人教版 (2019)选择性必修 第三册4 核裂变与核聚变教案
展开《核聚变》教学设计
授课科目：物理 授课时间：45min
授课教师：袁泉 授课年级：高二
一.教学目标
1.物理观念：掌握核聚变概念以及发生机制，建立原子核这一物质层级的观念；掌握核反应方程的书写规则；了解核聚变相对于核裂变的三大优点以及可控核聚变的困难；理解核聚变能量的来源是由于质量损失，培养学生的能量观念。
2.科学思维：学生经历对电影片段以及教材信息的分析综合、对组内成员不同观点的质疑批判，培养学生归纳总结、质疑创新的科学思维品质。
3.科学探究：学生亲手由质能方程计算氘氚聚变反应释放的能量，掌握通过理论计算探究科学事实的本领；学生经历与组员的探讨交流，提高评估、反思能力。
4.科学态度与责任：通过了解我国在可控核聚变研究方面的成就，激发学生的爱国热情和献身科学的激情；学生通过了解国际对可控核聚变技术研究付出的艰辛，形成能源来之不易且储量有限的态度，树立保护环境、节约能源的责任感。
二.教材分析
1.章节地位：本节选自人教版选择性必修第三册第五章第四节，属于原子物理学的范畴，位于整个高中物理的末尾；本节是对本章前几节所讲到的原子核、核力以及结合能等知识的具体运用。
2.内容组成：本节主要介绍核聚变的定义、核聚变核反应方程式、核聚变相对于核裂变的三大优点、可控核聚变的困难、实现可控核聚变的两种约束原理。
3.内容特点：本节内容主要探讨微观世界、原子核层面的相互作用，不容易开展课堂实验，因此具有很强的抽象性；本节内容包含当今科技前沿未能解决的问题，是新闻的热点话题，与社会生活热点紧密联系，具有很强的时效性和应用性。
三.学情分析
1.学生已有认知基础及优势：
（1）学生已具备原子核、结合能以及质能方程的基本知识，这是理解核聚变释放能量的基础；学生已经学习洛伦兹力，能够理解磁约束的物理原理；学生有微观粒子温度与动能关系和库仑斥力的知识，能够理解可控核聚变的困难。
（2）本节内容具有很强的科普性，是科技前沿热门话题，是当下国内外攻坚以及新闻的焦点，学生容易产生较大的兴趣。
2.学生存在的认知障碍及劣势：本内容研究的是10-15m尺度的微观世界，学生不能对其发生机制产生直观生动的印象，会觉得知识过于抽象晦涩。
四.教学重难点
1.教学重点：核聚变反应的特点、核聚变反应的优点及困难
2.教学难点：核聚变反应的条件、通过质能方程计算核反应释放的能量
五.教学方法
1.教法：讲授法、演示法
2.学法：讨论法
六.教学策略及创新点
1.从生活走向物理，从物理走向社会：教师用电影《太阳浩劫》片段引入课题，激发学生学习兴趣，学生学习完基本知识后，教师又引导学生将物理知识与当今社会焦点话题—中国新一代“人造太阳”联系起来，激发学生的民族自豪感。
2.引入科技前沿话题，激发学生学习兴趣：托卡马克装置、我国新一代人造太阳—环流器二号于2020年底在成都建成并成功放电。
七.教学资源
黑板、多媒体、电影《太阳浩劫》片段
八. 教学过程
教学环节 | 教师活动 | 学生活动 | 设计意图 |
一.观看电影片段，导入新课（5min） | 1.播放电影《太阳浩劫》片段； 教师介绍太阳发出的能量仅有20亿分之一能够到达地球，却造就了亿万生命。 2.提出问题：太阳的如此巨大的能量从何而来？并倡导学生认真听课，在接下来的课程中寻找这个问题的答案。 | 认真观看电影片段，聆听老师的问题，准备在接下来的课中寻找答案。 | 通过震撼的电影片段让学生感受太阳能量之巨大，进而激发学生寻找问题答案的兴趣 |
二.新课讲解（一）：核聚变基本原理（15min） | 1.聚变反应概念及特点： 教师请同学们自行阅读教材第一段，回答核聚变的概念、原料及产物。
教师归纳总结，写出核反应方程式： 结合PPT上呈现的GIF动图向学生讲解核聚变就是两个轻核结合成质量较大的核。 | 学生自行阅读教材相应内容并举手回答。
