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第十六章　永恒的探索：宇宙和粒子
第一节　浩瀚的宇宙
第二节　探索微观世界的历程
1．物理观念：
(1)认识宇宙的层次结构。
(2)了解物质的微观结构，掌握原子的核式结构模型。
2．科学思维：
建立宏观与微观的空间认知。通过模拟实验(如α粒子散射实验)，体验微观粒子的运动规律。分析宇宙大爆炸理论，培养科学推理能力。
3．科学探究：
通过科学探究实验、交流讨论，培养探索真理的科学方法。
4．科学态度与责任：
激发对宇宙的好奇心，培养科学探索精神。增强对我国航天成就的自豪感。树立唯物主义世界观，理解科学理论的实证性与发展性。
1．教学重点：
宇宙的层次结构；物质的微观结构层次。
2．教学难点：
α粒子散射实验模拟装置。
多媒体课件等。
我们知道，地球是围绕太阳运转的，地球只是太阳系中的一个小成员，而太阳系又是银河系的一部分。当我们在地球上仰望星空时(教材P208图16.1－1)，不禁会想：银河系外面还有什么呢？宇宙是怎样形成的？宇宙有边界吗？
　　知识点一　浩瀚的宇宙
1．宇宙概观。
(1)教师出示课件：画面上展现交相辉映的繁星、太阳系八颗行星、天体、航天器及航天员从遥远的宇宙深处飘然而来。
(2)请学生谈一谈对宇宙的认识，说一说哪些现象与地球以及地球上的人类关系密切，想一想会对地球有哪些影响。
(3)学生交流讨论，积极发言，从书本或已有知识说出人类认识的宇宙是什么样子。
(4)用讲述的方法阐述人类对宇宙的认识过程，让学生树立科学的宇宙观。
①“四方上下曰宇，古往今来曰宙。”宇即为空间，宙即为时间。
②“天圆地方”。
③公元2世纪，古希腊天文学家托勒密提出了地心说。
④16世纪初，波兰天文学家哥白尼提出了日心说。
⑤20世纪以来，由于大型天文望远镜的使用，以及空间技术的发展，人类已经认识到上百亿年和上百亿光年的时空区域。
展示各种天体的图片，用多媒体手段演示各种天体。
2．飞向太空。
思考(1)：人们从古至今对宇宙的观测、探测应用了哪些手段？
思考(2)：人类飞向天空的历程。
师生交流：最初的观测从肉眼开始，发展到望远镜等，现在又出现了太空探测器、载人飞船、航天飞机、空间站等等。
人类对宇宙空间的探索经历了从无人航天到载人航天的历程，大家能说出几种载人航天器的类型吗？
出示图片：“太空实验室、空间站”。
在失重条件下的航天员的生活很特殊，大家能根据自己的了解谈谈关于这方面的有趣知识吗？
介绍我国宇宙探测和开发的情况。
播放画面：(1)我国火箭的发射；(2)神舟二十号的发射及运行情况。
3．破解宇宙奥秘之路。
展示哈勃望远镜的图片，介绍相关知识。
哈勃望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜。它上面有广角行星相机，能拍摄几十到上百个恒星照片。
问题：你知道宇宙是如何起源的吗？如果不是起源于大爆炸，那会是什么？
　　知识点二　探索微观世界的历程
1．原子论。
教师出示课件，介绍原子的发现历程。
总结：原子是元素保持其化学性质的最小单元。无论化合物还是单质，它们一般并不是直接由原子组成的，而是由几个原子相结合的分子构成的。阿伏伽德罗认为单质的分子由同种原子构成，化合物的分子由两种或两种以上的原子构成。
教师出示课件，介绍脱氧核糖核酸(DNA)生物大分子结构模型和石墨烯的原子排列结构模型。
总结：常见的物质是由分子、原子组成的。
2．原子的组成。
教师出示课件，介绍α粒子散射实验。
