DSE 物理｜核能：核裂变、核融合与辐射备课指引（导师用）

DSE 物理｜核能：核裂变、核融合与辐射备课指引（导师用）｜E=mc²、连锁反应、安全防护

2026-11-01

学生背得出 E=mc²，但一问“能量由哪里来”就答“由原子走出来”。真正的来源是反应后少了那一点点质量。

本堂目标　学生能够：① 描述核裂变连锁反应并指出控制棒与慢化剂的作用；② 用质量亏损 Δm 与 E = mc² 计算释放能量；③ 比较核融合与核裂变，并说出辐射防护三原则。

01　先备知识（开课前 3 分钟快检）

以下任何一项未过关，本堂就会卡住，先补该项：

技能	快检题	过关标准
原子结构	质子、中子、电子	质量几乎全在原子核
能量守恒	能量可转换形式	动能与内能
单位换算	MeV 与 J	1 MeV = 1.6 × 10⁻¹³ J

02　课堂流程（60 分钟）

时间	环节	导师做什么	学生做什么
0–8 分	先备快检	原子核由什么组成	答出质量集中处
8–22 分	核裂变与连锁反应	U-235 吸收慢中子	画出一代分裂
22–38 分	质量亏损与 E=mc²	Δm 换算成能量	算出 3.20e-11 J
38–50 分	核融合与比较	轻核结合、需高温	讲出两个异同
50–56 分	反应堆与防护	控制棒、屏蔽、距离时间	配对三原则
56–60 分	离场检查	三题收回即批	独立完成

03　讲解脚本（照着说就可以）

第一幕：裂变靠中子，靠的是连锁

U-235 吸收一个慢中子后分裂成两块碎片，同时放出 2 至 3 个中子。
新中子再引发下一次分裂，就是连锁反应；只要每次平均多于一个中子被吸收，反应就自我维持。
控制棒（硼、镉）吸收多余中子，慢化剂（水、石墨）把快中子减速，两者作用不要混淆。

要学生讲：抽出控制棒，反应率会升还是跌（升）。

第二幕：能量来自少了的质量

反应前后总质量不相等，差值 Δm 就是质能转换的来源：E = Δm·c²。
一次 U-235 裂变约释放 200 MeV，相当于 Δm ≈ 0.215 u（约 3.56e-28 kg），能量约 3.20e-11 J。
对比烧煤约 2.9 × 10⁷ J/kg，同样能量只需约 0.0 kg 铀燃料的裂变，差几个数量级。

要学生算：Δm = 0.2 u 时释放多少能量（0.2 × 931.5 ≈ 186 MeV）。

第三幕：融合更难，但每公斤更多

氘与氚结合成氦并放出一个中子，需要极高温度令原子核克服静电排斥。
太阳的能量来自融合；融合产物放射性较短寿，但工程上点火极难。
辐射防护三原则：缩短时间、增加距离、加屏蔽（混凝土、铅）。

提醒：“融合没有放射性废料”是错的，只是半衰期短得多。

04　必教题型与步骤

题型	例子	步骤	答案
裂变方程	²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3n	两边质量数与原子序数各自守恒	中子数 3
能量计算	Δm = 0.2 u	E = Δm·c² 或 × 931.5 MeV/u	约 186 MeV
半衰期	放射性废料 4 个半衰期后	每次减半	剩 6.2%
比较题	融合 vs 裂变	燃料、条件、废料三方面	各写一点

合理性检查（一定要教）：方程式左右两边的质量数总和必须相同，原子序数总和亦必须相同；能量值若是 MeV 而质量用 kg，一定要先统一单位，否则答案会差 10¹³ 倍。

05　独立练习三题

题目	答案	想观察什么
一次裂变释放 200 MeV，折合多少焦耳	3.20e-11 J	200 × 10⁶ × 1.6 × 10⁻¹⁹
某核素经 4 个半衰期后剩多少百分比	6.2%	连续除 2 四次
为何反应堆用慢中子	慢中子更易被 U-235 吸收	慢化剂把中子减速

06　学生常见错误与纠正句

错误	学生通常这样写	导师这样说
把控制棒当慢化剂	说控制棒把中子减速	“控制棒系吸中子，慢化剂先系减速，两样东西。”
能量计算漏 c²	用 E = Δm	“E = mc²，漏了 c² 细了 10¹⁷ 倍。”
以为融合零废料	答融合完全无放射性	“融合废料半衰期短，但不系零。”
半衰期当线性	四个半衰期后剩 0%	“每过一个半衰期减一半，永远不会变零。”

07　家课建议（直接指到练习卷题号）

DSE 物理练习卷（核能）　甲部第 7 至 9 题：裂变方程、能量计算、半衰期
中学物理章节索引　全科章节与其他课题

08　离场检查（最后 5 分钟）

题目	答案	判定
200 MeV 折合多少焦耳	3.20e-11 J	三题全对＝可进辐射与社会议题
控制棒的作用	吸收多余中子	错一题＝下堂前重讲反应堆
4 个半衰期后剩多少	6.2%	错两题以上＝回到第二幕

09　导师常问

要背 931.5 MeV/u 吗？

DSE 通常直接给 1 u 对应的能量，记住量级与用法比死背数字重要。

裂变与融合哪个发电更多？

现时商用核电全部是裂变；融合仍在实验阶段。

辐射一定有害吗？

剂量决定风险，背景辐射本身存在，重点是三原则降低剂量。

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