教学设计
课题 5.4核裂变与核聚变
课型 新授课√ 章/单元复习课□ 专题复习课□ 实验探究课□ 习题/试卷讲评课□ 课题研究课□ 学科实践活动课□ 其他□
教学内容分析
本节课为第五章原子核的第4节课，按照大单元下次单元的划分属于第二小单元第二部分，属于核能的开发和利用方面的知识。 本节教学内容比较详细，主要由核裂变、核聚变以及核能的利用三部分组成。对于核裂变的产生及其和平利用，本节教学内容的线索是沿着“核裂变的发现→链式反应→反应堆与核电站”这条主线展开的。其中，书中还特别提到了我国科学家钱三强和他的夫人何泽慧对铀核裂变的实验研究，其成果得到了广泛的认可和赞赏。 而对于核聚变这一获得核能的另一重要途径，本节课介绍了核聚变的原理、特点以及目前的研究进展。人类对核聚变的研究已取得了一定的成果，但目前核聚变所获得的核能还只能用于核武器中，和平利用核聚变所产生的核能还在研究之中，虽然取得一些进展，但技术还不够成熟。为了解决可控核聚变的困难，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。教科书精选了反映我国在磁约束核聚变领域的成就——中国科学院的环流器装置EAST，以及惯性约束核聚变领域的成就——中国工程物理研究院等单位的“神光Ⅲ”装置，作为教育素材。让学生在学习知识点同时，增强文化自信，树立自身的使命感，时刻准备着为实现中华民族伟大复兴做出贡献。
学情分析
学生在初中阶段已经初步了解核裂变与核聚变，只是并未深入学习。本单元第二节放射性元素衰变一节，学生已经了解到核反应不仅可以自发进行，还可以通过人工转变方式发生这为学生思考人工控制下的核能利用奠定了基础；本单元第三节核力与结合能一节，学生通过学习结合能的概念，了解到原子核在“分裂或聚合”时，会释放出惊人的能量。 本节内容可在教师引导下学生自主进行自学，通过引导学生在阅读教科书的基础上，以问题为中心，分组交流，锻炼学生的总结与表达能力。同时，可以通过介绍我国主要的核电站、钱三强夫妇对铀核裂变的研究成果、“两弹元勋”核武器专家邓稼先的杰出贡献及其为我国国防建设事业献身的精神、我国在磁约束核聚变领域的成就——中国科学院的环流器装置EAST，以及惯性约束核聚变领域的成就——中国工程物理研究院等单位的“神光Ⅲ”装置。以此为契机，对学生进行爱国主义教育。
学习目标
通过阅读教材，合作学习交流，了解核裂变反应及链式反应的条件；了解核聚变反应及条件，通过查阅资料总结，知道核聚变是不可控的。 1.物理观念：通过自主阅读，知道反应堆的工作原理及其类型；通过视频简介，知道核电站的工作流程。 2.科学探究与思维：整理资料，合作分享，关注受控核聚变反应研究的进展。知道磁约束和惯性约束 3.科学态度与思维：通过本节课的学习，了解两类核能应用的利弊，关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。了解我国目前对两类核能研究的进展和应用情况，体会科学技术是国家进步的第一生产力。知道我国主要的核电站、钱三强夫妇对铀核裂变的研究成果、“两弹元勋”核武器专家邓稼先的杰出贡献及其为我国国防建设事业献身的精神。
学习重点难点
教学重点： 核裂变的原理，核聚变的原理 教学难点： 核裂变和核聚变的应用
教学辅助支持
希沃白板，视频云平台
教学活动设计
过程学习内容与教师活动学生任务/活动设计设计意图及对应目标达成环 节 一 1.视频展示：我国第一颗原子弹爆炸试验成功资料。 2.教师介绍从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，我国仅用了两年零八个月。苏联用了四年，美国用了七年。我国作为核大国，在和平利用和开发核能的道路上，正在积极探索。 3.引入主题：本节课我们就来学习核裂变与核聚变的知识1.观看视频 2.熟知我国作为核大国，在和平开发核能的道路上，正在积极探索。 3.做好上课准备学生可以在观看原子弹和氢弹爆炸的视频中感受到核能的巨大威力，同时学生可以了解我国目前对两类核能研究的进展和应用情况，体会科学技术是国家进步的第一生产力。在激发学生学习兴趣的同时，增强了学生的中华民族自信和爱国情感！小结： 起引导作用 环 节 二引导学生阅读教材，介绍物理学家在探究粒子世界时发现的现象，并对此做进一步的解释，由此引出核裂变。 微思考1：什么是核裂变？核裂变的反应方程是什么？核裂变有什么特点 教师评价小组初步讨论成果。 展示：学生活动 带着问题，阅读教材总 小组讨论，得出结论 成果交流 学生任务 阅读教材，完成微思考 ，总结记录，完成学习任务单 引导学生自主阅读，并进行小组讨论，归纳总结展示。 教师根据小组结论进行评价（如：很完善，可以再规范一些吗？很详细，可以加入一些自己的思考吗？说出了一部分，可以再充分些吗？等等）提炼讨论结果，引导学生完善学习内容提出问题： 微思考2：核裂变反应方程中两边的中子能约去吗？这种反应过程我们叫做什么 书写板书学生任务 再阅读教材，完成微思考2问题 学生活动 独立思考，得出答案 反思评价，总结结果加强学生对链式反应的理解，明白核反应方程是核反应的抽象体现，不能主观臆想播放视频：模拟链式反应。 展示讲解： 学生任务 观看视频，听教师讲授，完成学习任务单了解我国科学家对于核裂变的研究发现，特别强调我国科学家在这个过程中的贡献，激发学生的民族自豪感，增强使命感。 微思考3： 按照链式反应原理，铀加中子就会有链式反应吗？ 学生活动后教师引导讲授。 链式反应的维持需要有一定的条件，那就是每一次裂变产生的中子，至少平均有一个能引发新的裂变，否则整个反应就会越来越弱，直到无法进行。 3.链式反应的条件 ①保证铀235的纯度 因为在反应过程中释放出的中子可能有一部分在杂质吸收，这就会导致反应无法维持下去，因此在那减少裂变物质中的杂质。对于天然的铀矿，使用前要先进行提纯。 ②铀块的大小 因为每一个原子所在的空间内，原子核只占很小的体积。所以裂变产生的中子，很可能碰不到其他铀核直接飞出铀块，那就白瞎了。 因此要保证铀块体积足够大，这样这些中子有足够的概率打中其他铀核，从而让链式反应持续下去。