资源简介

5.3《核反应 结合能》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三节，是原子核物理的核心知识之一。教材通过引入核反应方程、质量亏损与爱因斯坦质能方程的结合，系统阐述了结合能与比结合能的概念及其在核能利用中的重要意义。内容由浅入深，从学生已知的原子结构出发，逐步过渡到核子间的强相互作用和能量转化规律，体现了物理学“从现象到本质”的认知路径。本节为后续学习核裂变、核聚变及核能应用奠定了理论基础，在整个模块中起着承上启下的关键作用。
学情分析
高二学生已具备一定的原子物理基础知识，如原子核的组成、同位素概念以及基本的核反应符号表示方法。但在理解微观粒子间的作用机制、质量与能量之间的等价关系方面仍存在较大认知障碍。学生对“质量可以转化为能量”这一反常识观念接受度低，容易产生思维定势。此外，计算结合能涉及较复杂的单位换算（u→kg→J→MeV），数学运算能力要求较高。因此教学中需借助直观模型、类比推理和分步训练，帮助学生突破抽象思维瓶颈，建立正确的物理图景。
课时教学目标
物理观念
1. 理解核反应的基本特征，掌握书写核反应方程的原则，并能判断常见核反应类型（如衰变、人工转变、裂变、聚变）。
2. 掌握质量亏损、结合能与比结合能的概念，能够运用爱因斯坦质能方程 ΔE = Δmc 计算核反应中释放或吸收的能量。
科学思维
1. 能通过比较不同原子核的比结合能曲线，分析核稳定性规律，推理出轻核聚变与重核裂变释放能量的原因。
2. 运用守恒思想（电荷数守恒、质量数守恒）分析核反应过程，培养逻辑推理与模型建构能力。
科学探究
1. 通过查阅资料与数据分析活动，探究比结合能随质量数变化的规律，体验科学发现的过程。
2. 在小组合作中设计简单核能释放方案，尝试解释核电站与太阳能源原理，提升问题解决能力。
科学态度与责任
1. 认识核能在现代社会中的双重性——既是清洁能源又是潜在威胁，树立理性看待科技发展的科学态度。
2. 感悟我国“人造太阳”等重大科技工程的意义，增强民族自豪感与社会责任意识。
教学重点、难点
重点
1. 核反应方程的书写规则与质量亏损、结合能的物理意义。
2. 利用 ΔE = Δmc 进行核能计算的基本方法。
难点
1. 理解“质量亏损”并非质量真正消失，而是静止质量向能量形式的转化。
2. 比结合能曲线的理解及其对核反应方向性的指导意义。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法
教具准备
多媒体课件、核反应动画视频、比结合能数据图表、计算器
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入：走进核世界
【5分钟】 一、创设真实情境，激发探索兴趣 （一）、播放震撼视频，引发认知冲突。
教师播放一段精心剪辑的视频：画面从广岛原子弹爆炸的蘑菇云切入，转至现代核电站平稳运行的外景，再切换到“中国环流器二号M”装置点火成功的新闻画面，最后定格在太阳光芒万丈的特写镜头。视频背景音乐低沉而富有张力。
提问引导：“刚才我们看到的画面都与‘核’有关。同样是核过程，为什么有的带来毁灭，有的却点亮万家灯火？太阳这颗燃烧了数十亿年的恒星，它的能量又来自哪里？”
等待学生自由发言后，进一步追问：“这些看似不同的现象背后，是否隐藏着相同的物理规律？今天我们就来揭开‘核反应’与‘结合能’的神秘面纱。”
（二）、讲述历史故事，点燃科学热情。
讲述卢瑟福1919年首次实现人工核反应的故事：“1919年，英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击氮气，竟然得到了氧和质子——人类第一次主动改变了原子核！他当时激动地说：‘我可能看到了炼金术士梦寐以求的事情。’从此，人类正式迈入操控原子核的时代。”
