高中物理課程思政的教學(xué)實(shí)踐探究
——以“核裂變”為例

羅世洪

重慶市銅梁中學(xué)校，重慶 402560

高中物理是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門(mén)基礎(chǔ)課。它旨在落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生踏著科學(xué)家的足跡，歷經(jīng)科學(xué)探究，養(yǎng)成科學(xué)思維，幫助學(xué)生從物理學(xué)角度認(rèn)識(shí)自然、理解自然，從特殊到一般、從具體到抽象地認(rèn)知規(guī)律，形成物理概念，得出定性、定量的定理或定律，運(yùn)用于生產(chǎn)生活中，解釋現(xiàn)象，解決問(wèn)題，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。科學(xué)家的事跡培養(yǎng)堅(jiān)韌不拔的毅力，激勵(lì)永不言敗的斗志，厚植愛(ài)國(guó)愛(ài)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(xué)過(guò)程中，通過(guò)顯性或隱性的方式，恰當(dāng)?shù)厝谌胨颊?，讓學(xué)生形成正確的三觀，為社會(huì)培養(yǎng)出“五美”公民。

本文以人教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·物理》選修3-5第十九章《原子核》第6節(jié)“核裂變”為例，設(shè)置任務(wù)，在學(xué)習(xí)鈾核的裂變及核電站等物理知識(shí)，探尋知識(shí)結(jié)論的過(guò)程中，融入思政內(nèi)容，摸索高中物理課程思政的教學(xué)。

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

【任務(wù)一】了解核能量來(lái)源。20世紀(jì)30年代改變?nèi)祟?lèi)歷史的科學(xué)家。

【探尋結(jié)論】1938年底，德國(guó)物理學(xué)家哈恩（O.Hahn）和助手斯特拉斯曼（F.Strassmann），用中子轟擊鈾核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生成物中有鋇元素。

【思政概述】科學(xué)家在豐富的專(zhuān)業(yè)知識(shí)指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)踐，獲得成就。我們每個(gè)學(xué)生現(xiàn)在應(yīng)該努力學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)，認(rèn)識(shí)世界，開(kāi)展實(shí)踐探究，立志成為有用的人。

【任務(wù)二】核裂變定義的“來(lái)源”。

【探尋結(jié)論】奧地利科學(xué)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(xì)胞分裂的名詞，將這類(lèi)核反應(yīng)定義為核分裂，也稱(chēng)為核裂變，即重核在中子轟擊下分裂成兩個(gè)及兩個(gè)以上中等質(zhì)量核的核反應(yīng)。

【思政概述】事物是普遍聯(lián)系的，科學(xué)家用“類(lèi)比法”進(jìn)行了核裂變的定義。

【任務(wù)三】鈾235核裂變反應(yīng)方程。

【探尋結(jié)論】鈾235核裂變反應(yīng)方程：

【分析】如圖1所示，當(dāng)中子打進(jìn)鈾核后，就形成處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核鈾236，鈾236的核子由于激烈運(yùn)動(dòng)，造成核子間距離增大，核力迅速減小，不能克服核子間的庫(kù)侖斥力，使核成為不穩(wěn)定的鈾236核；不穩(wěn)定的鈾236內(nèi)部質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)物，還同時(shí)產(chǎn)生2個(gè)或2個(gè)以上的中子。含中間過(guò)程的核反應(yīng)可表示為：

圖1 核裂變示意圖

【注意點(diǎn)1】不穩(wěn)定核鈾236裂變的產(chǎn)物多種多樣，書(shū)寫(xiě)核裂變的反應(yīng)方程時(shí)，應(yīng)實(shí)事求是，而不能想當(dāng)然地按照核反應(yīng)過(guò)程電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，臆造產(chǎn)物。

【注意點(diǎn)2】核裂變過(guò)程的質(zhì)量數(shù)是指核的核子數(shù)，即核中的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和，而核裂變過(guò)程有質(zhì)量虧損，只能用箭頭“→”連接,表示反應(yīng)進(jìn)行的方向，不能寫(xiě)成“=”號(hào)。

【注意點(diǎn)3】核裂變方程與核衰變、人工核反應(yīng)本質(zhì)上是不同的。

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

【思政概述2】實(shí)事求是，按實(shí)際情況書(shū)寫(xiě)核裂變方程。

【任務(wù)四】發(fā)現(xiàn)鈾235核分裂為三部分或四部分的我國(guó)科學(xué)家。

【探尋結(jié)論】錢(qián)三強(qiáng)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(dòng)了國(guó)際物理學(xué)界，因此被譽(yù)為中國(guó)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(xué)生實(shí)現(xiàn)人生價(jià)值需要正確價(jià)值觀的指引，有堅(jiān)定的理想信念，鼓舞學(xué)生樹(shù)立遠(yuǎn)大理想，路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。