（动图展示） 通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积称为临界体积，把相应的质量称为临界质量。 4.核裂变的标准煤 铀核裂变时如果生成物不同，释放的能量也有差异。一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部发生核裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能。学生任务 再阅读教材，完成微思考3问题 学生活动 阅读教材，自主思考 小组探讨，整合结论 集体展示，学生互评 反思评价，总结结果 学生活动 完成学习任务单，梳理教师讲授知识通过引导，使学生了解链式反应需要条件，其中最后1kg铀核释放的能量正好是上一节课的课后拓展题，这使学生们有直观的体会和深刻的认识。拓展学习：原子弹 展示内爆式原子弹 教师引导学生小组合作学习展示 学生活动 阅读教材 小组合作 成果展示 小组互评 这个环节视学生水平和教学时间适当安排。该环节旨在拓展学生知识，锻炼学生自主学习交流合作能力。环 节 三教师介绍：原子核的链式反应也可以在人工控制下进行。这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务。其实，在第一个原子弹制成以前，科学家们已经实现了核能的可控释放。 1942年，美籍意大利物理学家费米就主持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放。 在教师引导下，使学生思维迁移到即将学习的内容。微思考4：核反应堆各组成部分在核反应中起什么作用？在核反应堆中，用什么方法控制核裂变的速度？ 微思考5：核能发电的优点、缺点？ 图片展示： 学生任务 阅读教材，独立思考 2.填写学习任务单 学生活动 阅读教材 小组合作，完成微思考5 小组互评 填写学习任务单 做好引导评价即可，放手给学生思考讨论。小结： 引导学生自主学习，激发对核反应过程的了解兴趣 环 节 四通过上一节课的学习，我们已经了解到，中的质量的原子核更加稳定。两个轻核结合成质量较大的核。 微思考6阅读课本，回答什么叫核聚变？为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？ 两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做核聚变。 ＋ 17.6 MeV 因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大。学生活动 阅读教材，独立思考 根据教师讲解，结合自己思考，填写任务单学生阅读教材，独立完成任务，了解什么是核聚变，以及核聚变的反应方程。核聚变是不是很容易发生呢？核聚变可没那么简单！ 微思考7：核聚变发生的条件是什么？核聚变过程中的能量转 化有什么特点？ 学生活动 1.阅读教材，分析思考 2.归纳总结 3.分组讨论 4.填写学习任务单学生阅读教材，分组讨论问题。微思考8：聚变与裂变相比有哪些优点？学生活动 1.阅读教材，分析思考 2.归纳总结 3.分组讨论 4.填写学习任务单微思考9：聚变与裂变相比有哪些优点？ 点拨：实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。另外，氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。 微思考9：目前还不能控制热核反应的主要问题 点拨：（1）热核反应的点火温度很高； （2）如何约束聚变所需的燃料； （3）反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一。学生活动 1.阅读教材，分析思考 2.归纳总结 3.分组讨论 4.填写学习任务单 学生自主学习，完成任务微思考10：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。这构成了实现可控核聚变的主要 困难。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，分别是什么呢？ 学生活动 阅读教材，独立思考 归纳总结 填写学习任务单 通过上一节课的学习，我们已经了解到，中的质量的原子核更加稳定。两个轻核结合成质量较大的核。 微思考6阅读课本，回答什么叫核聚变？为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？ 两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变。 ＋ 17.6 MeV 因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大。学生活动 阅读教材，独立思考 根据教师讲解，结合自己思考，填写任务单学生阅读教材，独立完成任务，了解什么是核聚变，以及核聚变的反应方程。核聚变是不是很容易发生呢？核聚变可没那么简单！ 微思考7：核聚变发生的条件是什么？核聚变过程中的能量转 化有什么特点？ 学生活动 1.阅读教材，分析思考 2.归纳总结 3.分组讨论 4.填写学习任务单学生阅读教材，分组讨论问题。课堂小结
板书设计
作业与拓展学习设计
