C 结合能和质能方程说课稿2025学年高中物理华东师大版上海拓展型课程I第二册试用本-华东师大版上海2010

C结合能和质能方程说课稿2025学年高中物理华东师大版上海拓展型课程I第二册试用本-华东师大版上海2010学科Xx年级册别Xx年级上册共1课时教材部编版授课类型新授课第1课时设计思路一、设计思路以核能利用情境导入，联系学生已学的质量亏损知识，通过推导质能方程建立质量与能量的联系，结合结合能概念解释原子核稳定性，通过核反应计算例题深化理解，注重从定性到定量、从理论到应用的过渡，符合拓展型课程对科学思维和实际应用的要求，体现物理与科技生活的关联。核心素养目标二、核心素养目标形成质能关系的物理观念，理解结合能与质能方程的联系；通过质能方程推导培养科学思维，提升逻辑分析能力；应用质能方程解决核反应计算问题，发展科学探究能力；结合核能实例体会科技价值，增强科学态度与社会责任感。学习者分析三、学习者分析学生已掌握原子结构、质量亏损、核反应方程等基础知识，对核能应用有初步兴趣，具备一定的数学推导和逻辑分析能力，偏好通过实例和问题探究学习。部分学生可能对质能方程中“质量转化为能量”的微观机制理解困难，结合能与原子核稳定性的关系易混淆；定量计算时，核反应中的能量变化与质量亏损的对应关系易出错，需强化模型建立和公式应用训练。教学资源四、教学资源硬件：多媒体设备、核反应模型、质量亏损演示装置；软件：物理公式推导工具、核反应模拟实验软件；课程平台：校本物理课程管理系统；信息化资源：质能方程推导动画、核能应用实例微课、结合能数据图表；教学手段：问题链教学、小组合作探究、例题分层训练。教学过程五、教学过程

**环节一：情境导入，回顾旧知（5分钟）**

我：同学们，上节课我们学习了质量亏损和核反应方程，知道在核反应中会有质量亏损。比如，一个中子和一个质子结合成氘核时，质量会减少0.00239u。那么，减少的质量去哪了？这部分亏损的质量与核反应释放的能量有什么关系呢？今天我们就来探究这个问题——结合能和质能方程。

你（学生思考）：质量亏损可能转化成了能量？就像化学反应中质量守恒但能量变化一样？

我：你的思路很对！核反应中亏损的质量确实转化为了能量，这就是核能的来源。要深入理解这一点，我们需要学习两个核心概念：结合能和质能方程。

**环节二：新课讲授——结合能的概念与计算（15分钟）**

我：首先，我们来看结合能。什么是结合能呢？假设要把一个稳定的原子核拆成单个的核子（比如质子和中子），需要给它提供能量，这个能量就叫做原子核的结合能。反过来，当单个核子结合成原子核时，会释放出等量的能量。

我：以氦核（⁴₂He）为例，它由2个质子和2个中子组成。已知质子的质量是1.007825u，中子是1.008665u，氦核的质量是4.002603u。我们先计算一下2个质子和2个中子的总质量，再减去氦核的质量，看看质量亏损是多少？

你（计算）：总质量=2×1.007825u+2×1.008665u=4.032980u，氦核质量4.002603u，质量亏损Δm=4.032980u-4.002603u=0.030377u。

我：很好！那么，这个质量亏损对应的能量就是氦核的结合能。根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，1u的质量亏损对应931.5MeV的能量。你能算出氦核的结合能吗？

你（计算）：ΔE=Δm×931.5MeV/u=0.030377u×931.5MeV/u≈28.3MeV。

我：完全正确！氦核的结合能是28.3MeV，意味着要把氦核拆成2个质子和2个中子，需要提供28.3MeV的能量；反之，当2个质子和2个中子结合成氦核时，会释放28.3MeV的能量。

我：接下来，我们引入平均结合能，它等于原子核的结合能除以核子数。氦核有4个核子，所以平均结合能是28.3MeV/4≈7.1MeV。平均结合能反映了原子核的稳定性：平均结合能越大，原子核越稳定，核子结合得越紧密。比如，铁的平均结合能最大，约为8.8MeV，所以铁核是最稳定的原子核之一。

**环节三：质能方程的推导与理解（20分钟）**

我：刚才我们用ΔE=Δmc²计算了结合能，这个公式其实是质能方程E=mc²的应用。那么，质能方程E=mc²是怎么来的？它又有什么物理意义呢？

我：爱因斯坦在1905年提出，物体的能量和质量是相互关联的，物体的总能量E等于其质量m乘以光速c的平方（c≈3×10⁸m/s）。这个公式告诉我们，质量是能量的量度，任何物体都具有能量，即使静止的物体也有静止能量E₀=mc²。

我：为什么核反应中质量亏损会释放能量呢？因为在核反应中，反应前的总质量大于反应后的总质量，质量亏损Δm对应的能量ΔE=Δmc²就被释放出来。比如，在重核裂变中，铀核裂变成两个中等质量的原子核，总质量减少，释放的能量就是ΔE=Δmc²。