总结：原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成。原子核内有带正电的质子和不带电的中子。
3．基本粒子。
引导学生自主阅读教材P219～220。
查阅资料，了解人类探索微观世界的最新进展，并与同学交流。
总结：人们认知的构成物质的最小、最基本的单位称为基本粒子，基本粒子是组成各种各样物质的基础。基本粒子的概念本身也在随着人类的不断探索、物理学的不断发展而变化着。
4．纳米科技。
引导学生自主阅读教材P220～222。
查阅资料，了解纳米材料的最新进展，并与同学交流。
总结：纳米材料已经被应用于各个领域。在冶金领域，在金属加工过程中加入由纳米材料合成的烧结添加剂，能够得到纯度更好的产品；在医学领域，可以用纳米材料代替人体某些病变的器官进行器官移植手术；在化工催化领域，各种纳米催化材料大大提高了工业效率；在陶瓷领域，纳米材料制作的陶瓷具有更好的耐热性、柔韧性和硬度……
纳米科技是人类在认识和探索物质世界的微观结构的进程中发展起来的一种技术，那么纳米科技在生活中有哪些应用呢？
纳米是一个长度单位，符号是nm。1 nm＝10－9 m。一般分子的直径大约为0.3～0.4 nm。纳米科技是纳米尺度内(0.1～100 nm)的科学技术，研究对象是一小堆分子或单个的原子、分子。
第一节　浩瀚的宇宙
1．宇宙概观
2．飞向太空
3．破解宇宙奥秘之路
第二节　探索微观世界的历程
1．原子论
2．原子的组成
3．基本粒子
4．纳米科技
本节尝试采用了“互动－讨论”的教学模式，观看多媒体课件展示的丰富的相关图片，讲述了历史的进程和故事，既开阔了学生的知识面，又丰富了学生的感性认识，激发了学生探索微观世界和大尺度宇宙的兴趣。第三节　核能的开发与利用
1．物理观念：
(1)知道核裂变与核聚变的概念及能量释放原理。
(2)了解核电站的工作原理及核能利用的优缺点。
2．科学思维：
(1)通过模拟实验(如链式反应、核聚变条件)，体验核能释放的物理机制。
(2)分析核能应用案例(如“华龙一号”)，培养信息整合与科学推理能力。
3．科学探究：
开展核能相关的讨论，提升批判性思维与合作探究能力。
4．科学态度与责任：
(1)激发对核能科学的兴趣，培养安全意识与环保责任感。
(2)增强对我国核能成就的民族自豪感。
(3)树立科技造福人类的理念，关注能源可持续发展。
1．教学重点：
核裂变与和核聚变。
2．教学难点：
理解链式反应的控制机制。
多米诺骨牌(模拟链式反应)、气球(模拟核聚变条件)、多媒体课件等。
播放短视频《核能的力量》，展示原子弹爆炸、核电站运行、“华龙一号”建设场景。
提问：视频中的能量来源于哪里？核能为何能产生如此巨大的能量？
引出课题：核能是原子核释放的能量，其开发与利用深刻影响着人类社会。
　　知识点一　核能及其利用
1．核裂变与链式反应。
演示实验：用多米诺骨牌模拟链式反应，观察“中子轰击铀核”的传递过程。
提问：如何控制链式反应的速度？
讲解：控制棒吸收中子的原理，区分核电站(可控)与原子弹(不可控)。
数据对比：1 kg铀－235裂变能量≈2 500 t煤完全燃烧所释放出的能量，强调核能的高效性。
2．核聚变与未来能源。
演示实验：用气球模拟核聚变条件(高温、高压)，挤压气球观察“氘氚聚合”现象。
提问：为何核聚变被称为“人造太阳”？
讲解：太阳内部的核聚变反应，氢弹的爆炸原理，“东方超环”(EAST)在可控核聚变领域的突破。
3．核电站工作原理。
动画演示：展示压水堆核电站的三个回路系统(一回路加热、二回路发电、三回路冷却)。
类比：用“烧开水”比喻核能转化为电能的过程，强调能量转换效率。
