人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：第3節(jié) 核力與結(jié)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(jié)合能核心素養(yǎng)物理觀念科學(xué)思維1.了解四種基本相互作用，知道核力的特點。2.了解結(jié)合能和比結(jié)合能。3.知道質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程。4.會用質(zhì)能方程計算核能。1.體會不同的力分別在不同的尺度上發(fā)揮作用。2.體會用比結(jié)合能表示原子核中核子的牢固程度。知識點一核力與四種基本相互作用〖觀圖助學(xué)〗如圖原子核直徑的數(shù)量級只有10－15m。在這么小的空間里帶正電的質(zhì)子之間的庫侖斥力是很大的，萬有引力太小，只有庫侖力的eq\f(1,1035)。原子核中的質(zhì)子要靠自身的萬有引力來抗衡相互間的庫侖斥力是不可能的。是什么力把帶正電的質(zhì)子緊緊地束縛在一起而不飛散開呢？1.17世紀(jì)下半葉，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力，引力是自然界的一種基本相互作用。2.19世紀(jì)后，人們認(rèn)識到電荷間的相互作用，磁體間的相互作用，從本質(zhì)上說是同一種相互作用的不同表現(xiàn)，稱為電磁相互作用。3.核力(1)定義：原子核內(nèi)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(xiàn)，在原子核內(nèi)，核力比庫侖力大得多。②核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15__m之內(nèi)。4.四種基本相互作用〖思考判斷〗(1)原子核中的質(zhì)子是靠自身的萬有引力聚在一起的。(×)(2)核力是強相互作用力，在原子核的尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多。(√)(3)弱相互作用的力程比強力更短。(√)知識點二結(jié)合能和質(zhì)量虧損1.結(jié)合能和比結(jié)合能(1)結(jié)合能：原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能。(2)比結(jié)合能(平均結(jié)合能)：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比稱為比結(jié)合能。比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，中等大小的核的比結(jié)合能最大、最穩(wěn)定。2.質(zhì)量虧損(1)愛因斯坦質(zhì)能方程E＝mc2。(2)質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和的現(xiàn)象。(3)核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)的質(zhì)量虧損Δm，與它們在互相結(jié)合過程中放出的能量ΔE的關(guān)系是ΔE＝Δm·c2。3.比結(jié)合能應(yīng)用前景(1)中等大小的核的比結(jié)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(jié)合能?！妓伎寂袛唷?1)組成原子核的核子越多，它的結(jié)合能就越高。(√)(2)結(jié)合能越大，核子結(jié)合得越牢固，原子越穩(wěn)定。(×)(3)質(zhì)量虧損表明，的確存在著原子核的結(jié)合能。(√)萬有引力把行星、恒星聚集在一起，形成各級天體系統(tǒng)。電磁力作用在原子核外，它使電子不脫離原子核而形成原子，或使原子結(jié)合成分子，或使分子結(jié)合成液體或固體。核力與核子是否帶電無關(guān)，質(zhì)子與質(zhì)子之間、質(zhì)子與中子之間、中子與中子之間都可以有核力作用。弱相互作用是引起原子核β衰變的原因。比結(jié)合能相對結(jié)合能更有意義，它反映了原子核結(jié)合的穩(wěn)定程度或分裂的難易程度。核子數(shù)較大或較小以鐵原子核的核子數(shù)為界，原子序數(shù)在鐵原子序數(shù)之前的原子核屬于輕核，在鐵原子序數(shù)之后的原子核屬于重核。質(zhì)子與中子結(jié)合成氘核前后總質(zhì)量的差異核反應(yīng)方程：eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ中子的質(zhì)量為1.6749×10－27kg質(zhì)子的質(zhì)量為1.6726×10－27kg中子和質(zhì)子的質(zhì)量和為3.3475×10－27kg氘核的質(zhì)量為3.3436×10－27kg質(zhì)量差為0.0039×10－27kg，說明核反應(yīng)前后質(zhì)量并不相等。核心要點核力與四種基本相互作用〖問題探究〗如圖為eq\o\al(3,1)H和eq\o\al(3,2)He的原子核結(jié)構(gòu)示意圖。(1)質(zhì)子都帶正電，質(zhì)子與質(zhì)子之間存在著庫侖斥力，為什么eq\o\al(3,2)He還能穩(wěn)定地存在？