5.2 放射性元素的衰变 课时教案（表格式）2025--2026年教科版高中物理选择性必修第三册

5.2《放射性元素的衰变》课时教案
学科 物理 年级册别 高二下册 共1课时
教材 教科版选择性必修第三册 授课类型 新授课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于教科版高中物理选择性必修第三册第五章第二节，是原子核物理的重要组成部分。教材从天然放射现象引入，系统介绍了三种射线的本质特征及其在电场和磁场中的偏转规律，并通过实验现象归纳出α、β、γ射线的性质差异。在此基础上，引出放射性元素自发衰变的概念，建立衰变方程的基本书写规范，强调质量数与电荷数守恒的核心原则。同时，教材借助铀系、钍系等典型衰变链，展现复杂衰变过程的连续性与规律性，为后续学习半衰期及核能利用奠定基础。
学情分析
学生已具备原子结构、同位素概念以及库仑定律、洛伦兹力等相关知识，对微观粒子有一定抽象认知能力。但原子核层次的变化远离日常经验，学生易将宏观运动规律直接迁移到微观领域，产生误解。此外，核反应方程的书写涉及质量数与电荷数双重守恒，初学者常忽略细节导致错误。高二学生正处于逻辑思维发展的关键期，具备一定探究能力和合作意识，可通过情境创设激发兴趣，借助模型建构化解难点。需注意引导其从“现象—本质—规律”的路径理解衰变机制，避免机械记忆。
课时教学目标
物理观念
1. 能准确描述α、β、γ三种射线的本质属性（粒子组成、电性、穿透能力、电离能力）及其在电磁场中的运动轨迹差异。
2. 理解放射性元素自发衰变的实质，掌握α衰变与β衰变过程中质量数与电荷数守恒的应用，能正确书写典型衰变方程。
科学思维
1. 通过分析云室照片、电磁偏转实验等证据，运用归纳与演绎方法推理射线性质，发展基于实验证据的科学推理能力。
2. 借助类比迁移（如化学反应配平）、模型构建（核反应图示），提升处理抽象核过程的建模与逻辑思辨能力。
科学探究
1. 能设计简易方案比较不同射线的穿透能力（如用纸张、铝片、铅板遮挡模拟实验），体验控制变量法在探究中的应用。
2. 在小组协作中完成衰变链推演任务，尝试绘制简单衰变路径图，培养数据整理与信息整合能力。
科学态度与责任
1. 认识到居里夫妇、卢瑟福等科学家在探索放射性过程中的严谨态度与献身精神，形成尊重事实、勇于质疑的科学品质。
2. 初步了解放射性在医学、考古、能源等领域的应用价值与潜在风险，树立辩证看待科技发展的责任感。
教学重点、难点
重点
1. α、β、γ射线的本质区别及其物理特性对比。
2. 放射性衰变过程中质量数与电荷数守恒规律的应用，能正确书写α与β衰变方程。
难点
1. 理解β衰变中“中子转化为质子并释放电子”的微观机制，突破“原子核内存在电子”的常见误区。
2. 准确判断衰变产物元素种类，特别是在多步衰变链中追踪核电荷数变化。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作学习、讲授法、实验模拟法
教具准备
多媒体课件、电磁场中射线偏转动画、云室轨迹视频、衰变方程书写模板卡
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入：穿越百年的微光
【5分钟】 一、重现历史之光，点燃探究热情。 （一）、播放黑白纪录片片段：
画面呈现：1896年巴黎实验室，居里夫人在昏暗房间中凝视着装有沥青铀矿粉末的小玻璃瓶，微弱蓝光在黑暗中闪烁。旁白响起：“这不是荧光，不是磷光，而是一种前所未有的‘神秘射线’。”
提问引导：同学们，你们知道这束穿越百年的微光揭开了怎样的科学序幕吗？它来自哪里？又蕴含着怎样的能量？让我们一起回到那个改变人类认知的时代。
（二）、展示三幅经典实验图像：
第一幅：贝克勒尔底片被岩石感光的照片——揭示天然放射性的偶然发现；
第二幅：卢瑟福在磁场中观测射线分叉的示意图——显示三种不同偏转方向的轨迹；
第三幅：威尔逊云室中清晰可见的α粒子径迹照片——如同夜空中划过的流星。