顺势引出课题：“那么，这样的转变是如何发生的？其中蕴含多少能量？这就是我们今天要研究的核心问题。” 1. 观看视频，感受核能的巨大威力与广泛应用。
2. 思考并回答教师提出的问题，表达初步看法。
3. 倾听科学家故事，体会科学探索的艰辛与魅力。
4. 明确本节课的学习主题与目标。
评价任务 观看专注：☆☆☆
思考积极：☆☆☆
表达清晰：☆☆☆
设计意图 通过强烈的视觉冲击与历史叙事相结合的方式，迅速抓住学生注意力，制造认知悬念。以“核能为何既能毁灭又能造福”为核心问题驱动，激发学生的求知欲。同时渗透STS教育理念，让学生意识到物理不仅是公式推导，更是影响世界的力量，从而自然引出本课主题。
新知建构：解析核反应
【12分钟】 一、剖析核反应本质，掌握书写规范 （一）、呈现典型实例，归纳反应规律。
教师在PPT上逐条展示四个典型核反应方程：
1. α衰变： → Th + He
2. β衰变： C → N + e
3. 人工转变：N+ He →O + H （即卢瑟福实验）
4. 聚变反应：H + H → He +n
组织学生观察这四个方程，提出探究任务：“请仔细观察上述四个核反应方程，找出它们在数字上的共同规律。”
待学生讨论交流后，请代表汇报发现。教师适时引导，强调两个守恒定律：
- 质量数守恒：反应前后总质量数相等；
- 电荷数守恒：反应前后总电荷数相等。
明确指出这是书写和判断核反应方程正确与否的根本依据。
（二）、开展即时训练，巩固书写技能。
给出两道练习题供学生当堂完成：
① 完成下列核反应方程：U + n → Ba + ___ + 3n
② 判断下列方程是否可能成立：Th → Pa + e
教师巡视指导，重点关注学生是否自觉运用守恒原则进行验算。对典型错误进行集中点评，例如忽略中子数量或误写电荷数。
（三）、分类梳理反应类型，构建知识网络。
在确认学生掌握基本书写方法后，教师引导学生根据反应特点将上述例子归类：
- 自发变化：衰变（α、β）
- 外力诱发：人工核反应（轰击）、裂变、聚变
并通过动画演示中子轰击铀核引发链式反应的过程，形象说明裂变机制。强调聚变需要极高温度才能克服库仑斥力，呼应太阳内部环境。 1. 分组观察四个核反应方程，寻找质量数与电荷数的变化规律。
2. 小组代表汇报发现，参与全班讨论。
3. 独立完成核反应方程填空与判断练习。
4. 听取讲解，完善笔记，建立核反应分类框架。
评价任务 发现规律：☆☆☆
正确书写：☆☆☆
合理分类：☆☆☆
设计意图 采用“实例—归纳—应用”教学模式，让学生经历科学规律的发现过程。通过多案例对比分析，强化守恒思想在核物理中的核心地位。设置阶梯式训练题，及时反馈学习效果。动画辅助突破空间想象难点，使抽象过程可视化。整个环节注重思维引导而非灌输，培养学生自主建构知识的能力。
深度探究：揭秘结合能
【15分钟】 一、揭示质量亏损，建立能量观念 （一）、提出矛盾问题，引发深层思考。
教师提出问题：“我们知道，原子核是由质子和中子组成的。那是不是所有核子的质量加起来就等于原子核的实际质量呢？”
展示数据：氢原子质量 mH = 1.007825 u，中子质量 mn = 1.008665 u，氦原子质量 mHe = 4.002603 u。
提问计算：“一个氦核由2个质子和2个中子组成，请计算其理论总质量并与实测值比较。”
学生计算得：2×1.007825 + 2×1.008665 = 4.032980 u，明显大于4.002603 u，相差0.030377 u。
教师指出：“这部分‘丢失’的质量去哪儿了？这不是测量误差，而是真实存在的‘质量亏损’。”
（二）、引入质能方程，解释能量来源。
介绍爱因斯坦1905年提出的狭义相对论著名结论：E = mc ，强调质量和能量是物质同一属性的两种表现形式，可相互转化。
推导得出：ΔE = Δm c ，即质量亏损对应释放的能量。
以氦核为例进行示范计算：
Δm = 0.030377 u = 0.030377 × 1.6606×10 kg ≈ 5.044×10 kg
