5.4核裂變與核聚變教學(xué)設(shè)計方案-2023-2024學(xué)年高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊授課內(nèi)容授課時數(shù)授課班級授課人數(shù)授課地點授課時間教學(xué)內(nèi)容本節(jié)課主要圍繞人教版（2019）選擇性必修第三冊物理教材中的“5.4核裂變與核聚變”展開。內(nèi)容包括核裂變與核聚變的基本概念、原理、應(yīng)用及其在能源領(lǐng)域的意義。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生將了解核裂變與核聚變的基本過程，掌握核能釋放的計算方法，并能夠分析核能的利弊及其在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用。核心素養(yǎng)目標(biāo)本節(jié)課旨在培養(yǎng)學(xué)生以下物理學(xué)科核心素養(yǎng)：

1.科學(xué)思維：通過分析核裂變與核聚變的過程，提升學(xué)生對復(fù)雜物理現(xiàn)象的抽象、建模和分析能力。

2.科學(xué)探究：引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，驗證核能釋放原理，培養(yǎng)實驗操作和數(shù)據(jù)分析能力。

3.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：使學(xué)生認(rèn)識到核能的潛力和風(fēng)險，形成正確的能源利用觀念和可持續(xù)發(fā)展意識。教學(xué)難點與重點1.教學(xué)重點，

①核裂變與核聚變的基本過程及其能量釋放原理的掌握。

②核能釋放的計算方法，包括質(zhì)量虧損和能量轉(zhuǎn)換公式的應(yīng)用。

③核能利用實例的分析，如核電站的工作原理和核能的優(yōu)缺點。

2.教學(xué)難點，

①理解核裂變和核聚變過程中微觀粒子的行為和相互作用。

②掌握質(zhì)量虧損和結(jié)合能的概念，并能將其與能量釋放聯(lián)系起來。

③分析核能利用的安全性和環(huán)境影響，形成對核能應(yīng)用的全面認(rèn)識。教學(xué)資源準(zhǔn)備1.教材：確保每位學(xué)生都有人教版（2019）選擇性必修第三冊物理教材。

2.輔助材料：準(zhǔn)備核裂變與核聚變過程的圖片、能量釋放圖表、相關(guān)視頻等多媒體資源，以增強(qiáng)直觀教學(xué)效果。

3.實驗器材：準(zhǔn)備放射性物質(zhì)模型、計時器等，用于演示核裂變和核聚變實驗，確保實驗安全。

4.教室布置：設(shè)置分組討論區(qū)，以便學(xué)生進(jìn)行小組討論和實驗操作。教學(xué)實施過程1.課前自主探索

教師活動：

發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)：通過在線平臺或班級微信群，發(fā)布預(yù)習(xí)資料（如PPT、視頻、文檔等），明確預(yù)習(xí)目標(biāo)和要求。設(shè)計預(yù)習(xí)問題：圍繞“核裂變與核聚變”課題，設(shè)計一系列具有啟發(fā)性和探究性的問題，如“核裂變和核聚變是如何產(chǎn)生能量的？”、“核能的利用有哪些優(yōu)勢和風(fēng)險？”等，引導(dǎo)學(xué)生自主思考。

監(jiān)控預(yù)習(xí)進(jìn)度：利用平臺功能或?qū)W生反饋，監(jiān)控學(xué)生的預(yù)習(xí)進(jìn)度，確保預(yù)習(xí)效果。

學(xué)生活動：

自主閱讀預(yù)習(xí)資料：按照預(yù)習(xí)要求，自主閱讀預(yù)習(xí)資料，理解核裂變與核聚變的基本概念。

思考預(yù)習(xí)問題：針對預(yù)習(xí)問題，進(jìn)行獨立思考，記錄自己的理解和疑問。

提交預(yù)習(xí)成果：將預(yù)習(xí)成果（如筆記、思維導(dǎo)圖、問題等）提交至平臺或老師處。

教學(xué)方法/手段/資源：

自主學(xué)習(xí)法：引導(dǎo)學(xué)生自主思考，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。

信息技術(shù)手段：利用在線平臺、微信群等，實現(xiàn)預(yù)習(xí)資源的共享和監(jiān)控。

2.課中強(qiáng)化技能

教師活動：

導(dǎo)入新課：通過展示核電站圖片或相關(guān)視頻，引出“核裂變與核聚變”課題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

講解知識點：詳細(xì)講解核裂變與核聚變的原理，結(jié)合實例如原子彈和氫彈，幫助學(xué)生理解能量釋放的過程。

組織課堂活動：設(shè)計小組討論，讓學(xué)生分析核能利用的利弊，以及如何提高核能的安全性和效率。

解答疑問：針對學(xué)生在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生的疑問，如“為什么核聚變比核裂變更難實現(xiàn)？”進(jìn)行及時解答和指導(dǎo)。

