高中物理選擇性必修第三冊(cè)配人教版-第五章-3-核力與結(jié)合能

高中同步學(xué)案優(yōu)化設(shè)計(jì)GAOZHONGTONGBUXUEANYOUHUASHEJI3.核力與結(jié)合能第五章2021內(nèi)容索引0102課前篇自主預(yù)習(xí)課堂篇探究學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解四種基本相互作用,知道核力的性質(zhì)。(物理觀念)2.知道原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能的概念。(物理觀念)3.知道什么是質(zhì)量虧損,能應(yīng)用愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程進(jìn)行計(jì)算。(科學(xué)思維)思維導(dǎo)圖課前篇自主預(yù)習(xí)必備知識(shí)一、核力與四種基本相互作用1.核力(1)定義:原子核中的核子之間的相互作用力。(2)作用:使得核子緊密地結(jié)合在一起,形成穩(wěn)定的原子核。2.核力的特點(diǎn)(1)核力是強(qiáng)相互作用,在原子核的尺度內(nèi),核力比庫(kù)侖力大得多。(2)核力是短程力,作用范圍只有約10-15m。3.弱相互作用弱相互作用是引起原子核β衰變的原因。該作用也是短程力,其力程比強(qiáng)相互作用更短,為10-18m。二、結(jié)合能與質(zhì)量虧損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(kāi),也需要能量,這就是原子核的結(jié)合能。2.比結(jié)合能原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比,叫作比結(jié)合能,也叫作平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大,表示原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核越穩(wěn)定。3.質(zhì)能方程物體的能量與它的質(zhì)量的關(guān)系是:E=mc2。4.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。自我檢測(cè)1.正誤判斷,判斷結(jié)果為錯(cuò)誤的小題請(qǐng)說(shuō)明原因。(1)核力是強(qiáng)相互作用,在任何情況下都比庫(kù)侖力大。(

)答案

×解析

核力既是強(qiáng)相互作用,又是短程力,只在10-15

m

范圍內(nèi)產(chǎn)生作用,超過(guò)這個(gè)距離就減為零,而庫(kù)侖力不為零。(2)原子核內(nèi)的質(zhì)子是靠萬(wàn)有引力來(lái)抗衡庫(kù)侖斥力的。(

)答案

×解析

原子核內(nèi)的質(zhì)子是靠核力來(lái)抗衡庫(kù)侖力組成核的。(3)組成原子核的核子越多,它的結(jié)合能就越大。(

)答案

√(4)結(jié)合能越大,核子結(jié)合得越牢固,原子越穩(wěn)定。(

)答案

×解析

比結(jié)合能越大,表明原子核分解為自由核子時(shí)平均每個(gè)核子所需外界提供的能量越多,原子核越穩(wěn)定。(5)自由核子結(jié)合為原子核時(shí),可能吸收能量。(

)答案

×解析

自由核子結(jié)合為原子核時(shí),發(fā)生質(zhì)量虧損,釋放能量。(6)弱相互作用是引起原子核β衰變的原因。(

)答案

√(7)質(zhì)能方程E=mc2表明了質(zhì)量與能量間的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系。(

)答案

√2.質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3,當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核時(shí),釋放的能量是(c表示真空中的光速)(

)A.(m1+m2-m3)c B.(m1-m2-m3)cC.(m1+m2-m3)c2 D.(m1-m2-m3)c2答案

C解析

根據(jù)質(zhì)能方程ΔE=Δmc2知,核反應(yīng)過(guò)程中釋放的能量等于質(zhì)量的減少量與光速c的二次方的乘積,故選項(xiàng)C正確。3.對(duì)核力的認(rèn)識(shí),下列說(shuō)法正確的是(

)A.任何物體之間均存在核力B.核力只存在于質(zhì)子和中子之間C.核力只存在于質(zhì)子之間D.核力發(fā)生在相距10-15m內(nèi)的核子之間答案