讲述过渡：这些静止的画面背后，是一场关于物质最深层秘密的探索之旅。正如爱因斯坦所说：“想象力比知识更重要。”正是科学家们对未知的大胆想象与精密验证，才让原子核的世界逐渐显现。
（三）、提出驱动性问题：
如果我们能“看见”这些看不见的射线，它们会是什么样子？它们从何而来？又将去往何处？今天，我们就化身“核侦探”，揭开放射性元素衰变的神秘面纱。 1. 观看影像资料，感受科学发现的历史氛围。
2. 结合已有知识猜测射线来源。
3. 思考教师提出的驱动性问题。
4. 进入探究情境，激发学习兴趣。
评价任务 历史感知：☆☆☆
问题意识：☆☆☆
兴趣激发：☆☆☆
设计意图 以真实科学史实构建沉浸式学习情境，利用视觉冲击力强的经典图像唤醒学生的好奇心。通过设置层层递进的问题链，引导学生从“现象感知”走向“本质追问”，实现情感共鸣与认知启动的双重目标。引用爱因斯坦名言强化科学想象力的重要性，为后续探究埋下伏笔。
新知建构：解码三种射线
【12分钟】 一、探秘射线家族，分类识别特征。 （一）、动态演示电磁场中的射线行为：
教师操作多媒体动画：在一个真空区域内，从放射源S发出的射线进入匀强电场（竖直向下）和匀强磁场（垂直纸面向里）叠加的空间。三条轨迹分别向左下方、右上方和直线前进。
逐步解析：
第一条轨迹向左下方偏转——说明带正电，且偏转程度大——推断其质量较大、速度较慢——对应α射线（氦核，He ）；
第二条轨迹向右上方偏转——说明带负电——对应β射线（高速电子流，e ）；
第三条轨迹无偏转——说明不带电——对应γ射线（高频电磁波）。
板书同步标注：α：+2e，m≈4u；β：-e，m≈1/1836u；γ：0，0。
（二）、组织“射线特性擂台赛”小组活动：
发放学习任务单，要求各小组根据教材P78表格及补充资料，填写三种射线在以下维度的表现：
1. 组成粒子 / 本质
2. 电荷量
3. 静止质量
4. 速度范围
5. 穿透能力（举例：能否穿过纸张、铝箔、铅板）
6. 电离能力（强/中/弱）
7. 危害方式（外照射/内照射）
教师巡视指导，提醒学生注意区分“穿透能力强≠电离能力强”的反常识点。
（三）、开展“我是小医生”角色扮演：
情境设定：某医院放射科需要为不同病症选择合适的射线治疗方案。
案例1：皮肤浅表肿瘤 → 应选用哪种射线？为什么？（答：α射线，因其电离能力强但穿透弱，适合局部杀伤癌细胞而不伤及深层组织）
案例2：体内深部肿瘤 → 如何防护医护人员？（答：使用γ射线配合远程操控，墙体加厚混凝土或铅板屏蔽）
引导总结：每种射线都有其“性格特点”，只有深入了解才能合理利用。 1. 观察动画，记录三种射线偏转方向与受力关系。
2. 小组合作填写射线特性对比表。
3. 分析实际案例，讨论射线应用场景。
4. 派代表汇报交流结果。
评价任务 分类准确：☆☆☆
对比完整：☆☆☆
应用合理：☆☆☆
设计意图 通过高仿真实验动画突破空间想象障碍，使抽象的电磁偏转可视化。采用“擂台赛”形式增强竞争性与参与感，促使学生主动查阅教材、提取信息。结合医疗情境进行角色代入，实现知识向现实问题的迁移，深化对射线特性的理解，体现“从物理走向社会”的课程理念。
核心突破：书写衰变方程
【15分钟】 一、追溯原子核的蜕变之路。 （一）、引入α衰变实例：
展示铀-238衰变为钍-234的过程：
原始文本输出：
逐项分析：
左边母核：质量数238，电荷数92；
右边子核+粒子：234+4=238，90+2=92 → 守恒成立！
讲解要点：α粒子即氦核，故写作 ；新元素原子序数减少2，查元素周期表可知为钍（Th）。
即时练习：请写出镭-226发生α衰变的方程。
预设反馈： ，生成氡气（Rn），曾用于早期癌症治疗。
（二）、深入β衰变机制：
呈现碳-14衰变为氮-14的方程：
关键设问：原子核内原本没有电子，为何会放出电子？是否违反守恒律？
科学解释：并非核内原有电子逸出，而是核内一个中子自发转变为质子的同时释放出一个电子和一个反中微子