【思政概述2】報(bào)效祖國(guó)，在個(gè)人和社會(huì)的統(tǒng)一中實(shí)現(xiàn)人生價(jià)值。1948年錢(qián)三強(qiáng)與何澤慧放棄法國(guó)的誘惑，毅然回國(guó)。錢(qián)三強(qiáng)為中國(guó)“原子彈之父”，1964年10月16日我國(guó)第一顆原子彈爆炸成功，使祖國(guó)更加強(qiáng)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(duì)中國(guó)氫彈研制起到了重要作用。

【任務(wù)五】播放視頻，理解鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

【探尋結(jié)論】如圖2所示，一個(gè)中子轟擊鈾核發(fā)生裂變，如果裂變時(shí)放出三個(gè)次中子，且這三個(gè)次中子又能引起三個(gè)鈾核發(fā)生裂變，放出九個(gè)次級(jí)中子，假設(shè)這九個(gè)次中子再引起九個(gè)鈾核發(fā)生裂變。如此由裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程，叫作鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

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(zhì)變，當(dāng)量變達(dá)到一定程度就會(huì)發(fā)生質(zhì)變。

【任務(wù)六】鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件。

【探尋結(jié)論】一個(gè)中子轟擊鈾核發(fā)生裂變，放出2或3個(gè)次中子，由于原子核的體積非常小，原子內(nèi)部的空隙很大，次中子不一定能擊中其他鈾核，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不一定能繼續(xù)。只有鈾核數(shù)量要達(dá)到一定值，即鈾核的質(zhì)量或體積要足夠大，裂變產(chǎn)生的中子才有機(jī)會(huì)轟中其他鈾核，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)繼續(xù)。將能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫作臨界體積，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。

【思政概述】量變引起質(zhì)變是需要條件的，即量的積累必須達(dá)到一定程度才會(huì)引起質(zhì)變。學(xué)習(xí)中要堅(jiān)定堅(jiān)持，聚沙成塔。

【任務(wù)七】如圖3所示，從原子核的比結(jié)合能角度理解核裂變過(guò)程將釋放能量。

圖3 原子核的比結(jié)合能

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

【求解】（1）一個(gè)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(yīng)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(shè)與m的標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒釋放的化學(xué)能相當(dāng)。

【思政概述】逐步分解，各個(gè)擊破。學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程，循序漸進(jìn)，水到渠成。

【任務(wù)八】鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的應(yīng)用之一——制造原子彈。

【探尋結(jié)論】閱讀教材84頁(yè)“STS原子彈與科學(xué)家的責(zé)任”。原子彈的結(jié)構(gòu)有“內(nèi)爆式”和“槍式”，存放時(shí)，核燃料的體積小于臨界體積，當(dāng)要引爆時(shí)，利用化學(xué)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(dá)到臨界體積），同時(shí)使中子射入達(dá)到臨界體積的鈾塊中，核燃料立刻發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放巨大能量而爆炸。

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

【任務(wù)九】鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的應(yīng)用之二——建造核電站。

【探尋結(jié)論】閱讀教材85頁(yè)，學(xué)生交流探討：核電站的核心設(shè)施是什么？（核反應(yīng)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(yīng)堆中插進(jìn)鎘棒的作用是什么？（調(diào)節(jié)中子數(shù)目達(dá)到控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度）；核電站是怎樣利用核反應(yīng)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(yīng)堆內(nèi)變成蒸氣，在反應(yīng)堆外推動(dòng)蒸汽機(jī)發(fā)電，而使流體冷卻，流體循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆能量傳輸出去，也冷卻了反應(yīng)堆）；建造核電站時(shí)特別需要注意些什么？（防止射線對(duì)環(huán)境的污染、對(duì)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(guó)的核電技術(shù)已經(jīng)成熟，截至2020年，每年發(fā)電量約為全國(guó)累計(jì)發(fā)電量的5%。

通過(guò)“任務(wù)”進(jìn)行“模型建構(gòu)”，通過(guò)“科學(xué)推理”尋找“證據(jù)”，通過(guò)“科學(xué)論證”進(jìn)行合理“解釋”，通過(guò)“質(zhì)疑創(chuàng)新”相互“交流”從而形成“重核裂變”“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”“臨界體積”等“物理觀念”，通過(guò)顯性或隱性方式介紹了科學(xué)家持之以恒、堅(jiān)持不懈地為理想而奮斗，淡泊名利，熱衷事業(yè)，報(bào)效祖國(guó)，形成“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。通過(guò)概念、規(guī)律本身和發(fā)現(xiàn)過(guò)程所融入的思政元素，形成“實(shí)事求是”“量變引起質(zhì)變有條件”等認(rèn)識(shí)自然的科學(xué)觀點(diǎn)；通過(guò)學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)，合作探究，培養(yǎng)學(xué)生善于解決問(wèn)題的能力，開(kāi)拓創(chuàng)新精神，讓學(xué)生“敢闖會(huì)創(chuàng)”?！昂肆炎儭备髦R(shí)點(diǎn)中列出的思政內(nèi)容，以及其他物理知識(shí)教學(xué)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(shí)的傳授更有溫度。“物理課程思政”的實(shí)施在探索中前進(jìn)，永遠(yuǎn)在路上。