高中物理课程思政的教学实践探究——以“核裂变”为例

罗世洪

重庆市铜梁中学校，重庆 402560

高中物理是自然科学领域的一门基础课。它旨在落实立德树人根本任务，引导学生踏着科学家的足迹，历经科学探究，养成科学思维，帮助学生从物理学角度认识自然、理解自然，从特殊到一般、从具体到抽象地认知规律，形成物理概念，得出定性、定量的定理或定律，运用于生产生活中，解释现象，解决问题，增强创新意识和实践能力。科学家的事迹培养坚韧不拔的毅力，激励永不言败的斗志，厚植爱国爱家的情怀；物理概念和规律的形成，是唯物辩证法的具体体现。我们每位物理教师在教学过程中，通过显性或隐性的方式，恰当地融入思政元素，让学生形成正确的三观，为社会培养出“五美”公民。

本文以人教版《普通高中课程标准实验教科书·物理》选修3-5第十九章《原子核》第6节“核裂变”为例，设置任务，在学习铀核的裂变及核电站等物理知识，探寻知识结论的过程中，融入思政内容，摸索高中物理课程思政的教学。

引入：我们生活中离不开能量，下面先请观看“核武器爆炸”视频。核爆炸产生的能量是巨大的，能否利用此能量为我们服务？

【任务一】了解核能量来源。20世纪30年代改变人类历史的科学家。

【探寻结论】1938年底，德国物理学家哈恩（O.Hahn）和助手斯特拉斯曼（F.Strassmann），用中子轰击铀核的实验中发现，生成物中有钡元素。

【思政概述】科学家在丰富的专业知识指导下进行实践，获得成就。我们每个学生现在应该努力学习科学文化知识，认识世界，开展实践探究，立志成为有用的人。

【任务二】核裂变定义的“来源”。

【探寻结论】奥地利科学家迈特纳（L.Meitner）和弗里施（O.R.Frisch）作出了解释。弗里施（O.R.Frisch）借用细胞分裂的名词，将这类核反应定义为核分裂，也称为核裂变，即重核在中子轰击下分裂成两个及两个以上中等质量核的核反应。

【思政概述】事物是普遍联系的，科学家用“类比法”进行了核裂变的定义。

【任务三】铀235核裂变反应方程。

【探寻结论】铀235核裂变反应方程：

【分析】如图1所示，当中子打进铀核后，就形成处于激发状态的复核铀236，铀236的核子由于激烈运动，造成核子间距离增大，核力迅速减小，不能克服核子间的库仑斥力，使核成为不稳定的铀236核；不稳定的铀236内部质子、中子根据它们间的核力作用大小，重新组合成新核，生成产物钡144和氪 89（或氙139和锶95）两部分，甚至三部分或四部分产物，还同时产生2个或2个以上的中子。含中间过程的核反应可表示为：

图1 核裂变示意图

【注意点1】不稳定核铀236裂变的产物多种多样，书写核裂变的反应方程时，应实事求是，而不能想当然地按照核反应过程电荷数和质量数守恒，臆造产物。

【注意点2】核裂变过程的质量数是指核的核子数，即核中的质子数和中子数之和，而核裂变过程有质量亏损，只能用箭头“→”连接,表示反应进行的方向，不能写成“=”号。

【注意点3】核裂变方程与核衰变、人工核反应本质上是不同的。

【思政概述1】事物变化过程中遵守自然界的基本定律——“守恒定律”。各种产物的核反应方程均遵守电荷数和质量数守恒。

【思政概述2】实事求是，按实际情况书写核裂变方程。

【任务四】发现铀235核分裂为三部分或四部分的我国科学家。

【探寻结论】钱三强与何泽慧。他们发现了铀原子核在中子轰击下发生的“三分裂”现象；1946年底，何泽慧又发现了概率更小的“四分裂”现象，震动了国际物理学界，因此被誉为中国的“居里夫人”。

【思政概述1】铀核分裂为三部分或四部分的概率大约是分裂为两部分的千分之三。启发学生实现人生价值需要正确价值观的指引，有坚定的理想信念，鼓舞学生树立远大理想，路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。

【思政概述2】报效祖国，在个人和社会的统一中实现人生价值。1948年钱三强与何泽慧放弃法国的诱惑，毅然回国。钱三强为中国“原子弹之父”，1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功，使祖国更加强大；何泽慧破解了氢弹研制中的数据漏洞，避免了氢弹研制走弯路，对中国氢弹研制起到了重要作用。