學(xué)生活動：

聽講并思考：認(rèn)真聽講，積極思考老師提出的問題。

參與課堂活動：積極參與小組討論，分享自己對核能利用的看法。

提問與討論：針對不懂的問題或新的想法，勇敢提問并參與討論。

教學(xué)方法/手段/資源：

講授法：通過詳細(xì)講解，幫助學(xué)生理解核裂變與核聚變的原理。

活動教學(xué)法：通過小組討論等活動，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作意識和溝通能力。

3.課后拓展應(yīng)用

教師活動：

布置作業(yè)：布置設(shè)計核能利用方案的小組作業(yè)，要求學(xué)生思考如何安全、高效地利用核能。

提供拓展資源：提供與核能相關(guān)的書籍、網(wǎng)站、視頻等資源，供學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

反饋作業(yè)情況：及時批改作業(yè)，給予學(xué)生反饋和指導(dǎo)。

學(xué)生活動：

完成作業(yè)：認(rèn)真完成老師布置的課后作業(yè)，鞏固學(xué)習(xí)效果。

拓展學(xué)習(xí)：利用老師提供的拓展資源，深入研究核能的潛在應(yīng)用。

反思總結(jié)：對自己的學(xué)習(xí)過程和成果進(jìn)行反思和總結(jié)，提出改進(jìn)建議。

教學(xué)方法/手段/資源：

自主學(xué)習(xí)法：引導(dǎo)學(xué)生自主完成作業(yè)和拓展學(xué)習(xí)。

反思總結(jié)法：引導(dǎo)學(xué)生對自己的學(xué)習(xí)過程和成果進(jìn)行反思和總結(jié)。知識點梳理1.核裂變與核聚變的基本概念

-核裂變：重核分裂成兩個或多個較輕的核，同時釋放出大量能量的過程。

-核聚變：兩個輕核合并成一個較重的核，同時釋放出大量能量的過程。

2.核裂變

-裂變過程：重核吸收一個中子后，變得不穩(wěn)定，分裂成兩個較輕的核，并釋放出能量。

-能量釋放：根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，核裂變過程中質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)化為能量。

-裂變產(chǎn)物：裂變產(chǎn)生的核碎片和中子，以及釋放出的γ射線。

3.核聚變

-聚變過程：兩個輕核在極高溫度和壓力下，克服庫侖斥力，合并成一個較重的核，并釋放出能量。

-能量釋放：同樣根據(jù)質(zhì)能方程，核聚變過程中質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)化為能量。

-聚變產(chǎn)物：聚變產(chǎn)生的重核、中子和γ射線。

4.核能釋放的計算

-質(zhì)量虧損：核裂變或核聚變過程中，反應(yīng)前后的質(zhì)量差。

-結(jié)合能：原子核內(nèi)部核子之間的結(jié)合能，表示核子結(jié)合成原子核時釋放的能量。

-能量釋放：根據(jù)質(zhì)能方程，核能釋放的能量等于質(zhì)量虧損乘以光速的平方。

5.核能的利用

-核電站：利用核裂變反應(yīng)釋放的能量來產(chǎn)生電能的設(shè)施。

-核聚變反應(yīng)堆：利用核聚變反應(yīng)釋放的能量來產(chǎn)生電能的設(shè)施，目前尚處于研發(fā)階段。

-核能發(fā)電原理：核裂變或核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽，蒸汽推動渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

6.核能的優(yōu)缺點

-優(yōu)點：能量密度高，燃料資源豐富，環(huán)境污染小。

-缺點：核事故風(fēng)險高，核廢料處理困難，核擴(kuò)散問題。

7.核能利用的安全性與環(huán)境影響

-核事故：如切爾諾貝利、福島核事故等，對環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重危害。

-核廢料：核裂變和核聚變產(chǎn)生的放射性廢料具有長期放射性，處理難度大。

-環(huán)境影響：核能利用過程中，可能產(chǎn)生放射性污染，影響生態(tài)環(huán)境。

8.核能的未來發(fā)展

-核能發(fā)電：提高核能發(fā)電的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，降低核事故風(fēng)險。

-核聚變研究：攻克核聚變技術(shù)難題，實現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)，為人類提供清潔、安全的能源。

-核能利用的可持續(xù)發(fā)展：在保障能源安全的同時，注重環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約。課后作業(yè)1.實驗設(shè)計題