　　知识点二　核安全
讲解：核能的开发和利用给人类发展带来了新的动力。同时，核能发展也伴随着核泄漏和污染、核废料处理不当、核武器扩散、核材料扩散流失等方面的核安全风险和挑战。用多媒体辅助播放切尔诺贝利核事故纪录片。
提问：如果发生核泄漏，如何处理？(引出核废料处理技术)
第三节　核能的开发与利用
1．核能来源：核裂变(重核分裂)、核聚变(轻核聚合)
2．应用：
(1)可控：核电站(压水堆、“华龙一号”)
(2)不可控：原子弹、氢弹
3．安全：四道安全屏障、核废料处理
4．未来：可控核聚变、第四代核电技术
1．多媒体辅助教学使课堂更加活跃。传统教学大多是教师讲授和挂图相结合，但是一些现象是在课堂上根本不可能实现的，比如说核能的释放就无法在课堂上演示完成。在课上讲裂变和聚变前，我收集了一些关于原子弹、氢弹爆炸的录像，例如《原子弹在试验场的爆炸》《氢弹空投》，让学生身临其境般感受核裂变和核聚变的威力，学生被深深地吸引。如果像传统教学那样纯粹地讲述反应，学生很可能一是费解，二是提不起兴趣。而动画课件和录像的运用很好地解决了上述两个问题，在课堂的实践中也取得了不错的效果。
2．在学习知识的同时，向学生渗透环保意识。科学技术是一把双刃剑，它可以造福人类，也可以给人类带来灭顶之灾。尽管人类已掌握和平利用核能的技术，但受限于反应堆系统的复杂性，历史上仍多次发生重大核事故，例如切尔诺贝利事件。在课堂上，我除了让学生阅读教材上的资料以外，还提前收集了一些关于核泄漏的文字、图片记载，展示给学生看，学生们在灾难的记载面前目瞪口呆，同时也深刻地感受到了环保的重要性。
3．在学习知识的同时，进行爱国主义教育。告诉学生，我国一贯高度重视核安全问题，保持着良好的核安全记录。第四节　设计节能环保小屋
1．物理观念：
(1)理解能量转化与守恒定律，掌握热传递、光能利用、电路设计等物理知识。
(2)学会分析建筑中的节能技术(如隔热、采光、可再生能源利用)。
(3)学会选择节能材料(如保温材料、节水装置、LED照明)，分析其物理特性。
2．科学思维：
通过小组合作设计模型，培养动手能力和创新思维。
3．科学探究：
(1)通过小组合作设计小屋方案，综合运用热学、电学、力学知识解决实际问题。
(2)运用实验探究不同材料的保温、导热性能。展开“材料保温性能测试”“太阳能板发电效率实验”等探究活动，培养科学实验能力。
(3)利用3D建模或手工模型呈现设计成果，提升跨学科实践能力。
4．科学态度与责任：
增强节能环保意识，树立“科技服务生活”的责任感。感受物理知识在建筑领域的应用价值，激发创新设计兴趣。培养团队协作精神，体验解决实际问题的成就感。
1．教学重点：
清洁能源(太阳能、风能)的转化原理与装置设计。建筑节能的物理措施(保温隔热、自然采光、节水系统)。
2．教学难点：
综合运用多学科知识(如热传导公式、电功率计算)优化设计方案。平衡“节能环保”与“居住舒适性”的需求(如采光与隔热的矛盾)。
纸板、泡沫板、铝箔、透明塑料膜、小灯泡(模拟太阳能)、温度计、风扇(模拟风力发电)、剪刀、胶水、尺子、电路元件(电池、导线、开关)、多媒体课件等。
提问：如果让你建造一座小屋，如何减少电力和燃料的消耗？
展示全球能源消耗数据，引发学生对节能的思考。
视频案例：播放一段节能建筑(如丹麦的“零碳住宅”)的短片。
　　任务一　认识能源
1．提问：能源的种类有哪些？什么叫作一次能源？什么叫作二次能源？
同学们交流、讨论后回答：以天然形式存在于自然界的能源叫作一次能源，如煤、石油、天然气等化石能源，以及风能、水能、地热能和太阳能等。由一次能源加工转化而来的能源产品叫作二次能源，如电能、酒精、各种石油制品等。