(2)自然界中存在的元素是有限的，為什么質(zhì)子與中子不能隨意地組合從而形成無數(shù)不同的原子核？〖提*示〗(1)核子之間還存在著核力作用。(2)當(dāng)核子增多時，原子核增大，核子間的距離也增大，當(dāng)距離較大時，一些核子間可能就沒有核力的作用了，這樣形成的核不穩(wěn)定，最終會瓦解。因此質(zhì)子與中子不能隨意地組合形成無數(shù)不同的原子核。〖探究歸納〗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(nèi)，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(lǐng)風(fēng)騷”，引力使行星繞著恒星轉(zhuǎn)，并且聯(lián)系著星系網(wǎng)，決定著宇宙的現(xiàn)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(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液體和固體。(3)強力：即強相互作用，在原子核內(nèi)，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(zhì)子轉(zhuǎn)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?！荚囶}案例〗〖例1〗(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(xiàn)，是強力C.核子之間的距離小于0.8×10－15m時，核力表現(xiàn)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〖解析〗核力是強相互作用的一種表現(xiàn)，它的作用范圍在1.5×10－15m之內(nèi)，核力比庫侖力大得多，因此，選項B正確，A錯誤；核力在大于0.8×10－15m時表現(xiàn)為吸引力。且隨距離增大而減??；在距離小于0.8×10－15m時，核力表現(xiàn)為斥力，因此核子不會融合在一起，所以選項C正確；人們對核力的了解還不是很清楚，這是科學(xué)家們奮力攻克的堡壘，故選項D錯誤?！即鸢浮紹C特別〖提*示〗(1)因為核子間存在核力，所以原子核內(nèi)蘊藏著巨大的能量。(2)在原子核內(nèi)，除核力外還存在一種弱力，弱力是引起原子核發(fā)生β衰變的原因，即引起中子—質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。弱力也是短程力，其作用距離比強力更短，為10－18m，作用強度比電磁力小。〖針對訓(xùn)練1〗氦原子核由兩個質(zhì)子與兩個中子組成，這兩個質(zhì)子之間存在著萬有引力、庫侖力和核力，則3種力從大到小的排列順序是()A.核力、萬有引力、庫侖力 B.萬有引力、庫侖力、核力C.庫侖力、核力、萬有引力 D.核力、庫侖力、萬有引力〖解析〗核子間的核力最大，萬有引力最小，D項正確?！即鸢浮紻核心要點結(jié)合能與原子核的穩(wěn)定性〖問題探究〗設(shè)有一個質(zhì)子和一個中子在核力作用下靠近碰撞并結(jié)合成一個氘核。質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核的過程中是釋放能量還是吸收能量？使氘核分解為質(zhì)子和中子的過程中呢？〖提*示〗質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核的過程中要釋放能量；氘核分解成質(zhì)子和中子時要吸收能量。〖探究歸納〗1.中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能最大，輕核和重核的比結(jié)合能都比中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能要小。2.比結(jié)合能曲線：不同原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化圖線如圖所示。3.比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定的關(guān)系(1)比結(jié)合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度，比結(jié)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(shù)較小的輕核與核子數(shù)較大的重核，比結(jié)合能都比較小，表示原子核不太穩(wěn)定；中等核子數(shù)的原子核，比結(jié)合能較大，表示原子核較穩(wěn)定。(3)當(dāng)比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成比結(jié)合能較大的原子核時，就能釋放核能。例如，一個核子數(shù)較大的重核分裂成兩個核子數(shù)小一些的核，或者兩個核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能?！荚囶}案例〗〖例2〗下列關(guān)于結(jié)合能和比結(jié)合能的說法正確的是()A.