ΔE = (5.044×10 ) × (3×10 ) J ≈ 4.54×10 J
转换为更常用单位MeV：1 eV = 1.602×10 J ΔE ≈ 28.3 MeV
强调该能量即为将氦核拆分为独立核子所需克服的“结合能”。
（三）、引入比结合能概念，分析稳定趋势。
提出问题：“是不是结合能越大，原子核就越稳定？”
引导学生思考：铁-56的结合能约为492 MeV，而铀-238高达约1800 MeV，但显然铀并不如铁稳定。
由此引出“比结合能”概念——单位核子的平均结合能（ε = E / A）。
发放比结合能随质量数A变化的坐标图（横轴A，纵轴ε），组织学生分组观察并回答：
① 曲线大致形状如何？峰值出现在哪个区域？
② 轻核区和重核区的比结合能有何特点？
③ 若使轻核聚合或重核分裂，核子平均结合能如何变化？意味着什么？
引导学生得出结论：核子平均结合能增大意味着系统更稳定，故轻核聚变与重核裂变均可释放能量。 1. 根据给定数据计算理论质量与实测质量之差。
2. 理解质量亏损与结合能的物理含义。
3. 观察比结合能曲线图，分析核稳定性规律。
4. 小组合作回答问题，总结聚变与裂变的能量优势。
评价任务 计算准确：☆☆☆
理解深刻：☆☆☆
分析到位：☆☆☆
设计意图 通过精心设计的数据对比，制造强烈认知冲突，促使学生质疑原有观念。顺势引入质能方程，完成从“质量守恒”到“质能守恒”的观念跃迁。通过具体数值计算增强学生对核能巨大程度的感知。利用图像分析法培养数据处理能力，引导学生从宏观趋势中提炼物理规律，实现从“结合能”到“比结合能”的思维升华，为理解核能利用提供理论支撑。
迁移应用：联结现实世界
【8分钟】 一、联系科技前沿，深化责任意识 （一）、解读核电站原理，辨析能源利弊。
提问：“目前我国大部分核电站采用的是哪种核反应方式？为什么选择这种方式？”
引导学生结合比结合能曲线分析：铀-235属于重核，其裂变产物处于更高比结合能区域，故可释放大量能量。
简要说明核反应堆的基本构造与控制棒调节原理，强调多重安全屏障设计。
组织小型辩论：“核能是解决能源危机的希望还是潜藏灾难的潘多拉魔盒？”
设定正反方各两名代表陈述观点，其余同学可补充。教师不做评判，鼓励理性表达。
（二）、探秘太阳能源机制，展望未来科技。
提问：“太阳的能量来源于什么？”
引导学生回忆初中知识并提升认知：太阳内部持续发生氢核聚变，每秒有数百万吨物质转化为能量。
展示我国“人造太阳”EAST装置照片与最新成就：“2023年，EAST实现403秒稳态高约束模运行，再次刷新世界纪录！”
讲述科学家钟武律团队攻坚克难的故事：“为了捕捉等离子体，他们像‘牧羊人’一样用磁场将其悬浮加热，温度超过1亿摄氏度——是太阳核心的近7倍！”
激励学生：“也许未来的你，就是那个最终点亮‘人造太阳’的人。” 1. 运用比结合能知识解释核电站工作原理。
2. 参与核能利弊辩论，表达个人观点。
3. 了解太阳聚变原理与中国科技成就。
4. 感受科学家精神，树立远大志向。
评价任务 解释合理：☆☆☆
观点鲜明：☆☆☆
情感投入：☆☆☆
设计意图 将所学知识应用于解释重大科技工程，体现“从物理走向社会”的课程理念。通过辩论形式培养批判性思维与公共表达能力。讲述中国科学家奋斗故事，增强民族认同感。用“人造太阳”这一诗意比喻连接科学梦想与现实追求，激发青少年投身科研的热情，落实立德树人根本任务。
课堂总结：升华科学精神
【5分钟】 一、回顾知识脉络，升华价值认知 （一）、结构化梳理，形成知识体系。
教师带领学生共同回顾本节课三大主线：
1. 核反应——原子核发生变化的过程，遵循质量数与电荷数守恒；
2. 质量亏损——核子结合成核时“损失”的质量；
3. 结合能与比结合能——衡量原子核稳定性的关键指标，ΔE = Δmc 是能量计算的金钥匙。
强调：“正是这个小小的c （光速平方），让微小的质量亏损爆发出惊人的能量——这便是大自然最深刻的密码之一。”