因此，核电荷数+1，质量数不变，新元素为氮（Z=7）。强调该过程遵循能量、动量、电荷多重守恒。
对比辨析：虽然反中微子未写入常规衰变方程，但它是解决早期β能谱连续性难题的关键——泡利为此提出“上帝不掷骰子”的著名争论。
（三）、组织“衰变方程接龙”挑战：
任务卡1：钋-210（Po, Z=84）经一次α衰变后生成什么元素？
任务卡2：锶-90（Sr, Z=38）经一次β衰变后的产物是什么？
任务卡3：已知铅-206是铀系衰变的最终稳定产物，请逆推其前一步是哪种元素经何种衰变而来？
要求：每组任选两题，在白板上规范书写方程，注明守恒验证过程。教师现场点评纠错，突出“先定粒子→再算剩余→查表定元”三步法。 1. 观察示范方程，理解守恒原理。
2. 尝试独立书写α衰变方程。
3. 参与讨论β衰变微观机制。
4. 小组合作完成方程接龙任务。
评价任务 方程规范：☆☆☆
守恒验证：☆☆☆
机制理解：☆☆☆
设计意图 采用“示范—模仿—变式—挑战”的阶梯式教学策略，确保不同层次学生都能参与。重点破解β衰变的认知冲突，通过引入中子转化模型打破“核内含电子”的迷思概念。引用泡利与爱因斯坦的学术争论增添科学人文色彩。接龙任务强化实战演练，培养学生严谨的符号表达习惯和逻辑推理能力。
拓展延伸：走进衰变链条
【8分钟】 一、追踪漫长的蜕变旅程。 （一）、展示天然衰变系列图谱：
投影教材P81图5-13“铀-238衰变链”简化版，起点为 ，终点为 ，中间经历8次α衰变和6次β衰变。
引导观察：让学生数一数总质量数减少了多少？（238-206=32，相当于8个α粒子）；总电荷数变化？（92→82，净减10）
启发思考：为何β衰变次数多于α衰变？（因每次α衰变使Z减2，需β衰变调节Z回升以逼近稳定区）
（二）、布置微型项目任务：
假设你是一名“核考古学家”，现有一块古老岩石样本，测得其中铀-238与铅-206的比例为1:3。已知铀-238半衰期约为45亿年，请推测这块岩石的大致年龄。（提示：每衰变一个U就产生一个Pb）
提供计算支架：
设初始铀原子数为N ，当前铀原子数为NU = N /4，则已衰变的铀原子数为(3/4)N ，即生成了(3/4)N 个铅原子。
根据衰变比例可估算经历了约两个半衰期，故年龄约为90亿年——接近地球年龄上限。
强调：这是地质年代测定的基本原理之一，体现了放射性在科学研究中的巨大价值。
（三）、播放短片《居里夫人的笔记本仍在辐射》：
讲述她遗留的手稿至今仍需存放在铅盒中供人研究，说明某些放射性物质的寿命极其漫长。“她照亮了一个时代，也留下了一份永恒的责任。” 1. 观察衰变链图，统计α与β衰变次数。
2. 尝试估算岩石年龄，理解测年原理。
3. 观看短片，体会科学遗产的双面性。
4. 思考科技应用的社会责任。
评价任务 链条识别：☆☆☆
推理合理：☆☆☆
责任认同：☆☆☆
设计意图 通过复杂衰变链的展示，帮助学生建立系统观与动态演化观。设置贴近真实的“核考古”任务，引导学生将所学知识应用于跨学科情境，体会守恒思想的普适性。结尾短片既致敬科学先驱，又警示潜在风险，实现知识、能力与价值观的有机融合。
课堂总结：点亮心中的星辰
【5分钟】 一、升华认知，致敬科学精神。 （一）、结构化回顾知识脉络：
今天我们沿着三位伟大科学家的足迹前行：贝克勒尔发现了那束意外的光，卢瑟福破解了它的成分，而居里夫妇则从中提炼出新的元素。我们学会了识别α、β、γ射线的“身份证”，掌握了衰变方程的“密码本”，更见证了原子核世界那无声却壮丽的蜕变史诗。
（二）、开放式提问引发深思：
如果有一天，人类能够完全掌控核衰变的节奏，我们将迎来能源的无限可能，还是潘多拉魔盒的开启？作为未来的建设者，你准备如何面对这份来自原子深处的力量？
（三）、激励性结语：
居里夫人说：“生活中没有什么可怕的东西，只有需要理解的东西。”当我们用理性之光照亮未知的幽暗，恐惧就会退散。愿你们永远保持这份好奇与勇气，像那些伟大的探索者一样，在科学的星空中寻找属于自己的坐标。记住，每一次对真理的追寻，都是对人类文明的一次微小却坚定的推动。 1. 跟随教师梳理知识框架。