学生认真听讲，观看动图当中微观角度下氘氚聚变的过程
| 学生对电影片段、教材信息、GIF图片信息进行分析总和，培养其科学思维。
GIF动图也能让微观抽象的过程变得直观生动。 |
优点一：轻核聚变产能效率高。教师用PPT呈现原子弹（核裂变）与氢弹（核聚变）爆炸产生的蘑菇云，让学生对比其大小。 教师点出从图片当中同学们可以直观看出氢弹威力要比原子弹大得多，但是眼见不一定为实。接着让同学们根据爱因斯坦质能方程计算一个氘原子核聚变释放的能量，并与核裂变相比较。 优点二：地球上核聚变原料氘和氚储量丰富。 教师讲解，1L海水蕴含的氘发生聚变释放的能量相当于300L汽油燃烧释放的能量。 优点三：轻核聚变更为安全、清洁。 教师写出核裂变反应式： 要求学生回忆之前学过的核裂变知识，思考其产物特点。 教师归纳：核裂变产物具有放射性，危险且难以处理，而聚变反应产物氦是惰性气体，更加安全。 | 观看PPT上的图片，认真对比。仔细计算聚变反应释放能量，得出结论。
学生认真听讲
学生思考裂变反应的产物具有放射性。 | 学生通过亲手计算，掌握通过质能方程计算核反应释放的能量的方法，达成教学目标，完成难点教学。
完成教学重点：聚变反应三大优点的教学。 | |
三.新课讲解（二）：可控核聚变的条件、困难以及两种方案。（20min） | 1.可控核聚变条件及困难 教师提问：当今核电站当中用于核力发电的是重核裂变，既然核聚变相比于核裂变有那么多优点，为什么我们不用核聚变来发电呢？ 教师指令：请同学们阅读教材“思考与讨论”部分课文，与小组成员讨论核聚变反应的条件以及实现可控核聚变发电的困难。 教师归纳：核聚变要发生，必须使得两个原子核克服极大的库仑斥力“撞”在一起，而这需要核子具有极大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度，而地球上没有任何容器可以承受如此高的温度。
| 学生仔细阅读课文，与组员展开讨论。
讨论结束后小组派代表发言。 | 以生为本，用讨论法提高学生参与度，让学生在讨论中获得答案与分析综合信息的思维能力。
完成教学重点：核聚变条件及困难的教学 |
2.实现可控核聚变的两种方案 教师引导：要让核聚变发生，就要让两个核子靠的足够近，太阳内部的核聚变就靠太阳巨大的引力。 提出问题：地球上无法提供如此大的引力，我们应该这么做呢？提示，氘氚都带点，我们是否可以通过洛伦兹力对其进行约束呢？ 教师归纳：实现可控核聚变的两种方案： ①磁约束：通过对在磁场中运动的带电粒子所受的洛伦兹力对其进行约束，使其不与容器壁接触。 ②惯性约束：通过高能量密度射线照射反应物使它们“挤”在一起发生反应。 | 同学们思考教师提出的问题，阅读教材寻找答案。 | 引起认知冲突，促使学生思考地球上实现可控核聚变的方案。 | |
教师介绍我国合肥EAST全超导托卡马克连续放电超100s，打破世界记录；新一代中国环流器二号M于2020年底在成都建成并成功放电。 | 学生听讲，感受我国在可控核聚变领域的光辉成就。 | 激发学生的爱国热情和献身科学的激情。 | |
四.课堂小结（5min） | 本节主要研究了核聚变反应的特点和条件，聚变反应相比于裂变反应有很多优点，但是它发生的条件需要极高的温度。我们可以通过磁约束和惯性约束来达到这个目的。要真正用核聚变发电还有很长一条路要走，同学们要好好学习科学知识，老师希望未来有一天能在核聚变领域看到同学们的身影哦！ | 回顾课程内容 | 总结梳理，加深学生印象。 |
九. 板书设计
核聚变
① 产能效率高，比核裂变反应中平均每个核子放出的能量大3—4倍。 ② 地球上核聚变原料氘和氚储量丰富。 ③ 轻核聚变更为安全、清洁。
① 磁约束：托卡马克装置 ② 惯性约束 |
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