（二）、升华主题思想，寄托时代期望。
引用物理学家费曼的话作结：“我想，这个世界最令人惊叹之处，就在于它居然可以用数学语言来描述。”
接着深情说道：“当我们写下 ΔE = Δmc 这个简洁优美的公式时，不仅是在计算能量，更是在触摸宇宙的心跳。核能如同普罗米修斯盗来的火种，既能温暖人间，也可能焚毁一切。作为新时代的青年，愿你们不仅掌握它的规律，更能驾驭它的力量，让科学之光照亮人类前行的道路，而不是成为照亮废墟的余烬。” 1. 跟随教师回顾本课核心知识点。
2. 理解公式背后的哲学意蕴。
3. 感悟科技与人文的交融之美。
4. 树立负责任使用科技的价值观。
评价任务 知识完整：☆☆☆
理解深入：☆☆☆
情感共鸣：☆☆☆
设计意图 采用“知识点+生活哲理”与“感悟+展望未来”相结合的升华式总结，既帮助学生系统梳理知识框架，又超越知识本身，上升到科学美学与伦理责任的高度。引用名家名言提升文化品位，用诗性语言唤起情感共鸣，实现知识传授、能力培养与价值引领的有机统一。
作业设计
一、基础巩固题
1. 完成下列核反应方程，并指出反应类型：
（1）Th → Pa + _______
（2）N + _______ → O + H
（3）U + n → Sr + _______ + 2n
2. 已知氘核（ H）质量为2.013553 u，质子质量为1.007276 u，中子质量为1.008665 u。求：
（1）氘核的结合能（以MeV为单位）；
（2）氘核的比结合能。
（提示：1 u = 931.5 MeV/c ）
二、拓展探究题
查阅资料撰写一篇300字左右的小短文：《从“两弹一星”到“人造太阳”——我眼中的中国核科技发展之路》，要求包含至少两个具体事例，并谈谈你的感悟。
【答案解析】
一、基础巩固题
1. （1）e ，β衰变；（2）He，人工转变；（3）Xe，裂变
2. 解：
（1）质量亏损 Δm = (1.007276 + 1.008665) - 2.013553 = 0.002388 u
结合能 ΔE = 0.002388 × 931.5 ≈ 2.224 MeV
（2）比结合能 ε = 2.224 / 2 ≈ 1.112 MeV/核子
二、拓展探究题
参考要点：可提及邓稼先、于敏等科学家事迹；“两弹一星”奠定大国地位；秦山核电站建成；“华龙一号”自主技术出口；EAST装置屡破纪录；强调自主创新、艰苦奋斗、服务国家的战略意义。
板书设计
§5.3 核反应 结合能
【左侧主板书】
一、核反应
特征：原子核变化
守恒：质量数↑ 电荷数→
类型：衰变｜人工转变｜裂变｜聚变
二、结合能
质量亏损 Δm = Σm - m核
质能方程 ΔE = Δm·c
单位换算：1 u = 931.5 MeV/c
三、比结合能 ε = E/ A
曲线特征：中间高，两头低
意义：越高越稳定
应用：轻核聚变｜重核裂变 → 释放能量
【右侧副板书】
[绘制简易比结合能曲线示意图]
纵轴：比结合能 ε (MeV)
横轴：质量数 A
峰值位置标注“Fe”
左侧箭头标注“聚变放能”
右侧箭头标注“裂变放能”
教学反思
成功之处
1. 以“核能双面性”为主线贯穿始终，情境真实且富有张力，有效激发了学生的学习动机。
2. 注重科学思维培养，通过数据计算、图像分析等活动，让学生亲历“发现问题—提出假设—验证结论”的探究过程。
3. 成功融合爱国主义教育与科技前沿内容，特别是“人造太阳”的案例极大增强了学生的民族自信与科学情怀。
不足之处
1. 部分学生在单位换算（u→MeV）时仍显生疏，应增加一道过渡性练习加以强化。
2. 辩论环节时间略紧，未能让更多学生充分表达，下次可提前分组准备，提升参与广度。
3. 对“质量并非真正消失”这一哲学层面的理解还可进一步深化，可通过类比弹簧压缩储存弹性势能来加强隐喻。

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