2. 思考开放性问题，形成个人观点。
3. 感受科学精神的感召力量。
4. 树立探索未知的志向。
评价任务 脉络清晰：☆☆☆
思考深入：☆☆☆
情感共鸣：☆☆☆
设计意图 采用“结构化+开放式+激励性”三重总结模式，兼顾知识巩固与思维延展。通过回顾科学史增强历史纵深感，提出伦理层面的开放问题促进批判性思维发展。引用居里夫人名言收尾，传递理性战胜恐惧的信念，实现科学精神与人文情怀的共振，达成情感态度价值观的升华。
作业设计
一、基础巩固：填空与判断
1. 放射性元素自发地放出射线的现象叫做__________。三种射线中，电离能力最强的是______射线，穿透能力最强的是______射线。
2. β衰变的本质是原子核内的一个______转变为______，同时释放出一个电子。
3. 判断下列说法是否正确：
（1）γ射线是高速运动的电子流。（ ）
（2）α衰变后新元素在周期表中的位置向前移动两位。（ ）
（3）放射性元素的衰变速率与其所处的物理状态无关。（ ）
二、能力提升：方程书写与计算
1. 写出下列核反应方程：
（1）钚-239（ ）发生α衰变：
_______________________________
（2）碘-131（ ）发生β衰变：
_______________________________
2. 已知氡-222（ ）经α衰变生成钋-218（ ），若现有1g纯氡气，经过一个半衰期（3.8天）后，剩余氡气的质量为____g，生成的钋质量约为____g（保留两位小数）。
三、拓展探究：撰写微型报告
查阅资料，简述放射性碳测年法（Carbon-14 Dating）的基本原理，并举例说明其在考古学或地质学中的一个具体应用案例（不少于150字）。
【答案解析】
一、基础巩固
1. 天然放射现象；α；γ
2. 中子；质子
3. （1）×（γ射线是电磁波）（2）√（Z减2）（3）√（衰变由核内部决定）
二、能力提升
1. （1）
（2）
2. 0.50g；0.48g（提示：衰变掉0.5g Rn，生成Po质量 = 0.5 × 218/222 ≈ 0.491g ≈ 0.48g）
三、拓展探究
参考要点：宇宙射线与大气氮作用生成 C，生物体通过呼吸维持 C含量平衡；死亡后停止摄入， C按5730年半衰期衰减；测量残余 C比例即可推算年代。应用案例如测定尼安德特人化石、三星堆文物等。
板书设计
放射性元素的衰变
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一、三种射线：
α：He | +2e | 强电离 | 弱穿透 | 纸挡
β：e | -e | 中电离 | 中穿透 | 铝挡
γ：γ | 0 | 弱电离 | 强穿透 | 铅挡
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二、衰变方程：
守恒律：A总不变，Z总不变
α衰变： U → Th + He
β衰变： C → N + e
n → p + e + ν
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三、衰变链：
U → …… → Pb（8α+6β）
应用：测年、医疗、能源
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科学精神：好奇 · 求真 · 责任
教学反思
成功之处
1. 以科学史为主线贯穿全课，有效激发学生兴趣，实现了知识传授与人文熏陶的统一。
2. 通过动画演示与小组竞赛相结合的方式，显著提升了学生对抽象概念的理解深度。
3. 设置“核考古”微型项目，促进了知识迁移与跨学科思维的发展。
不足之处
1. 对β衰变中反中微子的解释略显简略，部分学生仍存在理解困惑。
2. 方程接龙活动时间稍紧，个别小组未能充分展示解题过程。
3. 缺少实物实验演示，仅依赖模拟可能影响部分学生的直观感受。