核子結(jié)合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結(jié)合能B.比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，因此它的結(jié)合能也一定越大C.重核與中等質(zhì)量的原子核相比較，重核的結(jié)合能和比結(jié)合能都大D.中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能均比輕核的要大〖解析〗核子結(jié)合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，選項A錯誤；比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但比結(jié)合能越大的原子核，其結(jié)合能不一定大，例如中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比重核大，但由于核子數(shù)比重核少，其結(jié)合能比重核小，選項B、C錯誤；中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比輕核的大，它的核子數(shù)又比輕核多，因此它的結(jié)合能也比輕核大，選項D正確?！即鸢浮紻〖針對訓(xùn)練2〗如圖所示是原子核的平均核子質(zhì)量A與原子序數(shù)Z的關(guān)系圖像，下列說法正確的是()A.若D、E能結(jié)合成F，結(jié)合過程一定要釋放能量B.若D、E能結(jié)合成F，結(jié)合過程一定要吸收能量C.若C、B能結(jié)合成A，結(jié)合過程一定要釋放能量D.若F、C能結(jié)合成B，結(jié)合過程一定要釋放能量〖解析〗D、E平均核子質(zhì)量大于F平均核子質(zhì)量，D、E結(jié)合成F，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，要釋放能量，A正確，B錯誤；C、B結(jié)合成A，F(xiàn)、C結(jié)合成B都是質(zhì)量增加，結(jié)合過程要吸收能量，C、D錯誤?！即鸢浮紸核心要點質(zhì)量虧損和核能的計算〖觀察探究〗如圖所示是原子核轉(zhuǎn)變示意圖。(1)在核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)、核電荷數(shù)是否守恒？(2)在核反應(yīng)過程中會釋放出能量，反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量是否會發(fā)生變化？〖提*示〗(1)在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)、核電荷數(shù)是守恒的。(2)會發(fā)生變化，是減少的?！继骄繗w納〗1.質(zhì)量虧損：所謂質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，減少的質(zhì)量在核子結(jié)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(zhì)量要增加，總能量也要增加，增加的能量要由外部提供。2.質(zhì)能方程E＝mc2(1)質(zhì)能方程說明一定的質(zhì)量總是跟一定的能量相聯(lián)系。具體地說，一定質(zhì)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(jù)質(zhì)能方程，物體的總能量與其質(zhì)量成正比。物體質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；物體質(zhì)量減少，總能量也隨之減少，這時質(zhì)能方程也寫成ΔE＝Δmc2。3.質(zhì)能方程的本質(zhì)(1)質(zhì)量或能量是物質(zhì)的屬性之一，決不能把物質(zhì)和它們的某一屬性(質(zhì)量和能量)等同起來。(2)質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量和能量的不可分割性，方程建立了這兩個屬性在數(shù)值上的關(guān)系，這兩個量分別遵從質(zhì)量守恒和能量守恒，質(zhì)量和能量在數(shù)值上的聯(lián)系決不等同于這兩個量可以相互轉(zhuǎn)化。(3)質(zhì)量虧損不是否定了質(zhì)量守恒定律。根據(jù)愛因斯坦的相對論，輻射出的γ光子靜質(zhì)量雖然為零，但它有動質(zhì)量，而且這個動質(zhì)量剛好等于虧損的質(zhì)量，所以質(zhì)量守恒、能量守恒仍成立。4.判斷核反應(yīng)過程是釋放能量還是吸收能量的方法(1)根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量的變化情況進行判斷，若質(zhì)量減少即發(fā)生了質(zhì)量虧損，則釋放能量；若質(zhì)量增加，則吸收能量。(2)根據(jù)動能變化判斷，若不吸收光子而動能增加則放出能量?！荚囶}案例〗〖例3〗(多選)一個鈹原子核(eq\o\al(7,4)Be)俘獲一個核外電子(通常是最靠近原子核的K層的電子)后發(fā)生衰變，生成一個鋰核(eq\o\al(7,3)Li)，并放出一個不帶電的質(zhì)量接近零的中微子νe，人們把這種衰變稱為“K俘獲”，靜止的鈹核發(fā)生了“K俘獲”，其核反應(yīng)方程為eq\o\al(7,4)Be＋0－1e→eq\o\al(7,3)Li＋νe。