我：举个例子，铀核裂变反应：²³⁵₉₂U+¹₀n→¹⁴¹₅₆Ba+⁹²₃₆Kr+3¹₀n。已知铀核质量235.0439u，中子质量1.008665u，钡核质量140.9144u，氪核质量91.9262u。我们先计算反应前后的总质量，看看质量亏损是多少？

你（计算）：反应前总质量=235.0439u+1.008665u=236.052565u；反应后总质量=140.9144u+91.9262u+3×1.008665u=140.9144u+91.9262u+3.025995u=235.866595u；质量亏损Δm=236.052565u-235.866595u=0.18597u。

我：然后计算释放的能量：ΔE=Δm×931.5MeV/u=0.18597u×931.5MeV/u≈173.2MeV。这就是铀核裂变释放的能量，主要转化为裂变产物的动能和辐射能。

**环节四：结合能与原子核稳定性的关系（15分钟）**

我：现在我们回到结合能。为什么平均结合能能反映原子核的稳定性呢？如果原子核的平均结合能小，意味着核子结合得松散，容易被拆开；如果平均结合能大，核子结合得紧密，需要更多能量才能拆开，所以更稳定。

我：我们来看平均结合能曲线（课本图）。从图中可以看出，轻核（如氢、氦）的平均结合能较小，中等质量的核（如铁、镍）的平均结合能最大，重核（如铀）的平均结合能又减小。这说明，轻核可以通过聚变结合成中等核，释放能量；重核可以通过裂变分裂成中等核，释放能量。这就是核能利用的原理。

我：比如，氢核聚变反应：²₁H+³₁H→⁴₂He+¹₀n。氘核（²₁H）的平均结合能是1.1MeV，氚核（³₁H）的平均结合能是2.8MeV，氦核的平均结合能是7.1MeV。聚变后，平均结合能增大，所以会释放能量。计算一下质量亏损和释放的能量，你会得到多少？

你（计算）：氘核质量2.014102u，氚核质量3.016050u，总质量5.030152u；氦核质量4.002603u，中子质量1.008665u，总质量5.011268u；质量亏损Δm=5.030152u-5.011268u=0.018884u；ΔE=0.018884u×931.5MeV/u≈17.6MeV。

我：没错！氢核聚变释放的能量比铀核裂变更大，这就是太阳发光发热的原理，也是氢弹的原理。

**环节五：例题讲解与巩固练习（25分钟）**

我：下面我们通过例题来巩固今天所学的内容。例1：已知碳核（¹²₆C）的质量是12.000000u，质子质量1.007825u，中子质量1.008665u，求碳核的结合能和平均结合能。

你（解题）：碳核有6个质子和6个中子，总质量=6×1.007825u+6×1.008665u=12.098940u；质量亏损Δm=12.098940u-12.000000u=0.098940u；结合能ΔE=0.098940u×931.5MeV/u≈92.1MeV；平均结合能=92.1MeV/12≈7.68MeV。

我：很好！例2：一个α粒子（⁴₂He）与一个氮核（¹⁴₇N）反应，生成一个氧核（¹⁷₈O）和一个质子，写出核反应方程，并计算释放的能量。已知α粒子质量4.002603u，氮核质量14.003074u，氧核质量16.999132u，质子质量1.007825u。

你（写方程）：⁴₂He+¹⁴₇N→¹⁷₈O+¹₁H。

你（计算）：反应前总质量=4.002603u+14.003074u=18.005677u；反应后总质量=16.999132u+1.007825u=18.006957u；质量亏损Δm=18.005677u-18.006957u=-0.00128u？不对，应该是反应后质量大于反应前，这说明反应需要吸收能量，而不是释放能量。

我：你计算得很仔细！这里确实反应后质量大于反应前，质量亏损为负，说明这个反应需要吸收能量，而不是释放能量。这说明并不是所有的核反应都会释放能量，只有当反应后的平均结合能大于反应前时，才会释放能量。

**环节六：课堂小结与作业布置（5分钟）**

我：今天我们学习了结合能和质能方程。结合能是原子核拆成核子需要的能量，平均结合能反映原子核的稳定性；质能方程E=mc²揭示了质量与能量的关系，核反应中的质量亏损对应释放的能量。核能的利用（裂变、聚变）就是基于这两个原理。

我：作业：1.完成课本P45页“练习与评价”第1、2题；2.查阅资料，了解核电站中铀核裂变的具体过程，以及如何控制裂变反应的速度；3.计算氘核和氚核聚变释放的能量，与铀核裂变释放的能量进行比较。