D解析

由核力的特點(diǎn)知道,相距10-15

m內(nèi)的核子之間存在核力。故D正確。課堂篇探究學(xué)習(xí)探究一核力與四種基本相互作用情境探究(1)質(zhì)子都帶正電,質(zhì)子與質(zhì)子之間存在著庫(kù)侖斥力,為什么

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(wú)數(shù)不同的原子核?要點(diǎn)提示

(1)核子之間還存在著核力作用。(2)當(dāng)核子增多時(shí),原子核增大,核子間的距離也增大,當(dāng)距離較大時(shí),一些核子間可能就沒(méi)有核力的作用了,這樣形成的核不穩(wěn)定,最終會(huì)瓦解。因此質(zhì)子與中子不能隨意地組合形成無(wú)數(shù)不同的原子核。知識(shí)歸納1.四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:引力主要在宏觀和宏觀尺度上“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”。是引力使行星繞著恒星轉(zhuǎn),并且聯(lián)系著星系團(tuán),決定著宇宙的現(xiàn)狀。萬(wàn)有引力是長(zhǎng)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(qiáng)相互作用:在原子核內(nèi),強(qiáng)相互作用將核子束縛在一起,強(qiáng)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(qiáng)力更短,作用強(qiáng)度則比電磁力小。2.核力的性質(zhì)(1)核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)的一種表現(xiàn)。(2)核力是短程力。約在10-15m的范圍內(nèi)起作用,距離大于10-15m時(shí)為引力,距離小于10-15m時(shí)為斥力。(3)核力具有飽和性。核子只對(duì)相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)生較強(qiáng)的引力,而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用。(4)核力具有電荷無(wú)關(guān)性。核力與核子帶不帶電、帶正電還是帶負(fù)電無(wú)關(guān)。實(shí)例引導(dǎo)例1(多選)下列說(shuō)法正確的是(

)A.核力是短程力,作用范圍很小,只在鄰近核子間發(fā)生B.核力可能是引力,也可能是斥力。核力把核子緊緊束縛在核內(nèi),形成穩(wěn)定的原子核,但又不會(huì)融合在一起C.質(zhì)子間、中子間、質(zhì)子和中子之間都可能有核力D.核力是一種弱相互作用力,在其作用范圍內(nèi),核力比庫(kù)侖力大得多答案

ABC解析

核力作用的范圍在10-15

m區(qū)域內(nèi),只在鄰近核子間發(fā)生,是短程力,A正確;核力可能表現(xiàn)為引力,也可能表現(xiàn)為斥力,B正確;核力是核子之間的強(qiáng)相互作用力,C正確;核力是一種強(qiáng)相互作用力,D錯(cuò)誤。規(guī)律方法

四種基本相互作用比較

變式訓(xùn)練1(多選)對(duì)于核力,以下說(shuō)法正確的是(

)A.核力是弱相互作用力,作用力很小B.核力是強(qiáng)相互作用的表現(xiàn),是強(qiáng)力C.核子之間的距離小于10-15m時(shí),核力表現(xiàn)為斥力,因此核子不會(huì)融合在一起D.核力的作用范圍很大,是長(zhǎng)程力答案

BC解析

核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn),它的作用范圍在1.5×10-15

m之內(nèi),核力比庫(kù)侖力大得多,選項(xiàng)B正確,A錯(cuò)誤;核力在大于0.8×10-15

m時(shí)表現(xiàn)為吸引力,且隨距離增大而減小;在距離小于0.8×10-15

m時(shí),核力表現(xiàn)為斥力,因此核子不會(huì)融合在一起,選項(xiàng)C正確;核力是短程力,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。探究二結(jié)合能情境探究1.設(shè)有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子在核力作用下靠近碰撞并結(jié)合成一個(gè)氘核。質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核的過(guò)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(guò)程中呢?要點(diǎn)提示

質(zhì)子和中子結(jié)合成原子核的過(guò)程中要釋放能量;氘核分解成質(zhì)子和中子時(shí)要吸收能量。2.如圖所示是原子核轉(zhuǎn)變示意圖。

