5.4 核裂变 核聚变 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

5.4《核裂变 核聚变》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四节，是原子核物理的重要组成部分。教材通过介绍核裂变与核聚变的基本概念、反应原理及其能量释放机制，引导学生理解质量亏损与质能方程的现实应用。内容承接前面对原子核结构、结合能和比结合能的学习，进一步深化对核能来源的认识，并为后续了解核电站、核武器及可控核聚变技术奠定基础。教材注重科学性与时代性的结合，引入了我国“人造太阳”EAST装置等前沿科技成果，增强学生的民族自豪感。
学情分析
高二学生已具备一定的原子物理基础知识，掌握了质能方程E=mc 的基本含义以及比结合能曲线的特点，具备初步的抽象思维能力。但核反应过程高度微观且远离日常生活经验，学生容易产生认知障碍。部分学生对“链式反应”“临界体积”“热核反应条件”等术语理解困难，需借助模型和类比帮助建构。此外，学生普遍关注核能的安全性与可持续性问题，教学中应合理引导其辩证看待核技术发展，激发探究兴趣与社会责任意识。
课时教学目标
物理观念
1. 理解核裂变与核聚变的本质区别，掌握典型核反应方程的书写方法，能够解释铀-235裂变过程中释放巨大能量的原因。
2. 能结合比结合能曲线分析重核裂变与轻核聚变释放能量的物理机制，建立质量亏损与能量释放之间的定量联系。
科学思维
1. 运用类比推理（如多米诺骨牌）理解链式反应的自持特性，培养模型建构能力。
2. 通过对“为何轻核聚变释放能量更多”的问题进行逻辑推演，提升归纳与演绎能力。
科学探究
1. 分析原子弹与核电站的工作原理差异，设计对比表格，提炼控制链式反应的关键因素。
2. 探讨实现可控核聚变的技术难点，提出可能的解决方案并评估其可行性。
科学态度与责任
1. 认识核能利用的双面性，形成尊重科学、理性对待科技发展的态度。
2. 关注我国在核聚变领域的重大进展，增强科技报国的责任意识与民族自信。
教学重点、难点
重点
1. 核裂变与核聚变的概念、反应特点及能量释放机制
2. 铀-235裂变的链式反应原理及其在核电站中的应用
难点
1. 比结合能曲线解释核反应能量变化的深层逻辑
2. 可控核聚变所需极端条件的理解与现实挑战
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法相结合
教具准备
多媒体课件、核反应动画视频、EAST装置图片、磁性黑板贴模型
教学环节 教师活动 学生活动
创设情境，导入新课
【5分钟】 一、从“蘑菇云”到“人造太阳”：一场能源革命的序幕 （一）、播放两段视频片段：
第一段：1945年广岛原子弹爆炸的历史影像资料，画面中升起巨大的蘑菇云，配以低沉震撼的背景音乐；
第二段：中国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）成功运行的画面，科学家们热烈鼓掌，屏幕上显示上亿度高温等离子体维持数百秒的数据记录。
提问：这两幅画面看似截然不同——一个是毁灭的象征，一个是希望的曙光。但它们背后都隐藏着同一种能量来源，你们知道是什么吗？
预设回答：核能！
追问：这种能量是如何产生的？为什么同样的能量既能带来灾难又能点亮未来？今天我们就一起走进《核裂变与核聚变》，揭开这股宇宙级能量的神秘面纱。
（二）、揭示课题并板书：
在黑板中央书写大标题：“5.4 核裂变 核聚变”，下方画出两个箭头分别指向左右两侧，左侧标注“重核分裂→能量释放”，右侧标注“轻核结合→能量释放”。