你（学生）：老师，我还有一个问题：为什么质能方程中的c²这么大，导致很小的质量亏损就能释放很大的能量？

我：这个问题很好！因为光速c非常大，c²≈9×10¹⁶m²/s²，所以即使很小的质量亏损，乘以c²后也会得到巨大的能量。比如，1kg的质量完全亏损，释放的能量E=1kg×(3×10⁸m/s)²=9×10¹⁶J，相当于2.5×10¹⁰度电，这就是核能威力巨大的原因。

你（学生）：原来是这样！我明白了，谢谢老师！

我：很好！下节课我们将学习核能的和平利用，同学们可以提前预习。下课！学生学习效果六、学生学习效果通过本节课的学习，学生在知识掌握、能力提升和思维发展等方面取得了显著效果，具体表现如下：在知识层面，学生准确理解了结合能的物理意义，能结合课本中氦核、碳核等实例，独立计算原子核的结合能和平均结合能，掌握“结合能=质量亏损×931.5MeV/u”的计算方法。例如，在课堂练习中，85%的学生能正确计算出铁核（⁵⁶₂₆Fe）的结合能约为492MeV，平均结合能约8.8MeV，并能通过平均结合能曲线解释“铁核最稳定”的原因。同时，学生深刻理解了质能方程E=mc²的本质，明确“质量亏损对应能量释放”的核反应机制，能区分化学反应与核反应中质量与能量关系的差异，纠正了“质量转化为能量”的片面认知，建立起“质量是能量量度”的物理观念。在能力层面，学生的定量计算能力和逻辑分析能力得到提升。通过铀核裂变、氢核聚变等实例分析，学生能熟练列出核反应方程，计算反应前后的质量亏损，并推导释放的能量。例如，在“氘氚聚变释放能量”的例题中，90%的学生能正确写出反应方程²₁H+³₁H→⁴₂He+¹₀n，计算出质量亏损0.01888u，得出释放能量约17.6MeV，并能与铀核裂变（约173MeV/次）进行定量比较，理解聚变能量密度更高的特点。此外，学生能运用“平均结合能增大→释放能量”的模型，判断核反应是吸能还是放能，如分析α粒子与氮核反应时，能通过计算反应后质量增加（Δm=-0.00128u）判断反应需吸收能量，体现了对物理规律的灵活应用。在思维发展层面，学生形成了“宏观现象与微观机制联系”的科学思维。通过结合能与原子核稳定性的探究，学生能从核子间相互作用的角度解释平均结合能曲线的形状，理解轻核聚变、重核裂变释放能量的本质——向更稳定的平均结合能区域转化。例如，学生能结合课本中“太阳内部的氢核聚变”实例，解释“为什么聚变能持续释放能量”，并类比到人工可控核聚变的研究，体现了从理论到应用的思维迁移。同时，学生对“质量守恒与能量守恒”的辩证关系有了更深刻的认识，能举例说明核反应中“质量数守恒但质量不守恒”，能量以辐射能、动能等形式释放，守恒的是总能量，深化了对守恒定律的理解。在情感态度与价值观层面，学生通过核能实例分析，增强了科技意识和社会责任感。课堂上，学生讨论核电站中“慢化剂控制裂变反应速度”“核废料处理”等问题时，能结合课本中“核能的和平利用”内容，认识到核能作为清洁能源的优势与潜在风险，形成“合理利用科技、服务社会发展”的价值取向。课后，85%的学生主动查阅了“可控核聚变实验装置（如托卡马克）”的资料，并在小组分享中提出“提高聚变反应效率”的思考，体现了对前沿科技的关注。此外，学生在解决“1kg铀完全裂变释放能量”的计算问题时，通过数据对比（相当于2.5×10¹⁰度电），直观感受到核能的巨大威力，进一步激发了探索微观世界的兴趣。总体而言，本节课的学习使学生不仅扎实掌握了结合能与质能方程的核心知识，更提升了科学探究能力和物理思维能力，实现了从“知识记忆”到“观念建构”的跨越，为后续学习核能技术应用奠定了坚实基础。课后拓展1.拓展内容：

-阅读《核能的和平利用》章节，了解核电站中铀核裂变的链式反应控制原理及慢化剂、控制棒的作用。

-观看视频《可控核聚变实验进展》，结合课本中氢核聚变反应方程（²₁H+³₁H→⁴₂He+¹₀n），分析聚变能释放的能量密度优势。

-查阅资料《结合能与元素合成》，对比恒星内部轻核聚变与超新星爆发中重核合成的结合能变化规律。

2.拓展要求：

-完成课本P46页“拓展与实践”活动：计算1kg氘氚燃料完全聚变释放的能量，并与1kg铀-235裂变释放的能量对比，撰写分析报告。

-小组合作设计“核能利用安全方案”，结合课本中核废料处理内容，提出放射性物质隔离与能量回收的具体措施。

-教师提供《原子核稳定性与平均结合能曲线》图解，自主绘制不同原子核的平均结合能变化趋势，并解释铁核（⁵₆₂₆Fe）稳定性最高的原因。内容逻辑关系①结合能与原子