設(shè)計一個實驗，驗證核裂變過程中能量釋放的原理。要求：

-描述實驗?zāi)康暮驮怼?/p>

-列出實驗所需器材。

-設(shè)計實驗步驟。

-預(yù)期實驗結(jié)果及分析。

答案示例：

實驗?zāi)康模候炞C核裂變過程中能量釋放的原理。

實驗原理：通過測量核裂變反應(yīng)前后質(zhì)量的變化，計算能量釋放量。

實驗器材：天平、放射性物質(zhì)、計數(shù)器、數(shù)據(jù)記錄表等。

實驗步驟：

1.準(zhǔn)備放射性物質(zhì)樣品，記錄初始質(zhì)量。

2.放射性物質(zhì)發(fā)生核裂變反應(yīng)，記錄裂變后的質(zhì)量。

3.計算質(zhì)量虧損，根據(jù)質(zhì)能方程計算能量釋放量。

4.分析實驗結(jié)果，驗證核裂變過程中能量釋放的原理。

2.計算題

一個鈾-235核裂變時，釋放出的能量為200MeV。假設(shè)質(zhì)量虧損為0.01u，求該核裂變反應(yīng)的能量釋放率（單位：MeV/u）。

答案示例：

能量釋放率=釋放的能量/質(zhì)量虧損

能量釋放率=200MeV/0.01u

能量釋放率=20000MeV/u

3.應(yīng)用題

核電站利用核裂變反應(yīng)產(chǎn)生電能。假設(shè)一個核電站每年發(fā)電量為1億千瓦時，求該核電站每年消耗的鈾-235質(zhì)量（假設(shè)鈾-235的核裂變能量為200MeV）。

答案示例：

1千瓦時=3.6×10^6焦耳

1億千瓦時=3.6×10^13焦耳

每個鈾-235核裂變釋放的能量=200MeV=200×1.6×10^-13焦耳

每年消耗的鈾-235核數(shù)=3.6×10^13焦耳/(200×1.6×10^-13焦耳)

每年消耗的鈾-235質(zhì)量=每年消耗的鈾-235核數(shù)×鈾-235的摩爾質(zhì)量/阿伏伽德羅常數(shù)

每年消耗的鈾-235質(zhì)量≈0.45噸

4.分析題

分析核能利用的優(yōu)缺點，并討論如何提高核能利用的安全性。

答案示例：

優(yōu)點：

-能量密度高，燃料資源豐富。

-環(huán)境污染小，減少溫室氣體排放。

缺點：

-核事故風(fēng)險高，對環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重危害。

-核廢料處理困難，具有長期放射性。

提高核能利用安全性的措施：

-加強(qiáng)核電站的安全管理，提高核電站的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

-完善核廢料處理技術(shù)，確保核廢料的安全儲存和處置。

-加強(qiáng)國際合作，共同應(yīng)對核能利用的安全挑戰(zhàn)。

5.創(chuàng)新題

設(shè)計一種新型核能利用方案，要求具有較高的能量密度、較低的放射性污染和環(huán)保性。

答案示例：

設(shè)計方案：利用核聚變反應(yīng)產(chǎn)生電能。

原理：通過實現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)，將氫同位素（如氘和氚）聚合成氦，釋放出大量能量。

優(yōu)點：

-能量密度高，燃料資源豐富（海水中含有大量氘）。

-放射性污染低，聚變產(chǎn)物氦是惰性氣體，無放射性。

-環(huán)保性高，聚變過程中不產(chǎn)生溫室氣體。

實施步驟：

1.研究和開發(fā)可控核聚變技術(shù)，提高聚變反應(yīng)的穩(wěn)定性和效率。

2.建設(shè)核聚變反應(yīng)堆，實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

3.推廣核聚變能源，逐步替代傳統(tǒng)核裂變能源。板書設(shè)計1.核裂變

①核裂變概念：重核分裂成較輕核，釋放能量。

②核裂變條件：吸收中子，達(dá)到臨界質(zhì)量。

③裂變產(chǎn)物：裂變碎片、中子、γ射線。

2.核聚變

①核聚變概念：輕核結(jié)合成較重核，釋放能量。

②核聚變條件：極高溫度和壓力，克服庫侖斥力。

③聚變產(chǎn)物：聚變核、中子、γ射線。

3.能量釋放

①質(zhì)量虧損：反應(yīng)前后質(zhì)量差。

②結(jié)合能：原子核內(nèi)部核子之間的結(jié)合能。

③能量釋放：E=mc2，質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)化為能量。

4.核能利用

①核電站：利用核裂變反應(yīng)產(chǎn)生電能。

②核聚變反應(yīng)堆：利用核聚變反應(yīng)產(chǎn)生電能