物理選擇性必修第三冊(配人教版)第5章-3核力與結(jié)合能

第五章原子核3核力與結(jié)合能學(xué)習(xí)目標(biāo)1．知道核力的概念與特點(重點)2．理解結(jié)合能與平均結(jié)合能的概念，知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損(重點)3．知道愛因斯坦質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系，能進行基本的核能計算(重難點)學(xué)法與考法學(xué)法：①通過學(xué)習(xí)四種基本相互作用及其特點，初步了解相互作用統(tǒng)一的思想和探索在物理學(xué)發(fā)展中的作用．②通過結(jié)合能與平均結(jié)合能的學(xué)習(xí)，理解核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損．③通過愛因斯坦質(zhì)能方程學(xué)習(xí)會根據(jù)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念計算核反應(yīng)中釋放的核能．培養(yǎng)理解能力、推理能力及數(shù)學(xué)計算能力考法：①對核力、結(jié)合能和比結(jié)合能理解的考查．②對質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程的考查．③對計算核能的考查知識導(dǎo)圖預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)|新知領(lǐng)悟1．核力原子核內(nèi)________之間的相互作用力．2．核力的特點(1)核力是_______________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_______________m之內(nèi)．(3)核力的飽和性：每個核子只跟________________發(fā)生核力作用．核力與四種基本相互作用核子強相互作用1.5×10－15相鄰的核子3．四種基本相互作用原子核內(nèi)的質(zhì)子是靠萬有引力來抗衡庫侖斥力的嗎？微思考【答案】不是，是核力．

下列關(guān)于核力的說法正確的是 (

)A．核力同萬有引力沒有區(qū)別，都是物體間的相互作用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(nèi)D．核力與電荷有關(guān)【答案】C【解析】核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15m之內(nèi)，超過1.5×10－15m，核力急劇下降，幾乎消失，C正確．核力與萬有引力、電磁力不同，A、B錯誤．核力與電荷無關(guān)，D錯誤．1．結(jié)合能原子核是________憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要________，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__________之比，稱作比結(jié)合能，也叫________結(jié)合能．比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越_______________，______________的原子核的比結(jié)合能最大，最穩(wěn)定．結(jié)合能和質(zhì)量虧損核子能量核子數(shù)平均牢固、穩(wěn)定中等大小3．質(zhì)能方程物體的能量與它們質(zhì)量的關(guān)系是E＝________.4．質(zhì)量虧損原子核的質(zhì)量________組成它的核子的質(zhì)量之和的現(xiàn)象．mc2小于核子結(jié)合成原子核時是放出能量還是吸收能量？結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定嗎？微思考【答案】核子結(jié)合成原子核時是放出能量．比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定．

為紀(jì)念愛因斯坦對物理學(xué)的巨大貢獻，聯(lián)合國將2005年定為“國際物理年”．對于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程E＝mc2，下列說法中不正確的是 (

)A．E＝mc2表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比B．根據(jù)ΔE＝Δmc2可以計算核反應(yīng)中釋放的核能C．一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核時，釋放出核能，表明此過程中出現(xiàn)了質(zhì)量虧損D．E＝mc2中的E是發(fā)生核反應(yīng)中釋放的核能【答案】D【解析】質(zhì)能方程E＝mc2中的E表示物體具有的總能量，m表示物體的質(zhì)量．A正確，D錯誤；對于ΔE＝Δmc2表示的意義是當(dāng)物體的能量增加或減小ΔE時，它的質(zhì)量也會相應(yīng)地增加或減少Δm，故B正確；只有出現(xiàn)質(zhì)量虧損時，才能釋放核能，故C正確.多維課堂|

