人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學案：5 3 核力與結合能

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1第3節(jié)核力與結合能〖學習目標要求〗1.了解四種基本相互作用，知道核力的特點。2.了解結合能和比結合能。3.知道質量虧損和質能方程。4.會用質能方程計算核能。一、核力與四種基本相互作用1.17世紀下半葉，牛頓發(fā)現了萬有引力，引力是自然界的一種基本相互作用。2.19世紀后，人們認識到電荷間的相互作用、磁體間的相互作用，從本質上說是同一種相互作用的不同表現，這種相互作用稱為電磁相互作用。3.核力(1)定義：原子核內核子之間的相互作用力。(2)核力的特點①核力是強相互作用的一種表現，在原子核的尺度內，核力比庫侖力大得多。②核力是短程力，作用范圍約10－15__m。4.四種基本相互作用二、結合能和質量虧損1.結合能和比結合能(1)結合能：原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開也需要能量，這就是原子核的結合能。(2)比結合能(平均結合能)：原子核的結合能與核子數之比稱為比結合能。比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，中等大小的核的比結合能最大、最穩(wěn)定。2.質量虧損(1)愛因斯坦質能方程E＝mc2。(2)質量虧損：原子核的質量小于組成它的核子的質量之和的現象。(3)核子在結合成原子核時出現的質量虧損Δm，與它們在互相結合過程中放出的能量ΔE的關系是ΔE＝Δmc2。3.比結合能應用前景(1)中等大小的核的比結合能最大，這些核最穩(wěn)定。(2)使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等大小的核，都將釋放新的結合能。〖判一判〗(1)組成原子核的核子越多，它的結合能就越大。(√)(2)結合能越大，核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。(×)(3)質量虧損表明，的確存在著原子核的結合能。(√)探究1核力與四種基本相互作用1.核力原子核里的核子間有一種相互作用，把核子緊緊地束縛在核內，形成穩(wěn)定的原子核，即核力。2.四種基本相互作用在不同尺度上發(fā)揮作用(1)引力相互作用：引力主要在宏觀和宇觀尺度上“獨領風騷”，引力使行星繞著恒星轉，并且聯系著星系網，決定著宇宙的現狀。萬有引力是長程力。(2)電磁相互作用：電磁力在原子核外，電磁力使電子不脫離原子核而形成原子，使原子結合成分子，使分子結合成液體和固體。(3)強力：即強相互作用，在原子核內，強力將核子束縛在一起，強力是短程力。(4)弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰變的原因，即引起中子—質子轉變的原因。弱相互作用也是短程力。其力程比強力更短，為10－18m，作用強度則比電磁力小?！祭?〗(多選)對于核力，以下說法正確的是()A.核力是弱相互作用，作用力很小B.核力是強相互作用的表現，是強力C.核子之間的距離小于0.8×10－15m時，核力表現為斥力，因此核子不會融合在一起D.人們對核力的了解很清楚，特別是在小于0.8×10－15m時核力的變化規(guī)律更清楚〖答案〗BC〖解析〗核力是強相互作用的一種表現，它的作用范圍在1.5×10－15m之內，核力比庫侖力大得多，選項B正確，A錯誤；核力在大于0.8×10－15m時表現為吸引力。且隨距離增大而減?。辉诰嚯x小于0.8×10－15m時，核力表現為斥力，因此核子不會融合在一起，選項C正確；人們對核力的了解還不是很清楚，這是科學家們奮力攻克的堡壘，選項D錯誤。探究2結合能與原子核的穩(wěn)定性1.中等質量原子核的比結合能最大，輕核和重核的比結合能都比中等質量原子核的比結合能要小。2.比結合能曲線：不同原子核的比結合能隨質量數變化圖線如圖所示。3.比結合能與原子核穩(wěn)定的關系(1)比結合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度，比結合能越大，原子核就越難拆開，表示該原子核就越穩(wěn)定。(2)核子數較小的輕核與核子數較大的重核，比結合能都比較小，表示原子核不太穩(wěn)定；中等核子數的原子核，比結合能較大，表示原子核較穩(wěn)定。(3)當比結合能較小的原子核轉化成比結合能較大的原子核時，就能釋放核能。例如，一個核子數較大的重核分裂成兩個核子數小一些的核，或者兩個核子數很小的輕核結合成一個核子數大一些的核，都能釋放出巨大的核能?！祭?〗(2021·湖北荊州市月考)原子核的比結合能如圖所示。下列說法正確的是()A.eq\o\al(6,3)Li核比eq\o\al(4,2)He核更穩(wěn)定B.eq\o\al(144,56)Ba核比eq\o\al(89,36)Kr核核子數多，比結合能大C.eq\o\al(235,92)U核比eq\o\al(144,56)Ba核結合能大，比結合能小D.兩個eq\o\al(2,1)H核結合成eq\o\al(4,2)He核，需要吸收能量〖答案〗C〖解析〗比結合能越大，原子核越穩(wěn)定，eq\o\al(4,2)He核比eq\o\al(6,3)Li核更穩(wěn)定，故選項A錯誤；eq\o\al(144,56)Ba核比eq\o\al(89,36)Kr核核子數多，平均結合能小，故選項B錯誤；eq\o\al(235,92)U核比eq\o\al(144,56)Ba核核子數多，結合能大，比結核能小，故選項C正確；兩個eq\o\al(2,1)H核結合成eq\o\al(4,2)He核，由比結合能小的反應生成比結合能大的，會釋放大量能量，故選項D錯誤?！