(1)在核反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量數(shù)、核電荷數(shù)是否守恒?(2)在該核反應(yīng)過(guò)程中會(huì)釋放出能量,反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量是否會(huì)發(fā)生變化?要點(diǎn)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(huì)發(fā)生變化,是減少的。知識(shí)歸納1.比結(jié)合能曲線不同原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化的圖線如圖所示。從圖中可看出,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)量的原子核要小。2.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(kāi),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(shí),就可能釋放核能。例如,一個(gè)核子數(shù)較大的重核分裂成兩個(gè)核子數(shù)小一些的核,或者兩個(gè)核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個(gè)核子數(shù)大一些的核,都能釋放出巨大的核能。實(shí)例引導(dǎo)答案

AD規(guī)律方法

結(jié)合能的應(yīng)用技巧(1)組成原子核的核子越多,結(jié)合能越高。(2)結(jié)合能與核子個(gè)數(shù)之比稱(chēng)作比結(jié)合能,比結(jié)合能越大原子核越穩(wěn)定。(3)結(jié)合能通常只用在原子核中。變式訓(xùn)練2下列關(guān)于結(jié)合能和比結(jié)合能的說(shuō)法中,正確的有(

)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(chēng)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答案

D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,A選項(xiàng)錯(cuò)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)合能比重核反而小,B、C選項(xiàng)錯(cuò)誤;中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比輕核的大,它的原子核內(nèi)核子數(shù)又比輕核多,因此它的結(jié)合能也比輕核大,D選項(xiàng)正確。探究三質(zhì)量虧損與核能的計(jì)算情境探究愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論中的質(zhì)能方程給出了核能的計(jì)算方法。請(qǐng)思考:(1)核反應(yīng)中質(zhì)量虧損與質(zhì)量守恒矛盾嗎?(2)核子結(jié)合成原子核時(shí)為何出現(xiàn)質(zhì)量虧損?要點(diǎn)提示

(1)不矛盾。(2)獨(dú)立的核子之間沒(méi)有作用力,但若使核子結(jié)合為原子核,核子之間需接近到核力作用的范圍。在核力的作用下結(jié)合為一體,核力做正功,能量減少,即釋放出能量,由ΔE=Δmc2知質(zhì)量發(fā)生虧損。知識(shí)歸納1.對(duì)質(zhì)量虧損的理解(1)質(zhì)量虧損,并不是質(zhì)量消失,減少的質(zhì)量在核子結(jié)合成新核的過(guò)程中以能量的形式輻射出去了。反過(guò)來(lái),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供給。(2)質(zhì)量虧損不是否定了質(zhì)量守恒定律。根據(jù)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論,輻射出的γ光子靜質(zhì)量雖然為零,但它有動(dòng)質(zhì)量,而且這個(gè)動(dòng)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。(3)質(zhì)量虧損只有在核反應(yīng)中才能明顯地表現(xiàn)出來(lái)。(4)質(zhì)量虧損是核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量之差。2.對(duì)質(zhì)能方程E=mc2的理解(1)質(zhì)量、能量是物質(zhì)的兩種屬性,它們之間不能相互轉(zhuǎn)變。(2)質(zhì)能方程建立了質(zhì)量和能量之間的數(shù)量關(guān)系,即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;質(zhì)量減少,總能量也隨之減少,這時(shí)質(zhì)能方程也寫(xiě)作ΔE=Δmc2。3.核反應(yīng)中核能的計(jì)算(1)任何一個(gè)原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和,即核子組成原子核發(fā)生質(zhì)量虧損釋放能量ΔE=Δmc2。(2)當(dāng)核反應(yīng)中發(fā)生質(zhì)量虧損時(shí),釋放能量;反之,當(dāng)質(zhì)量增加時(shí),吸收能量;釋放或吸收的能量ΔE=Δmc2。實(shí)例引導(dǎo)例3(1)原子核的質(zhì)量單位,通常會(huì)用原子質(zhì)量單位u表示,1u=1.6605×10-27