过渡语：爱因斯坦曾说：“我并不知道第三次世界大战会用什么武器，但第四次战争人类将用木棒和石头。”这句话的背后，正是核武器带来的深刻警示。然而，人类从未停止追寻和平利用核能的脚步。我们能否驯服这头猛兽，让它为我们所用？答案就在今天的课堂之中。 1. 观看视频，感受视觉冲击。
2. 思考并回答问题，激发好奇心。
3. 联想已有知识，尝试建立联系。
4. 明确学习主题，进入探究状态。
评价任务 观看专注：☆☆☆
思考积极：☆☆☆
表达清晰：☆☆☆
设计意图 通过强烈对比的情境导入，引发认知冲突，激发学生探究欲望。利用真实历史事件与国家科技成就形成张力，既体现核能的双刃剑属性，又点燃民族自豪感，为后续教学埋下情感伏笔。同时自然引出本节课的核心议题：核能如何产生？如何被控制？
自主建构，探究裂变
【12分钟】 一、拆解重核：核裂变的能量密码 （一）、呈现铀-235吸收中子后的裂变过程：
教师展示PPT动画：一个中子缓慢接近铀-235原子核，被吸收后形成不稳定的铀-236，随即发生形变并断裂成两个中等质量的原子核（如钡-144和氪-89），同时释放出2~3个新的中子和大量能量。
同步写出标准反应方程式：
强调：这是一个典型的核裂变反应，必须标明所有粒子的种类、电荷数和质量数，确保守恒定律成立。
提问：这个反应为什么会释放如此巨大的能量？仅仅是因为“分裂”吗？
引导学生回顾比结合能曲线：指出重核的比结合能较小，而中等质量核的比结合能较大，因此当重核分裂为中等核时，系统整体更稳定，多余的能量便以动能形式释放出来。
计算示例：若一次裂变释放约200 MeV能量，则1克铀-235完全裂变相当于燃烧约2.7吨标准煤！
（二）、构建“链式反应”模型：
请五位同学上台扮演“铀核”，每人手持三个小球代表“中子”。第一位同学接到一个“入射中子”后“裂变”，抛出三个小球击中其他三位“铀核”，每位被击中的“铀核”再各自释放三个“中子”……
提问：如果空间无限大且铀块足够大，会发生什么现象？如果铀块太小呢？
引出“临界体积”概念：只有达到一定体积，中子才不会过多逃逸，从而维持持续的链式反应。
拓展说明：原子弹利用的是无控制的链式反应，在极短时间内释放全部能量；而核电站则通过控制棒（如镉棒）吸收多余中子，使反应速率保持稳定。 1. 观察动画，理解裂变过程。
2. 抄写并分析反应方程。
3. 结合图表解释能量来源。
4. 参与模拟，体验链式反应。
评价任务 方程规范：☆☆☆
原理解释：☆☆☆
模型理解：☆☆☆
设计意图 通过动态可视化手段降低微观过程的认知门槛，帮助学生建立直观印象。结合质能方程与比结合能曲线进行定量与定性双重分析，强化物理观念的整合。角色扮演活动使抽象的“链式反应”具象化，促进深度理解。同时区分军事与民用的不同应用场景，培养学生辩证思维。
合作探究，揭秘聚变
【13分钟】 一、融合轻核：太阳的能量之源 （一）、追溯宇宙中最伟大的能源工厂：
提问：地球上的绝大多数能源最终来自哪里？
预设：太阳！
继续追问：太阳是怎么发光发热的？是不是也在“燃烧”？
否定回答：不是化学燃烧，而是发生在核心区域的核聚变反应。在那里，氢核在极高温度和压力下克服库仑斥力，融合成氦核，并释放出巨大能量。
展示太阳内部聚变路径图：质子-质子链反应的第一步：
说明：两个质子融合生成氘核、正电子和中微子，这是太阳能量产生的起点。
强调：聚变反应同样遵循质量守恒与能量守恒，但由于生成物总质量略小于反应物，微小的质量亏损转化为巨大能量。
（二）、聚焦人工聚变：人类的“人造太阳”梦
组织小组讨论（4人一组）：
任务1：比较核裂变与核聚变的原料来源、产物安全性、能量效率等方面的异同，填写对比表。
