羅世洪

重慶市銅梁中學校，重慶 402560

高中物理是自然科學領域的一門基礎課。它旨在落實立德樹人根本任務，引導學生踏著科學家的足跡，歷經科學探究，養(yǎng)成科學思維，幫助學生從物理學角度認識自然、理解自然，從特殊到一般、從具體到抽象地認知規(guī)律，形成物理概念，得出定性、定量的定理或定律，運用于生產生活中，解釋現(xiàn)象，解決問題，增強創(chuàng)新意識和實踐能力?？茖W家的事跡培養(yǎng)堅韌不拔的毅力，激勵永不言敗的斗志，厚植愛國愛家的情懷；物理概念和規(guī)律的形成，是唯物辯證法的具體體現(xiàn)。我們每位物理教師在教學過程中，通過顯性或隱性的方式，恰當?shù)厝谌胨颊兀寣W生形成正確的三觀，為社會培養(yǎng)出“五美”公民。

本文以人教版《普通高中課程標準實驗教科書·物理》選修3-5第十九章《原子核》第6節(jié)“核裂變”為例，設置任務，在學習鈾核的裂變及核電站等物理知識，探尋知識結論的過程中，融入思政內容，摸索高中物理課程思政的教學。

引入：我們生活中離不開能量，下面先請觀看“核武器爆炸”視頻。核爆炸產生的能量是巨大的，能否利用此能量為我們服務？

【任務一】了解核能量來源。20世紀30年代改變人類歷史的科學家。

【探尋結論】1938年底，德國物理學家哈恩（O.Hahn）和助手斯特拉斯曼（F.Strassmann），用中子轟擊鈾核的實驗中發(fā)現(xiàn)，生成物中有鋇元素。

【思政概述】科學家在豐富的專業(yè)知識指導下進行實踐，獲得成就。我們每個學生現(xiàn)在應該努力學習科學文化知識，認識世界，開展實踐探究，立志成為有用的人。

【任務二】核裂變定義的“來源”。

【探尋結論】奧地利科學家邁特納（L.Meitner）和弗里施（O.R.Frisch）作出了解釋。弗里施（O.R.Frisch）借用細胞分裂的名詞，將這類核反應定義為核分裂，也稱為核裂變，即重核在中子轟擊下分裂成兩個及兩個以上中等質量核的核反應。

【思政概述】事物是普遍聯(lián)系的，科學家用“類比法”進行了核裂變的定義。

【任務三】鈾235核裂變反應方程。

【探尋結論】鈾235核裂變反應方程：

【分析】如圖1所示，當中子打進鈾核后，就形成處于激發(fā)狀態(tài)的復核鈾236，鈾236的核子由于激烈運動，造成核子間距離增大，核力迅速減小，不能克服核子間的庫侖斥力，使核成為不穩(wěn)定的鈾236核；不穩(wěn)定的鈾236內部質子、中子根據(jù)它們間的核力作用大小，重新組合成新核，生成產物鋇144和氪 89（或氙139和鍶95）兩部分，甚至三部分或四部分產物，還同時產生2個或2個以上的中子。含中間過程的核反應可表示為：

圖1 核裂變示意圖

【注意點1】不穩(wěn)定核鈾236裂變的產物多種多樣，書寫核裂變的反應方程時，應實事求是，而不能想當然地按照核反應過程電荷數(shù)和質量數(shù)守恒，臆造產物。

【注意點2】核裂變過程的質量數(shù)是指核的核子數(shù)，即核中的質子數(shù)和中子數(shù)之和，而核裂變過程有質量虧損，只能用箭頭“→”連接,表示反應進行的方向，不能寫成“=”號。

【注意點3】核裂變方程與核衰變、人工核反應本質上是不同的。

【思政概述1】事物變化過程中遵守自然界的基本定律——“守恒定律”。各種產物的核反應方程均遵守電荷數(shù)和質量數(shù)守恒。

【思政概述2】實事求是，按實際情況書寫核裂變方程。

【任務四】發(fā)現(xiàn)鈾235核分裂為三部分或四部分的我國科學家。

【探尋結論】錢三強與何澤慧。他們發(fā)現(xiàn)了鈾原子核在中子轟擊下發(fā)生的“三分裂”現(xiàn)象；1946年底，何澤慧又發(fā)現(xiàn)了概率更小的“四分裂”現(xiàn)象，震動了國際物理學界，因此被譽為中國的“居里夫人”。

【思政概述1】鈾核分裂為三部分或四部分的概率大約是分裂為兩部分的千分之三。啟發(fā)學生實現(xiàn)人生價值需要正確價值觀的指引，有堅定的理想信念，鼓舞學生樹立遠大理想，路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。

【思政概述2】報效祖國，在個人和社會的統(tǒng)一中實現(xiàn)人生價值。1948年錢三強與何澤慧放棄法國的誘惑，毅然回國。錢三強為中國“原子彈之父”，1964年10月16日我國第一顆原子彈爆炸成功，使祖國更加強大；何澤慧破解了氫彈研制中的數(shù)據(jù)漏洞，避免了氫彈研制走彎路，對中國氫彈研制起到了重要作用。

