能

我们以重核裂变为例。（展示教材图3-3-5，铀核裂变示意图）铀核（U）裂变成两个中等质量的原子核，比如钡（Ba）和氪（Kr），同时释放出中子。请你们计算一下裂变前后的质量：裂变前铀核质量为235.0439u，裂变后钡核质量为140.9139u，氪核质量为91.8973u，中子质量为1.0087u，总质量为140.9139+91.8973+3×1.0087≈235.0370u。裂变前的质量减去裂变后的质量，Δm=235.0439u-235.0370u=0.0069u。这就是质量亏损。根据ΔE=Δmc²，释放的能量ΔE=0.0069×1.6605×10^-27kg×(3×10^8m/s)²≈6.5×10^-13J。1u的质量亏损对应931.5MeV的能量，所以ΔE=0.0069×931.5MeV≈6.4MeV。（板书：ΔE=Δmc²，质量亏损）

（四）小组讨论：核裂变与核聚变（15分钟）

现在请你们以4人为一组，讨论以下问题：（展示讨论提纲）

1.核裂变和核聚变的定义是什么？它们有什么区别？

2.核裂变为什么能链式反应？核聚变需要什么条件？

3.核裂变和核聚变的应用实例有哪些？

（学生讨论，教师巡视指导。5分钟后，每组派代表发言）

很好，第一组认为：核裂变是重核分裂成中等质量原子核，核聚变是轻核结合成较重原子核；裂变中子轰击铀核引发链式反应，聚变需要超高温（如太阳内部）。第二组补充：裂变应用在核电站，聚变应用在氢弹和可控核聚变实验。总结一下：裂变是“分裂”释放能量，聚变是“结合”释放能量；裂变条件是中子轰击，聚变条件是超高温（上千万摄氏度）。（板书：核裂变：重核→中等核，链式反应；核聚变：轻核→较重核，超高温）

（五）巩固练习，突破难点（10分钟）

现在请你们完成以下练习：（展示习题）

1.下列关于核力的说法，正确的是（）

A.核力是电磁力的一种

B.核力是短程力，作用范围在10^-10m以内

C.核力与电荷无关

D.核力只存在于质子之间

（学生思考后回答，教师点评：C正确，核力是强相互作用，短程力，范围10^-15m，与电荷无关，质子、中子之间都有核力）

2.一个氘核（H）和一个氚核（H）聚变成一个氦核（He），同时释放一个中子。已知氘核质量为2.0141u，氚核质量为3.0161u，氦核质量为4.0026u，中子质量为1.0087u。求释放的能量是多少？

（学生计算：Δm=2.0141+3.0161-4.0026-1.0087=0.0179u，ΔE=0.0179×931.5MeV≈16.7MeV。教师强调：聚变释放的能量比裂变更大，且燃料丰富（海水中氘、氚丰富））

（六）总结提升，联系实际（5分钟）

同学们，今天我们学习了核力的特点和核能的计算。核力是维系原子核稳定的短程强相互作用，质能方程揭示了质量与能量的关系，核裂变和核聚变是释放核能的两种方式。核能作为一种清洁能源，既能解决能源危机，也面临安全和废料处理的挑战。作为新时代的青年，我们要用科学的眼光看待核能，既要利用它的优势，也要重视它的安全，让科技更好地服务社会。（布置作业：课后习题第1、3、5题，查阅资料了解可控核聚变的研究进展）拓展与延伸1.拓展阅读材料

（1）核力的微观机制：教材提到核力是短程强相互作用，可进一步阅读《原子核物理》中关于汤川秀树提出的介子理论，了解核力通过π介子传递的机制，理解核力作用范围与介子质量的关系。

（2）核能应用实例：结合教材核裂变与聚变内容，阅读《能源与可持续发展》中压水堆核电站的工作原理，对比切尔诺贝利与福岛核事故的安全设计差异，理解核反应堆的安全屏障（燃料包壳、压力容器、安全壳）如何防止放射性物质泄漏。

（3）质能方程的物理意义：查阅爱因斯坦《论动体的电动力学》原文，分析质能方程E=mc²的推导过程，理解质量与能量的等价性在粒子物理中的应用，如正负电子湮灭产生光子的能量计算。

（4）可控核聚变前沿进展：阅读《中国核科学与技术发展报告》中“人造太阳”EAST装置的实验成果，了解托卡马克装置中约束等离子体的技术（如超导磁体、中性束注入），以及ITER国际热核聚变实验堆的建设目标。

2.课后自主探究任务

（1）实验探究：利用教材中核力模拟装置，改变小球间距，记录弹簧形变量与作用力的关系，绘制核力作用范围示意图，验证核力的短程性。

（2）数据分析：查阅国际原子能机构（IAEA）数据，统计全球核电站分布与发电占比，计算核能减少的二氧化碳排放量，分析核能在碳中和中的作用。

（3）模型建构：以氘氚聚变为例，用质能方程计算1mol氘和1mol氚聚变释放的能量，对比相同质量煤燃烧释放的能量，撰写“核能优势与挑战”研究报告。

（4）社会议题辩论：分组收集核废料处理技术（深地质处置、嬗变技术）资料，辩论“核能发展是否应优先于可再生能源”，培养科学决策能力。

（5）科学史研究：撰写“从原子弹到核电站”时间轴，梳理奥本海曼、费米等科学家对核能应用的贡献，反思科学伦理与社会责任的关系。教学评价与反馈1.课堂表现：观察学生参与核力模拟实验、质能方程推导的积极性，关注学生对核力短程性、强相互作用特点的理解深度，记录回答问题的准确性和逻辑性。

2.小组讨论成果展示：评价小组对核裂变与聚变定义、条件、应用的总结是否全面，链式反应和超高温条件的表述是否准确，关注团队协作与观点表达的清晰度。

3.随堂测试：通过选择题（核力特点判断）、计算题（质量亏损与核能计算）检测学生对核心知识的掌握情况，统计正确率，分析易错点（如核力作用范围、质能方程单位换算）。

4.学生自评与互评：学生反思本节课对核力与核能概念的理解程度，小组内互评讨论参与度，促进自我认知与同伴学习。

5.教师评价与反馈：针对学生计算中的单位换算错误、核力与电磁力的混淆点进行集中讲解，肯定学生对核能应用实例的积极思考，强调科学探究与社会责任的结合。教学反思这节课核力与核能的内容抽象，学生理解起来有难度。核力模拟实验直观展示了短程性，但部分学生仍混淆核力与电磁力。质能方程推导时，单位换算错误较多，下次需强化u与MeV的对应关系。小组讨论中，学生对裂变聚变的条件和应用能清晰区分，但对“链式反应”的物理本质理解不够深入。随堂测试显示，核力特点选择题正确率仅70%，需补充更多生活实例。核能应用环节，学生兴趣浓厚，但安全性和废料处理的讨论流于表面，应增加案例对比。整体来看，抽象概念转化是关键，后续可设计“核能应用辩论赛”深化认知，同时加强计算题的分层训练。板书设计①核力的存在与特点

-定义：维系原子核稳定的强相互作用力

-特点：短程力（作用范围10⁻¹⁵m）、强相互作用、与电荷无关（质子-质子、质子-中子、中子-中子间核力大小相同）

-实验依据：α粒子散射实验（原子核稳定性与库仑斥力的矛盾）

②质能方程与核能

-质能方程：E=mc²（能量与质量等价，c=3×10⁸m/s）

-质量亏损：核反应前后质量差Δm=m前