基础训练 1．关于重核的裂变，以下说法中正确的是（ ） A．铀235被中子轰击后都会分裂成两块质量差不多的碎块，同时放出几个中子 B．铀235被中子轰击后二者都会发生分裂 C．要使铀块发生链式反应，其体积必须足够大 D．铀235分裂成两个中等质量的核，比结合能减小，放出核能 2．现已建成的核电站发电的能量来自于（ ） A．天然放射性元素衰变放出的能量 B．人工放射性同位素放出的能量 C．重核裂变放出的能量 D．化学反应放出的能量 3．关于核聚变，以下说法正确的是（ ） A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁 B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站 C．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10-10m以内，核力才能起作用 D．核聚变比核裂变更易控制 4．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是（ ） A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多 B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大 C．聚变反应中粒子的比结合能变小 D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量变大 能力提升 5. 在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速。碳核的质量是中子的12倍，假设中子 与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的。 （1）设碰撞前中子的动能是E0，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少？ （2）至少经过多少次碰撞，中子的动能才能小于10-6 E0 ？ 6. 秦山核电站第一期工程装机容量为3×108 W。如果1 g 铀235 完全核裂变时产生的 能量为8.2×1010 J，并且假定所产生的能量都变成了电能，那么每年要消耗多少铀235 ？ 7. 太阳的总输出功率为3.8×1026 W，它来自三种核反应，这些反应的最终结果是氢转变 为氦。按照总输出功率计算，太阳每秒失去多少质量？5.4核裂变与核聚变 学习任务单
学科：物理 年级：高二
【学习目标】
1.了解核裂变反应及链式反应的条件；了解核聚变反应及条件，知道核聚变是不可控的。
2.知道反应堆的工作原理及其类型，知道核电站的工作流程。
3.关注受控核聚变反应研究的进展。了解磁约束和惯性约束
4.了解两类核能应用的利弊，关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。了解我国目前对两类核能研究的进展和应用情况，体会科学技术是国家进步的第一生产力。
知道我国主要的核电站、钱三强夫妇对铀核裂变的研究成果、“两弹元勋”核武器专家邓稼先的杰出贡献及其为我国国防建设事业献身的精神。
【重点难点】
重点：核裂变的原理，核聚变的原理
难点： 核裂变和核聚变的应用
【学习过程】
微思考1：什么是核裂变？核裂变的反应方程是什么？核裂变有什么特点？
微思考2：核裂变反应方程中两边的中子能约去吗？这种反应过程我们叫做什么？
微思考3：按照链式反应原理，铀加中子就会有链式反应吗？
微思考4：核反应堆各组成部分在核反应中起什么作用？在核反应堆中，用什么方法控制核裂变的速度？
微思考5：核能发电的优点、缺点？
微思考6：什么叫核聚变？为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？
微思考7：核聚变发生的条件是什么？核聚变过程中的能量转 化有什么特点？
微思考8：聚变与裂变相比有哪些优点？
微思考9：聚变与裂变相比有哪些优点？
微思考10：目前还不能控制热核反应的主要问题？
微思考11：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。这构成了实现可控核聚变的主要 困难。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，分别是什么呢？
【达标检测】
基础训练
1．关于重核的裂变，以下说法中正确的是（ ）
A．铀235被中子轰击后都会分裂成两块质量差不多的碎块，同时放出几个中子
B．铀235被中子轰击后二者都会发生分裂
C．要使铀块发生链式反应，其体积必须足够大
D．铀235分裂成两个中等质量的核，比结合能减小，放出核能
2．现已建成的核电站发电的能量来自于（ ）
A．天然放射性元素衰变放出的能量
B．人工放射性同位素放出的能量
C．重核裂变放出的能量
D．化学反应放出的能量
3．关于核聚变，以下说法正确的是（ ）
A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁
B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站
C．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到以内，核力才能起作用
D．核聚变比核裂变更易控制
4．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是（ ）
A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大
C．聚变反应中粒子的比结合能变小
D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量变大
能力提升
5. 在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速。碳核的质量是中子的12倍，假设中子
与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的。
（1）设碰撞前中子的动能是E0，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少？
（2）至少经过多少次碰撞，中子的动能才能小于E0 ？
6. 秦山核电站第一期工程装机容量为3× W。如果1 g 铀235 完全核裂变时产生的
能量为8.2×J，并且假定所产生的能量都变成了电能，那么每年要消耗多少铀235 ？
7. 太阳的总输出功率为3.8× W，它来自三种核反应，这些反应的最终结果是氢转变
为氦。按照总输出功率计算，太阳每秒失去多少质量？