【任務五】播放視頻，理解鏈式反應。

【探尋結論】如圖2所示，一個中子轟擊鈾核發(fā)生裂變，如果裂變時放出三個次中子，且這三個次中子又能引起三個鈾核發(fā)生裂變，放出九個次級中子，假設這九個次中子再引起九個鈾核發(fā)生裂變。如此由裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續(xù)下去的過程，叫作鏈式反應。

圖2 核裂變示意圖

【思政概述】事物的狀態(tài)有兩種形式，一種是量變，一種是質變，當量變達到一定程度就會發(fā)生質變。

【任務六】鏈式反應的條件。

【探尋結論】一個中子轟擊鈾核發(fā)生裂變，放出2或3個次中子，由于原子核的體積非常小，原子內部的空隙很大，次中子不一定能擊中其他鈾核，鏈式反應不一定能繼續(xù)。只有鈾核數(shù)量要達到一定值，即鈾核的質量或體積要足夠大，裂變產生的中子才有機會轟中其他鈾核，使鏈式反應繼續(xù)。將能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積叫作臨界體積，對應的質量叫作臨界質量。

【思政概述】量變引起質變是需要條件的，即量的積累必須達到一定程度才會引起質變。學習中要堅定堅持，聚沙成塔。

【任務七】如圖3所示，從原子核的比結合能角度理解核裂變過程將釋放能量。

圖3 原子核的比結合能

【探尋結論】從圖3可知，中等質量的核的比結合能最大，平均每個核子的質量虧損最大，故重核（如鈾核）裂變?yōu)橹械荣|量核（如鋇核、氪核等）的過程，有質量虧損，虧損的質量以能量的方式釋放出來，E=mc。核裂變時生成物不同，質量虧損就不同，釋放的能量也有差異。

【求解】（1）一個鈾核裂變，釋放的能量為多少？

Δm=（235.0439 u+1.0087 u）-（140.9139 u+91.8973 u+3×1.0087 u）=0.2153 u

該核反應釋放的能量 ΔE=Δm·c=0.2153×1.66×10kg·（3×10m/s）=3.22×10J

（2）1 kg鈾核235釋放的能量為多少？

（3）設與m的標準煤完全燃燒釋放的化學能相當。

【思政概述】逐步分解，各個擊破。學習知識的過程，循序漸進，水到渠成。

【任務八】鏈式反應的應用之一——制造原子彈。

【探尋結論】閱讀教材84頁“STS原子彈與科學家的責任”。原子彈的結構有“內爆式”和“槍式”，存放時，核燃料的體積小于臨界體積，當要引爆時，利用化學能爆炸的沖擊波將核燃料壓縮到高密度的超臨界狀態(tài)（或兩塊鈾塊形成一塊，使其體積達到臨界體積），同時使中子射入達到臨界體積的鈾塊中，核燃料立刻發(fā)生鏈式反應釋放巨大能量而爆炸。

【思政概述】量變引起質變是需要條件的，我們要恰當去控制、創(chuàng)造條件，使量的積累達到一定程度引起質變。

【任務九】鏈式反應的應用之二——建造核電站。

【探尋結論】閱讀教材85頁，學生交流探討：核電站的核心設施是什么？（核反應堆）；用什么方法減小中子的速度？（用石墨、重水、輕水等慢化劑與“快中子”碰撞）；在核反應堆中插進鎘棒的作用是什么？（調節(jié)中子數(shù)目達到控制鏈式反應的速度）；核電站是怎樣利用核反應堆釋放的能量發(fā)電的？（用水或液態(tài)的金屬等流體在反應堆內變成蒸氣，在反應堆外推動蒸汽機發(fā)電，而使流體冷卻，流體循環(huán)流動，把反應堆能量傳輸出去，也冷卻了反應堆）；建造核電站時特別需要注意些什么？（防止射線對環(huán)境的污染、對人體的傷害，廢料也要裝入特制容器深埋地下）。

【思政概述】我國的核電技術已經成熟，截至2020年，每年發(fā)電量約為全國累計發(fā)電量的5%。

通過“任務”進行“模型建構”，通過“科學推理”尋找“證據(jù)”，通過“科學論證”進行合理“解釋”，通過“質疑創(chuàng)新”相互“交流”從而形成“重核裂變”“鏈式反應”“臨界體積”等“物理觀念”，通過顯性或隱性方式介紹了科學家持之以恒、堅持不懈地為理想而奮斗，淡泊名利，熱衷事業(yè)，報效祖國，形成“科學態(tài)度與責任”。通過概念、規(guī)律本身和發(fā)現(xiàn)過程所融入的思政元素，形成“實事求是”“量變引起質變有條件”等認識自然的科學觀點；通過學生的實踐活動，合作探究，培養(yǎng)學生善于解決問題的能力，開拓創(chuàng)新精神，讓學生“敢闖會創(chuàng)”。“核裂變”各知識點中列出的思政內容，以及其他物理知識教學中的思政元素，可根據(jù)具體情況，選擇融入思政元素，融入人文和情感因素，讓知識的傳授更有溫度?！拔锢碚n程思政”的實施在探索中前進，永遠在路上。