2．提问：什么叫作可再生能源？什么叫作不可再生能源？
同学们交流、讨论后回答：一次能源可分为可再生能源和不可再生能源。如风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等是可再生能源，煤、石油、天然气和核能等是不可再生能源。
3．能源危机。
交流讨论：(1)能量守恒定律告诉我们，能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，能量的总量保持不变。既然总能量保持不变，那为什么还会存在能源危机呢？
(2)化石能源的枯竭及其所引起的环境问题有哪些？解决能源危机需要大力发展哪些新能源？人类在新能源的开发与利用方面作出了哪些探索和努力？
　　任务二　为节能环保小屋选址
分组讨论：调查不同能源在我国不同地区的主要分布情况，将调查的结果标注在地图上，形成简单的能源分布图。为你的节能环保小屋选址，请小组代表说出本组节能环保小屋所选地址的大致位置，并说明选址的理由及该地理位置的能源特征。
　　任务三　设计节能环保小屋
分组讨论：根据选址地区的气候条件和环境特点，因地制宜地为节能环保小屋选择主要能源和保温材料，开始节能环保小屋的设计，绘制节能环保小屋的结构设计图。(可以从不同视角画出多张图纸，或者借助3D绘图软件绘制立体设计图)
教师提醒，绘制设计图时注意以下问题：
(1)你标注的长度是否与实际情况相符？
(2)图中的长度是否使用了相同的比例尺？
(3)你的设计能否满足日常生活的基本需求？
将小组绘制的节能环保小屋设计图在班级进行展示，与同学一起进行分析和论证，并改进小组绘制的设计方案。
　　任务四　制作节能环保小屋模型
1．对设计图进行进一步细化和任务分工。
画出设计草图并标注物理原理。
每组设计一个“节能小屋”模型，需包含以下4项技术：
(1)隔热：减少热传导(泡沫、空气层)。
(2)采光：反射(铝箔)、透射(透明材料)。
(3)能源：太阳能→电能，风能→电能。
(4)节水：重力→水压→收集利用。
2．小组分工合作制作和组装小屋模型。
用材料制作简易模型，能演示至少一种节能功能。
3．小组展示。
每组讲解设计亮点和物理原理。
4．互评标准。
科学性(物理原理是否正确)；创新性(如利用废旧材料)；可行性(是否能在现实中简化应用)。
5．教师总结。
强调：“节能＝减少不必要的能量损耗＋高效利用可再生能源”。
第四节　设计节能环保小屋
任务一　认识能源
任务二　为节能环保小屋选址
任务三　设计节能环保小屋
任务四　制作节能环保小屋模型
在教学过程中，学生对制作节能环保小屋表现出了浓厚的兴趣和积极性，通过动手实践，学生更好地理解了节能环保，提高了动手能力和解决实际问题的能力。小组合作的方式培养了学生的团队合作精神和沟通能力，同时也让学生学会了分享和交流制作经验。在制作过程中，部分学生遇到了一些问题，如材料选择不当、隔热性不好等，教师需要及时给予指导和帮助，引导学生分析问题并解决问题。在教学中，可以进一步拓展学生的思维，引导学生思考如何将物理知识应用到更多的实际生活中，培养学生的创新意识和实践能力。成功之处：通过“实验＋设计＋建模”融合，让抽象物理知识落地，学生能直观感受知识的应用价值。改进方向：可引入“能耗计算”量化分析(如计算小屋年用电量)，增强科学性；对农村、城市不同场景的设计需求进行区分指导。

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