高中物理第四章核力與結(jié)合能學(xué)案含解析粵教版選修

1、學(xué)案4核力與結(jié)合能學(xué)習(xí)目標(biāo)定位 1.知道核力的性質(zhì).2.能簡(jiǎn)單解釋輕核和重核內(nèi)中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)具有不同比例的原因.3.知道原子核的結(jié)合能和平均結(jié)合能的概念.4.知道什么是質(zhì)量虧損，能應(yīng)用質(zhì)能方程進(jìn)行計(jì)算1原子核的組成：原子核由質(zhì)子和中子組成；原子核非常小，半徑數(shù)量級(jí)為1015 m.2能量單位：1 eV106 MeV1.61019 J. 3核力及其性質(zhì)(1)組成原子核的核子之間有很強(qiáng)的相互作用力，使核子能夠克服庫(kù)侖斥力而緊密地結(jié)合在一起，這種力稱為核力(2)核力是一種很強(qiáng)的力，在它的作用范圍內(nèi)核力比庫(kù)侖力大的多(3)核力是一種短程力在約0.51015m21015m的距離內(nèi)主要表現(xiàn)為引力；大于210

2、15m的距離時(shí)核力就迅速減小為零；在小于0.51015m的距離內(nèi)，核力又轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)大的斥力而使核子不融合在一起4重核與輕核原子核中的質(zhì)子數(shù)又稱為原子序數(shù)，排在周期表比較靠后的元素對(duì)應(yīng)的原子核叫做重核，排在比較靠前的叫做輕核一般排在周期表最前面的輕核的質(zhì)子和中子數(shù)相等但是大多數(shù)重核是中子多于質(zhì)子5結(jié)合能(1)由于核子間存在著強(qiáng)大的核力，要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功，也就是說需要提供一定的能量反過來，根據(jù)能量守恒，核子結(jié)合成原子核時(shí)也會(huì)放出一定的能量，這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能(2)用高能量的光子照射氘核，可以使它分解為質(zhì)子和中子，核反應(yīng)方程是eq oal(2,1)Heq oal(1,1)

3、Heq oal(1,0)n.光子的能量大于或等于2.22 MeV.相反的過程，一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子結(jié)合成氘核會(huì)釋放出2.22 MeV的能量這個(gè)能量以光子的形式輻射出去核反應(yīng)方程是eq oal(1,0)neq oal(1,1)Heq oal(2,1)H.(3)原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比稱為該原子核的平均結(jié)合能平均結(jié)合能越大，核越穩(wěn)定6質(zhì)量虧損和核能的計(jì)算核子結(jié)合成原子核時(shí)，反應(yīng)前和反應(yīng)后的質(zhì)量之差叫質(zhì)量虧損虧損的質(zhì)量與反應(yīng)中釋放的能量相對(duì)應(yīng)，它們之間的關(guān)系遵循愛因斯坦的質(zhì)能方程為Emc2.一、原子核中質(zhì)子和中子的比例問題設(shè)計(jì)一些較輕的原子核如eq oal(4,2)He、eq oal(16, 8)O

4、、eq oal(12, 6)C、eq oal(14, 7)N中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)有什么關(guān)系？答案質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等要點(diǎn)提煉由于核力是短程力及核力的飽和性，自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的原子核，兩者相差越多二、結(jié)合能問題設(shè)計(jì)如圖1所示是不同原子核的平均結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化的曲線圖1(1)從圖中看出，中等質(zhì)量的原子核與重核、輕核相比平均結(jié)合能有什么特點(diǎn)？平均結(jié)合能的大小反映了什么？(2)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為平均結(jié)合能較大的原子核時(shí)是吸收能量還是放出能量？答案(1)中等質(zhì)量的原子核平均結(jié)合能較大，平均結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性，平均

5、結(jié)合能越大，原子越穩(wěn)定(2)放出能量要點(diǎn)提煉1核子數(shù)較小的輕核和核子數(shù)較大的重核，平均結(jié)合能較小，中等核子數(shù)的原子核，平均結(jié)合能較大當(dāng)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為平均結(jié)合能較大的原子核時(shí)會(huì)釋放核能2平均結(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)定中等核子數(shù)的原子核，平均結(jié)合能較大，原子核較穩(wěn)定三、質(zhì)量虧損和核能的計(jì)算問題設(shè)計(jì)用粒子轟擊鈹(eq oal(9,4)Be)核發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程eq oal(9,4)Beeq oal(4,2)Heeq oal(12, 6)Ceq oal(1,0)n甲同學(xué)說：核反應(yīng)過程中核子數(shù)沒變，所以質(zhì)量是守恒的；乙同學(xué)查找資料，各個(gè)原子核或核子的質(zhì)量如下：