素養(yǎng)初培如圖所示是原子核示意圖．探究核力與四種基本相互作用問題(1)在原子核那樣狹小的空間里，帶正電的質(zhì)子為什么能夠擠在一起而不飛散？是因為萬有引力嗎？(2)原子核中任意兩個核子之間都存在核力嗎？(3)核力是強相互作用力還是弱相互作用力？【答案】(1)萬有引力太小，只有庫侖力的10－35到10－36之一，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力是不可能的，應(yīng)存在第三種力把核子束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核．能夠把核中各種核子緊緊束縛在一起的力，這就是核力．(2)不是．核力是短程力，只有相鄰的兩個核子之間才存在核力．(3)核力是強相互作用(強力)的一種表現(xiàn)．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，萬有引力主要在宏觀和宏觀尺度上“獨領(lǐng)風(fēng)騷”．萬有引力使行星繞著恒星轉(zhuǎn)，并且聯(lián)系著星系團，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?。?．核力的性質(zhì)(1)核力是四種相互作用中的強相互作用(強力)的一種表現(xiàn)．(2)核力是短程力．約在10－15m數(shù)量級時起作用，距離大于0.8×10－15m時為引力，距離小于0.8×10－15m時為斥力，距離為10×10－15m時核力幾乎消失．(3)核力具有飽和性．核子只對相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)生較強的引力，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用．(4)核力具有電荷無關(guān)性．素養(yǎng)點評：通過核力與四種基本相互作用探究，培養(yǎng)“物理觀念”和“科學(xué)探究”的核心素養(yǎng)．對核力的理解精練1下列對核力的認(rèn)識正確的是 (

)A．任何物體之間均存在核力B．核力廣泛存在于自然界中的核子之間C．核力只存在于質(zhì)子之間D．核力只發(fā)生在相距1.5×10－15m內(nèi)的核子之間，大于0.8×10－15m為吸引力，而小于0.8×10－15m為斥力【答案】D【解析】由核力的特點知道，只有相距1.5×10－15m內(nèi)的核子之間才存在核力，核力發(fā)生在質(zhì)子與質(zhì)子、質(zhì)子與中子及中子與中子之間，由此知D正確，A、B、C錯誤．變式1

(2020年江蘇模擬)下列說法正確的是 (

)A．比結(jié)合能小的原子核結(jié)合成比結(jié)合能大的原子核要釋放核能B．重核發(fā)生裂變時需要吸收能量C．核力是核子間的萬有引力和庫侖力的合力D．中子與中子之間的核力一定大于中子與質(zhì)子間的核力【答案】A【解析】比結(jié)合能小的原子核結(jié)合成比結(jié)合能大的原子核時，總結(jié)合能增加，因此要釋放核能，A正確；重核裂變時有質(zhì)量虧損，釋放能量，B錯誤；核力是核子間的強相互作用力，C錯誤；核力是短程力，與核子間的距離有關(guān)，由于距離未知，則中子與中子之間的核力不一定大于中子與質(zhì)子間的核力，故D錯誤．

記憶核力特點的技巧1．核子包括質(zhì)子和中子，而中子不帶電，所以核力與電荷無關(guān)．2．原子核非常小，所以核力屬于短程力．3．質(zhì)子間的核力比庫侖力大得多，屬于強相互作用力．如圖所示，由于核子間存在著強大的核力，所以原子核緊密擠在一起．探究結(jié)合能和質(zhì)量虧損問題(1)要將原子核拆散成單個核子，一定需要吸收能量嗎？理由是什么？(2)有人認(rèn)為質(zhì)量虧損就是核子的個數(shù)變少了，這種認(rèn)識對不對？(3)核反應(yīng)過程發(fā)生了質(zhì)量虧損，同時釋放出核能，能說這部分質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰苛藛幔俊敬鸢浮?1)一定需要吸收巨大的能量．因為將原子核拆散成單個核子，要克服核力做功，根據(jù)功能關(guān)系，必要吸收能量．(2)不對．在核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒即核子的個數(shù)不變，只是核子組成原子核時，仿佛變“輕”了一些，原子核的質(zhì)量總是小于其全部核子質(zhì)量之和，即發(fā)生了質(zhì)量虧損，核子的個數(shù)并沒有變化．(3)不能．物體的質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量，質(zhì)量虧損指的是靜止質(zhì)量的減少，并不是這部分質(zhì)量消失了或轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚?．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，就可能釋放核能．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．2．對質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的理解(1)質(zhì)能方程．質(zhì)能方程：愛因斯坦的相對論指出，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，其關(guān)系是E＝mc2.(2)質(zhì)量虧損．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．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，這時質(zhì)能方程也寫為ΔE＝Δmc2.3．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.素養(yǎng)點評：通過結(jié)合能和質(zhì)量虧損探究，培養(yǎng)“物理觀念”的核心素養(yǎng)．對結(jié)合能和比結(jié)合能的理解精練2