任务2：思考：既然聚变能量更高、燃料丰富（海水中的氘）、放射性废物少，为何至今未能大规模商用？
提示关键词：温度、压力、约束方式、点火条件。
巡视指导，鼓励学生查阅课本相关内容或调用已有知识。
总结反馈：要实现可控核聚变，必须创造上亿摄氏度的高温环境，使物质处于等离子态；同时需要强大的磁场将其约束在有限空间内（托卡马克装置），防止接触容器壁降温。目前最大难题是“净能量增益”——输入的能量仍大于输出。
展示我国EAST装置照片及最新成果：实现了1.2亿度高温下等离子体维持101秒的世界纪录！
升华情感：这不仅是实验室里的数据，更是中国人向终极清洁能源迈进的坚实脚步。 1. 回答问题，激活前知。
2. 阅读图表，理解反应路径。
3. 小组合作，完成对比表格。
4. 讨论难点，提出解决设想。
评价任务 信息提取：☆☆☆
合作参与：☆☆☆
创新思维：☆☆☆
设计意图 以“太阳为何发光”这一朴素问题切入，拉近高科技与日常生活的距离，增强亲切感。通过对比分析，促使学生主动梳理两类核反应的本质特征，提升归纳能力。设置开放性问题驱动深度思考，让学生亲历“发现问题—分析原因—寻求对策”的科学探究过程。融入国家重大科技进展，厚植家国情怀。
深化理解，辨析异同
【8分钟】 一、绘制思维导图：构建知识网络 （一）、引导学生共同绘制黑板思维导图：
中心词：“核能释放方式”
分支一：“核裂变”
　　→ 定义：重核分裂为中等核
　　→ 条件：慢中子轰击、临界体积
　　→ 实例：铀-235裂变、核电站、原子弹
　　→ 能量来源：比结合能增大，质量亏损
分支二：“核聚变”
　　→ 定义：轻核结合为较重核
　　→ 条件：极高温度与压力（热核反应）
　　→ 实例：太阳发光、氢弹、EAST装置
　　→ 能量来源：单位质量释放能量更多
补充说明：无论是裂变还是聚变，本质都是通过改变原子核结构，使系统趋向更稳定状态，从而释放结合能。
（二）、辨析常见误区：
提问1：核反应是化学反应吗？
明确：否！核反应涉及原子核的变化，属于物理范畴；化学反应只涉及电子转移。
提问2：核电站会不会像原子弹一样爆炸？
解释：不会。核电站使用低浓度铀燃料，且有严格控制系统，无法达到瞬发超临界状态。
提问3：核聚变真的零污染吗？
说明：虽然不产生长寿命放射性废物，但中子辐照会使装置材料活化，仍需妥善处理。 1. 参与绘制，完善知识结构。
2. 辨析概念，澄清错误认识。
3. 提问质疑，深化理解层次。
4. 整理笔记，形成系统认知。
评价任务 结构完整：☆☆☆
辨析准确：☆☆☆
反思深入：☆☆☆
设计意图 通过师生共建思维导图，实现知识的结构化整理，帮助学生形成清晰的认知框架。针对高频误解进行集中辨析，纠正思维偏差，提升科学素养。强调核能安全常识，体现科学态度与责任的渗透。整个过程由浅入深，层层递进，实现从碎片化知识到系统化理解的跃迁。
课堂总结，升华价值
【5分钟】 一、从质能方程到人类命运：一堂课的精神回响 （一）、回顾核心知识点：
今天我们穿越微观世界，见证了两种改变人类文明进程的能量释放方式：一种是拆解重核的智慧，另一种是模仿太阳的壮举。我们学会了书写核反应方程，理解了链式反应的奥秘，也知道了“人造太阳”背后的千难万险。
（二）、引用费曼名言收尾：
物理学家理查德·费曼曾说：“我想我可以有把握地说，没有人真正懂得量子力学。”同样，核物理的世界依然充满未知。但我们不能因未知而恐惧，也不能因力量而狂妄。
（三）、升华式总结：