已知鈹原子的質(zhì)量為MBe＝7.016929u，鋰原子的質(zhì)量為MLi＝7.016004u，1u相當(dāng)于931MeV，下列說法正確的是()A.中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均為零B.鋰核(eq\o\al(7,3)Li)獲得的動能為0.86MeVC.中微子與鋰核(eq\o\al(7,3)Li)的動量之和等于反應(yīng)前電子的動量D.中微子與鋰核(eq\o\al(7,3)Li)的能量之和等于反應(yīng)前電子的能量〖解析〗中微子是不帶電的，且質(zhì)量接近于零，根據(jù)質(zhì)量數(shù)的確定法，可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均為零，選項A正確；Li核獲得的動能約為由于核衰變時的質(zhì)量虧損放出的能量E＝Δmc2＝9.31×102(MBe＋Me－MLi)>0.86MeV，選項B錯誤；根據(jù)動量守恒定律可知中微子與鋰核(eq\o\al(7,3)Li)的動量之和等于反應(yīng)前電子的動量，但能量不等，選項C正確，D錯誤?！即鸢浮紸C方法凝煉核能的計算方法(1)根據(jù)質(zhì)量虧損計算①根據(jù)核反應(yīng)方程，計算核反應(yīng)前、后的質(zhì)量虧損Δm。②根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2計算核能。其中Δm的單位是千克，ΔE的單位是焦耳。(2)利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計算根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5MeV的能量，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV。其中Δm的單位是u，ΔE的單位是MeV?！坚槍τ?xùn)練3〗(多選)關(guān)于原子核的結(jié)合能，下列說法正確的是()A.原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B.一重原子核衰變成α粒子和另一原子核，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能C.銫原子核(eq\o\al(133,55)Cs)的結(jié)合能小于鉛原子核(eq\o\al(208,82)Pb)的結(jié)合能D.比結(jié)合能越大，原子核越不穩(wěn)定〖解析〗結(jié)合能是把核子分開所需的最小能量，選項A正確；一重原子核衰變成α粒子和另一原子核，存在質(zhì)量虧損，核子平均結(jié)合能增大，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能，選項B正確；核子數(shù)越多，結(jié)合能越大，選項C正確；平均結(jié)合能越大，分開核子所需的能量越大，原子核越穩(wěn)定，選項D錯誤。〖答案〗ABC1.(對四種基本相互作用的理解)(多選)科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自然界存在四種相互作用，下列說法中，哪些是符合科學(xué)家的認(rèn)識的()A.彈力應(yīng)該歸結(jié)為電磁力B.原子核內(nèi)所有核子之間都存在核力的作用C.摩擦力是電磁力的一種表現(xiàn)形式D.電磁力是比萬有引力更強的相互作用〖解析〗電磁力是兩個帶電粒子或物體之間的相互作用力，力學(xué)中的彈力、摩擦力、浮力都屬于電磁力，故A、C正確；核力是短程力，核力只存在于同一個原子核內(nèi)的相鄰的核子之間，故B錯誤；電磁力是比萬有引力更強的相互作用，故D正確。〖答案〗ACD2.(對核力的理解)(多選)核力具有下列哪些性質(zhì)()A.核力是短程力，作用范圍很小，只在相鄰核子間發(fā)生B.核力是一種引力，核力把核子緊緊束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核C.質(zhì)子間、中子間、質(zhì)子和中子之間都有核力D.核力是一種強相互作用力，在其作用范圍內(nèi)，核力比庫侖力大得多〖解析〗核力作用的范圍在1.5×10－15m之內(nèi)，只在相鄰核子間發(fā)生，是短程力，選項A正確；核力既能表現(xiàn)為引力，又能表現(xiàn)為斥力，選項B錯誤；核力是質(zhì)子、中子之間的強相互作用力，在其作用范圍內(nèi)，比庫侖力大得多，選項C、D正確?！即鸢浮紸CD3.(對結(jié)合能和比結(jié)合能的理解)(多選)關(guān)于原子核的結(jié)合能與比結(jié)合能，下列說法中正確的是()A.原子核的結(jié)合能等于核子與核子之間結(jié)合成原子核時，核力做的功B.原子核的結(jié)合能等于核子從原子核中分離，外力克服核力做的功C.比結(jié)合能是核子與核子結(jié)合成原子核時平均每個核子放出的能量D.不同原子核的比結(jié)合能不同，重核的比結(jié)合能比輕核的比結(jié)合能大〖解析〗原子核中，核子與核子之間存在核力，要將核子從原子核中分離，需要外力克服核力