(多選)對結(jié)合能、比結(jié)合能的認(rèn)識，下列正確的是(

)A．核子結(jié)合為原子核時，一定釋放能量B．核子結(jié)合為原子核時，可能吸收能量C．結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定D．比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定【答案】AD【解析】由自由核子結(jié)合為原子核的過程中，核力做正功，釋放出能量．反之，將原子核分開變?yōu)樽杂珊俗?，它需要吸收相?yīng)的能量，該能量即為結(jié)合能，故A正確，B錯誤；核子越多的原子核的結(jié)合能越大，但它的比結(jié)合能不一定大，比結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性，故C錯誤，D正確．變式2下列說法中正確的是 (

)A．核子結(jié)合成原子核吸收的能量或原子核分解成核子放出的能量稱為結(jié)合能B．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C．中等質(zhì)量的原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能均比輕核的要大D．以上說法均錯誤【答案】C【解析】原子核分解成核子時需要吸收的能量為結(jié)合能，它等于核子結(jié)合成原子核時放出的能量，所以選項A錯誤；中等質(zhì)量的原子核比結(jié)合能較大，所以選項B錯誤；中等質(zhì)量的原子核的比結(jié)合能較大，核子數(shù)又較多，其結(jié)合能比輕核的要大，所以選項C正確．1．比結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定程度，比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定．2．結(jié)合能ΔE＝nE由核子數(shù)和比結(jié)合能共同決定．3．中等質(zhì)量的原子核的比結(jié)合能較大，因而中等質(zhì)量的原子核較穩(wěn)定．對質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程的理解精練3下列說法中，正確的是 (

)A．愛因斯坦質(zhì)能方程反映了物體的質(zhì)量就是能量，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化B．由E＝mc2可知，能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，可以用物體質(zhì)量作為它所蘊藏的能量的量度C．核反應(yīng)中發(fā)生的“質(zhì)量虧損”是消失的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰緿．因為在核反應(yīng)中能產(chǎn)生能量，有質(zhì)量的轉(zhuǎn)化，所以系統(tǒng)只有質(zhì)量數(shù)守恒，系統(tǒng)的總能量和總質(zhì)量并不守恒【答案】B【解析】E＝mc2說明能量和質(zhì)量之間存在著聯(lián)系，即能量與質(zhì)量之間存在著正比關(guān)系，但并不說明能量和質(zhì)量之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，A錯誤，B正確；核反應(yīng)中的“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消失，實際上是由靜止的質(zhì)量變成運動的質(zhì)量，并不是質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量，C錯誤；在核反應(yīng)中，質(zhì)量守恒，能量也守恒，在核反應(yīng)前后只是能量的存在方式不同，總能量不變，在核反應(yīng)前后只是物質(zhì)由靜質(zhì)量變成動質(zhì)量，D錯誤．變式3對于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程E＝mc2，下列說法中不正確的是 (