这节课带给我们的不仅是公式与反应，更是一种深刻的启示：科学技术本身并无善恶，关键在于使用它的人。核能如同普罗米修斯盗来的火种，既能温暖人间，也能焚毁一切。作为新时代的青年，我们要以理性驾驭力量，以良知指引方向。愿你们在未来的学习道路上，不仅掌握打开原子世界的钥匙，更能守住那颗敬畏自然、造福人类的初心。让我们共同努力，让核聚变的光芒早日照亮万家灯火，而不是映照废墟残垣。 1. 跟随回顾，巩固要点。
2. 倾听名言，感悟哲理。
3. 思考责任，树立信念。
4. 升华情感，坚定志向。
评价任务 总结全面：☆☆☆
感悟深刻：☆☆☆
志向明确：☆☆☆
设计意图 采用“知识点+生活哲理”的升华模式，将科学知识上升至人文关怀层面。引用科学家话语增强权威性与感染力。结尾以诗意语言描绘愿景，唤起学生的情感共鸣与使命担当。整段总结兼具知识性、思想性与审美性，实现三维目标的有机统一。
作业设计
一、基础巩固：核反应方程书写
1. 写出下列核反应方程，并判断属于裂变还是聚变：
（1）铀-235吸收一个中子后裂变为锶-90和氙-143，并放出若干中子：
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（2）两个氘核聚变成一个氦-3并释放一个中子：
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（3）氚核与氘核聚合成氦核并释放一个中子：
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2. 解释为何核聚变被称为“终极能源”？请从原料、能量密度、环境影响三个方面简要说明。
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二、拓展探究：我的“人造太阳”设计方案
查阅资料，了解目前主流的核聚变约束方式（如磁约束、惯性约束）。假设你是科研团队的一员，请选择一种技术路线，简述其工作原理，并提出一项你认为可以改进的方向（如提高能量增益、延长等离子体稳定性等）。
要求：不少于200字，条理清晰，图文并茂者加分。
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【答案解析】
一、基础巩固
（1） ，裂变
（2） ，聚变
（3） ，聚变
原因：① 原料丰富（海水中含大量氘）；② 单位质量释放能量远高于裂变；③ 不产生高放射性长寿命废物，相对清洁。
二、拓展探究
参考方向：可围绕EAST使用的托卡马克装置展开，强调环形磁场约束高温等离子体；改进建议可包括开发新型超导材料以增强磁场强度、优化加热方式（如中性束注入）、引入人工智能实时调控等。
板书设计
5.4 核裂变 核聚变
　　　　　　　　↓　　　　　　　↓
　　　　　重核分裂　　　　轻核结合
　　　　　（如铀-235）　　（如氢核）
能量来源：比结合能↑ → 质量亏损 → E=Δmc
链式反应：中子引发 → 多重中子 → 自持反应
　　　　　　↑
　　　　控制棒调节（核电站）
聚变条件：上亿℃ + 高压 + 约束（磁场/惯性）
对比维度：原料｜产物｜能量｜控制难度｜应用现状
核心理念：科技向善，理性前行
教学反思
成功之处
1. 情境导入极具冲击力，通过“原子弹”与“人造太阳”的对比成功点燃学生兴趣，课堂参与度高。
2. 角色扮演模拟链式反应效果显著，学生在活动中深刻理解了中子增殖与临界体积的关系。
3. 融入EAST装置等本土科技成果，有效增强了学生的民族认同感与科技使命感。
不足之处
1. 对于比结合能曲线的解读仍显仓促，部分学生未能完全理解“为何中等核更稳定”的深层原因。
2. 小组讨论时间略紧，个别小组未能充分展开对聚变技术瓶颈的深入探讨。
3. 板书布局可进一步优化，思维导图部分可用彩色粉笔突出层级关系。