坚槍τ柧殹疥P于原子核的結合能，下列說法正確的是()A.原子核的比結合能等于將其完全分解成自由核子所需能量的最小值B.原子核衰變成α粒子和另一原子核，并釋放出能量，衰變產物的結合能之和一定小于原來原子核的結合能C.銫原子核(eq\o\al(133,55)Cs)的結合能小于鉛原子核(eq\o\al(208,82)Pb)的結合能D.比結合能越大，原子核越不穩(wěn)定〖答案〗C〖解析〗原子核的結合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，故A錯誤；原子核衰變成α粒子和另一原子核，要釋放能量，衰變產物的結合能之和一定大于原來原子核的結合能，故B錯誤；銫原子核的比結合能與鉛原子核的比結合能差不多，而銫原子核的核子數小于鉛原子核的核子數，故銫原子核的結合能小于鉛原子核的結合能，故C正確；比結合能越大，原子核越穩(wěn)定，故D錯誤。探究3質量虧損和核能的計算1.質量虧損：所謂質量虧損，并不是質量消失，而是減少的質量在核子結合成核的過程中以能量的形式輻射出去了。反過來，把原子核分裂成核子，總質量要增加，總能量也要增加，增加的能量要由外部提供。2.質能方程E＝mc2(1)質能方程說明一定的質量總是跟一定的能量相聯系。具體地說，一定質量的物體所具有的總能量是一定的，E＝mc2，不是單指物體的動能、核能或其他哪一種能量，而是物體所具有的各種能量的總和。(2)根據質能方程，物體的總能量與其質量成正比。物體質量增加，則總能量隨之增加；物體質量減少，總能量也隨之減少，故質能方程也寫成ΔE＝Δmc2。3.判斷核反應過程是釋放能量還是吸收能量的方法(1)根據反應前后質量的變化情況進行判斷，若質量減少即發(fā)生了質量虧損，則釋放能量；若質量增加，則吸收能量。(2)根據動能變化判斷，若不吸收光子而動能增加則放出能量?！祭?〗(多選)(2021·吉林長春市高二期末)關于質能方程，下列說法正確的是()A.有質量虧損的核反應一定是放能反應B.核反應中發(fā)現的“質量虧損”是消失的質量轉變成了能量C.E＝mc2中的E是物體以光速c運動的動能D.由ΔE＝Δmc2，在核反應中，Δm為反應前后原子的靜質量之差〖答案〗AD〖解析〗根據質能方程ΔE＝Δmc2可知，有質量虧損，就是放能反應，故A正確；核反應過程中質量沒有消失，只是以能量的形式體現，故B錯誤；愛因斯坦的質能方程E＝mc2，只是說明物體具有的能量與它的質量之間存在著簡單的正比關系，E并不是物體以光速c運動的動能，故C錯誤；根據質能方程ΔE＝Δmc2可知，在核反應中，Δm為反應前后原子的靜質量之差，故D正確。〖例4〗一個靜止的鈾核eq\o\al(232,92)U(原子質量為232.0372u)放出一個α粒子(原子質量為4.0026u)后衰變成釷核Th(原子質量為228.0287u)。u為原子質量單位，1u相當于931.5MeV的能量。(1)寫出核衰變反應方程式；(2)該反應中的質量虧損；(3)釋放的核能?！即鸢浮?1)eq\o\al(232,92)U→eq\o\al(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)0.0059u(3)5.5MeV〖解析〗(1)根據質量數守恒和電荷數守恒可知核反應方程式為eq\o\al(232,92)U→eq\o\al(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)質量虧損為Δm＝mU－mTh－mα＝(232.0372－228.0287－4.0026)u＝0.0059u(3)由質能方程可知釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝0.0059×931.5MeV＝5.5MeV1.(核力與四種基本相互作用)關于核力的說法正確的是()A.核力同萬有引力沒有區(qū)別，都是物體間的作用B.核力就是電磁力C.核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15m之內D.核力與電荷有關〖答案〗C〖解析〗核力存在于核子之間，核力與萬有引力、電磁力不同，故選項A、B錯誤；核力是短程力，超過1.5×10－15m，核力急劇下降幾乎消失，故選項C正確；核力存在于核子之間，與電荷無關，故選項D錯誤。2.(結合能與質能方程)(多選)如圖是各種元素的原子核中核子的平均質量與原子序數Z的關系圖像，由此可知()A.若原子核D和E結合成原子核F，結合過程一定會釋放能量B.若原子核D和E結合成原子核F，結合過程一定要吸收能量C.若原子核A分裂成原子核B和C，分裂過程一定會釋放能量D.若原子核A分裂成原子核B和C，分裂過程一定要吸收能量〖答案〗AC〖解析〗D和E結合成F，核子平均質量減少，有質量虧損，根據愛因斯坦質能方程可知，有能量釋放，故A正確，B錯誤；若A分裂成B和C，核子平均質量減少，也有質量虧損，根據愛因斯坦質能方程可知，有能量釋放，故C正確，D錯誤。3.(質量虧損和核能)某核反應方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X。已知eq\o\al(2,1)H的質量為2.0136u，eq\o\al(3,1)H的質量為3.0180u，eq\o\al(4,2)He的質量為4.0026u，X的質量為1.0087u。則下列說法正確的是()A.X是質子，該反應釋放能量B.X是中子，該反應釋放能量C.X是