)A．E＝mc2表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比B．根據(jù)ΔE＝Δmc2可以計算核反應(yīng)中釋放的核能C．一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核時，釋放出核能，表明此過程中出現(xiàn)了質(zhì)量虧損D．E＝mc2中的E是發(fā)生核反應(yīng)中釋放的核能【答案】D【解析】E＝mc2中的E表示物體具有的總能量，m表示物體的質(zhì)量，故A正確；ΔE＝Δmc2表示的意義是當(dāng)物體的能量增加或減少ΔE時，它的質(zhì)量也會相應(yīng)地增加或減少Δm，故B正確；只有在出現(xiàn)質(zhì)量虧損時，才能釋放核能，故C正確，所以選D.質(zhì)能方程反映了質(zhì)量與能量的對應(yīng)關(guān)系，物體的能量跟其質(zhì)量成正比，即一定的能量必定對應(yīng)著一定的質(zhì)量，質(zhì)量不能轉(zhuǎn)化為能量．解：反應(yīng)前氘核和氚核的總結(jié)合能E1＝(1.09×2＋2.78×3)MeV＝10.52MeV.反應(yīng)后生成的氦核的結(jié)合能E2＝7.03×4MeV＝28.12MeV.由于單個核子無結(jié)合能，所以反應(yīng)過程釋放出的能量ΔE＝E2－E1＝(28.12－10.52)MeV＝17.6MeV.1．計算過程中Δm的單位是kg，ΔE的單位是J.2．若Δm的單位是u，ΔE的單位是MeV，可直接利用公式ΔE＝Δm×931.5MeV來計算核能．課堂小練|

素養(yǎng)達成1．科學(xué)研究表明，自然界存在四種基本相互作用．我們知道分子之間也存在相互作用的引力和斥力，那么分子力實質(zhì)上屬于 (

)A．引力相互作用B．電磁相互作用C．強相互作用和弱相互作用的共同作用D．四種基本相互作用的共同作用【答案】B【解析】分子力作用范圍約在10－10m數(shù)量級上，強相互作用和弱相互作用都是短程力，作用范圍在10－15m和10－18m之內(nèi)，在這個距離上分子力不存在．在分子力作用范圍內(nèi)引力相互作用和電磁相互作用都存在，但由于電磁力遠大于萬有引力，引力相互作用可以忽略不計，因此分子力本質(zhì)上屬于電磁相互作用．2．(2020年黃島區(qū)模擬)下列關(guān)于核力、原子核的結(jié)合能、比結(jié)合能的說法正確的是 (

)A．維系原子核穩(wěn)定的力是核力，核力就是表現(xiàn)為相鄰核子間的相互吸引力B．核力是強相互作用的一種表現(xiàn)，原子核尺度內(nèi)，核力比庫侖力小C．比結(jié)合能小的原子核分解成比結(jié)合能大的原子核時會釋放核能D．自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應(yīng)的能量大于該原子核的結(jié)合能【答案】C【解析】維系原子核穩(wěn)定的力是核力，核力可以表現(xiàn)為相鄰核子間的相互吸引力，又可以表現(xiàn)為排斥力，A錯誤；核力是強相互作用的一種表現(xiàn)，原子核尺度內(nèi)，核力遠比庫侖力大，B錯誤；比結(jié)合能小的原子核結(jié)合或分解成比結(jié)合能大的原子核時釋放核能，故C正確；根據(jù)質(zhì)能方程可知，自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應(yīng)的能量等于該原子核的結(jié)合能，故D錯誤．3．(多選)對公式ΔE＝Δmc2的正確理解是 (

)A．如果物體的能量減少了ΔE，它的質(zhì)量也一定相應(yīng)減少ΔmB．如果物體的質(zhì)量增加了Δm，它的能量也一定相應(yīng)增加Δmc2C．Δm是某原子核在衰變過程中增加的質(zhì)量D．在把核子結(jié)合成原子核時，若放出的能量是ΔE，則這些核子與組成的原子核的質(zhì)量之差就是Δm【答案】ABD【解析】一定質(zhì)量對應(yīng)于一定的能量，物體的能量減少了ΔE，它的質(zhì)量也一定相應(yīng)減少Δm，即發(fā)生質(zhì)量虧損，A、D正確；如果物體的質(zhì)量增加了Δm，它的能量也一定相應(yīng)增加Δmc2，B正確；某原子核在衰變時，一定發(fā)生質(zhì)量虧損，C錯誤．4．如圖所示是原子核的核子平均質(zhì)量A與原子序數(shù)Z的關(guān)