【任务五】播放视频，理解链式反应。

【探寻结论】如图2所示，一个中子轰击铀核发生裂变，如果裂变时放出三个次中子，且这三个次中子又能引起三个铀核发生裂变，放出九个次级中子，假设这九个次中子再引起九个铀核发生裂变。如此由裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作链式反应。

图2 核裂变示意图

【思政概述】事物的状态有两种形式，一种是量变，一种是质变，当量变达到一定程度就会发生质变。

【任务六】链式反应的条件。

【探寻结论】一个中子轰击铀核发生裂变，放出2或3个次中子，由于原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，次中子不一定能击中其他铀核，链式反应不一定能继续。只有铀核数量要达到一定值，即铀核的质量或体积要足够大，裂变产生的中子才有机会轰中其他铀核，使链式反应继续。将能够发生链式反应的最小体积叫作临界体积，对应的质量叫作临界质量。

【思政概述】量变引起质变是需要条件的，即量的积累必须达到一定程度才会引起质变。学习中要坚定坚持，聚沙成塔。

【任务七】如图3所示，从原子核的比结合能角度理解核裂变过程将释放能量。

图3 原子核的比结合能

【探寻结论】从图3可知，中等质量的核的比结合能最大，平均每个核子的质量亏损最大，故重核（如铀核）裂变为中等质量核（如钡核、氪核等）的过程，有质量亏损，亏损的质量以能量的方式释放出来，E=mc。核裂变时生成物不同，质量亏损就不同，释放的能量也有差异。

【求解】（1）一个铀核裂变，释放的能量为多少？

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

该核反应释放的能量 ΔE=Δm·c=0.2153×1.66×10kg·（3×10m/s）=3.22×10J

（2）1 kg铀核235释放的能量为多少？

（3）设与m的标准煤完全燃烧释放的化学能相当。

【思政概述】逐步分解，各个击破。学习知识的过程，循序渐进，水到渠成。

【任务八】链式反应的应用之一——制造原子弹。

【探寻结论】阅读教材84页“STS原子弹与科学家的责任”。原子弹的结构有“内爆式”和“枪式”，存放时，核燃料的体积小于临界体积，当要引爆时，利用化学能爆炸的冲击波将核燃料压缩到高密度的超临界状态（或两块铀块形成一块，使其体积达到临界体积），同时使中子射入达到临界体积的铀块中，核燃料立刻发生链式反应释放巨大能量而爆炸。

【思政概述】量变引起质变是需要条件的，我们要恰当去控制、创造条件，使量的积累达到一定程度引起质变。

【任务九】链式反应的应用之二——建造核电站。

【探寻结论】阅读教材85页，学生交流探讨：核电站的核心设施是什么？（核反应堆）；用什么方法减小中子的速度？（用石墨、重水、轻水等慢化剂与“快中子”碰撞）；在核反应堆中插进镉棒的作用是什么？（调节中子数目达到控制链式反应的速度）；核电站是怎样利用核反应堆释放的能量发电的？（用水或液态的金属等流体在反应堆内变成蒸气，在反应堆外推动蒸汽机发电，而使流体冷却，流体循环流动，把反应堆能量传输出去，也冷却了反应堆）；建造核电站时特别需要注意些什么？（防止射线对环境的污染、对人体的伤害，废料也要装入特制容器深埋地下）。

【思政概述】我国的核电技术已经成熟，截至2020年，每年发电量约为全国累计发电量的5%。

通过“任务”进行“模型建构”，通过“科学推理”寻找“证据”，通过“科学论证”进行合理“解释”，通过“质疑创新”相互“交流”从而形成“重核裂变”“链式反应”“临界体积”等“物理观念”，通过显性或隐性方式介绍了科学家持之以恒、坚持不懈地为理想而奋斗，淡泊名利，热衷事业，报效祖国，形成“科学态度与责任”。通过概念、规律本身和发现过程所融入的思政元素，形成“实事求是”“量变引起质变有条件”等认识自然的科学观点；通过学生的实践活动，合作探究，培养学生善于解决问题的能力，开拓创新精神，让学生“敢闯会创”。“核裂变”各知识点中列出的思政内容，以及其他物理知识教学中的思政元素，可根据具体情况，选择融入思政元素，融入人文和情感因素，让知识的传授更有温度。“物理课程思政”的实施在探索中前进，永远在路上。