kg,請(qǐng)證明,質(zhì)量虧損1u將釋放931.5MeV的核能。解析

(1)1

u=1.660

5×10-27

kg,根據(jù)質(zhì)能方程ΔE=Δmc2可知,當(dāng)Δm=1

u=1.660

5×10-27

kg時(shí),ΔE=1.660

5×10-27×(3×108)2=1.494

45×10-10

J,又1

eV=1.602×10-19

J,質(zhì)量虧損Δm=239.052

2

u-235.043

9

u-4.002

6

u=0.005

7

u,根據(jù)質(zhì)能方程可知,釋放的核能ΔE=Δmc2=931.5×0.005

7

MeV=5.309

55

MeV。變式訓(xùn)練3一靜止的氡核

發(fā)生α衰變,放出一個(gè)速度為v0,質(zhì)量為m的α粒子和一個(gè)質(zhì)量為M的反沖核釙(Po),若氡核發(fā)生衰變時(shí),釋放的能量全部轉(zhuǎn)化為α粒子和釙核的動(dòng)能。(1)寫(xiě)出衰變方程;(2)求出反沖核的速度;(計(jì)算結(jié)果不得使用原子量表示)(3)求出這一衰變過(guò)程中虧損的質(zhì)量。(計(jì)算結(jié)果不得使用原子量表示)規(guī)律方法

1.核反應(yīng)是釋放還是吸收能量的兩種判斷方法(1)根據(jù)反應(yīng)前后的質(zhì)量變化質(zhì)量虧損——釋放能量;質(zhì)量增加——吸收能量。(2)根據(jù)反應(yīng)前后的比結(jié)合能的變化比結(jié)合能變大——釋放能量;比結(jié)合能變小——吸收能量。2.核能的計(jì)算方法(1)根據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算①根據(jù)核反應(yīng)方程,計(jì)算核反應(yīng)前和核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損Δm。②根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2計(jì)算核能。a.若Δm的單位是千克,則需要將c=3×108

m/s代入,計(jì)算得到的ΔE的單位是焦耳。b.若Δm的單位是原子質(zhì)量單位u,則用ΔE=Δm×931.5

MeV計(jì)算。(2)根據(jù)能量守恒和動(dòng)量守恒來(lái)計(jì)算核能參與核反應(yīng)的粒子所組成的系統(tǒng),在核反應(yīng)過(guò)程中的動(dòng)量和能量是守恒的,因此,利用動(dòng)量守恒和能量守恒可以計(jì)算出核能的變化。(3)利用平均結(jié)合能來(lái)計(jì)算核能原子核的結(jié)合能=核子的平均結(jié)合能×核子數(shù),核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新核的總結(jié)合能之差,就是該核反應(yīng)所釋放(或吸收)的核能。閃光語(yǔ)錄質(zhì)量虧損不是核子個(gè)數(shù)的減少,核反應(yīng)中核子個(gè)數(shù)是不變的。

隨堂檢測(cè)1.氦原子核由兩個(gè)質(zhì)子與兩個(gè)中子組成,這兩個(gè)質(zhì)子之間存在著萬(wàn)有引力、庫(kù)侖力和核力,則三種力從大到小的順序是(

)A.核力、萬(wàn)有引力、庫(kù)侖力B.萬(wàn)有引力、庫(kù)侖力、核力C.庫(kù)侖力、核力、萬(wàn)有引力D.核力、庫(kù)侖力、萬(wàn)有引力答案

D解析

核力是核子之間的一種強(qiáng)相互作用,其相互作用力巨大,遠(yuǎn)超過(guò)兩個(gè)質(zhì)子之間的庫(kù)侖力,兩質(zhì)子之間的萬(wàn)有引力遠(yuǎn)小于庫(kù)侖力,故選項(xiàng)D正確。2.太陽(yáng)因核聚變釋放出巨大的能量,同時(shí)其質(zhì)量不斷減少。太陽(yáng)每秒鐘輻射出的能量約為4×1026J,根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程,太陽(yáng)每秒鐘減少的質(zhì)量最接近(

)A.1036kg B.1018kgC.1013kg D.109kg