6、mBe9.012 19 u，mC12.000 u，m4.002 6 u，mn1.008 665 u(其中1 u1.660 5661027 kg)，他通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)反應(yīng)之后的質(zhì)量減少了，于是他得出結(jié)論：核反應(yīng)過程中質(zhì)量消失了這兩個(gè)同學(xué)的說法對(duì)嗎？如果不對(duì)錯(cuò)在哪里？你對(duì)質(zhì)量虧損是如何理解的？答案甲同學(xué)的說法錯(cuò)誤核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒；乙同學(xué)的說法錯(cuò)誤質(zhì)量虧損并不是質(zhì)量的消失對(duì)質(zhì)量虧損的理解(1)在核反應(yīng)中仍遵守質(zhì)量守恒和能量守恒，所謂的質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰课矬w的質(zhì)量應(yīng)包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，質(zhì)量虧損是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量相聯(lián)系的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量

7、(2)質(zhì)量虧損也不是核子個(gè)數(shù)的減少，核反應(yīng)中核子個(gè)數(shù)是不變的要點(diǎn)提煉1對(duì)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(duì)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Emc2.(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(shí)質(zhì)能方程也寫作Emc2.2核能的計(jì)算方法(1)根據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算根據(jù)核反應(yīng)方程，計(jì)算核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損m.根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2計(jì)算核能其中m的單位是千克，E的單位是焦耳(2)利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計(jì)算明確原子質(zhì)量單位u和電子伏特之

8、間的關(guān)系1 u1.660 61027 kg,1 eV1.602 1781019 J由Emc2得Eeq f(1.660 610272.997 91082,1.602 1781019) eV931.5 MeV根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5 MeV的能量，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5 MeV，即Em931.5 MeV.其中m的單位是u，E的單位是MeV.一、對(duì)核力和結(jié)合能的理解例1(單選)關(guān)于原子核中質(zhì)子和中子的說法，正確的是()A原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)一定相等B穩(wěn)定的重原子核里，質(zhì)子數(shù)比中子數(shù)多C原子核都是非常穩(wěn)定的D對(duì)于較重的原子核，由于核力的作用范圍是有

9、限的，以及核力的飽和性，如果繼續(xù)增大原子核，形成的核也一定是不穩(wěn)定的解析自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，對(duì)于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的原子核，兩者相差越多因此正確答案選D.答案D例2(單選)下列關(guān)于結(jié)合能和平均結(jié)合能的說法中，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為結(jié)合能B平均結(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)合能和平均結(jié)合能都大D中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和平均結(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，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但平

10、均結(jié)合能越大的原子核，其結(jié)合能不一定大，例如中等質(zhì)量原子核的平均結(jié)合能比重核大，但由于核子數(shù)比重核少，其結(jié)合能反而比重核小，B、C選項(xiàng)錯(cuò)誤；中等質(zhì)量原子核的平均結(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)正確答案D二、質(zhì)量虧損和核能的計(jì)算例3已知氮核質(zhì)量MN14.007 53 u，氧17核的質(zhì)量MO17.004 54 u，氦核質(zhì)量MHe4.003 87 u，氫核質(zhì)量MH1.008 15 u，試判斷：eq oal(14, 7)Neq oal(4,2)Heeq oal(17, 8)Oeq oal(1,1)H這一核反應(yīng)是吸收能量還是放出能量？能量變化是多少？解析反

11、應(yīng)前總質(zhì)量：MNMHe18.011 40 u，反應(yīng)后總質(zhì)量：MOMH18.012 69 u.可以看出：反應(yīng)后總質(zhì)量增加，故該反應(yīng)是吸收能量的反應(yīng)吸收的能量利用Emc2來計(jì)算，若反應(yīng)過程中質(zhì)量增加1 u，就會(huì)吸收931.5 MeV的能量，故E(18.012 6918.011 40)931.5 MeV1.2 MeV.答案吸收能量1.2 MeVeq x(核力與結(jié)合能)eq blcrc (avs4alco1(核力及其性質(zhì),結(jié)合能及平均結(jié)合能,質(zhì)量虧損,愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2blcrc (avs4alco1(核能的計(jì)算,Emc2)1(單選)對(duì)核子結(jié)合成原子核的下列說法正確的是()A原子核內(nèi)的核子間均存

12、在核力B原子核內(nèi)的質(zhì)子間均存在核力和庫(kù)侖力C穩(wěn)定原子核的質(zhì)子數(shù)總是與中子數(shù)相等D對(duì)質(zhì)子數(shù)較多的原子核，其中的中子數(shù)起到增加核力、維系原子核穩(wěn)定的作用答案D解析核力是短程力，只會(huì)發(fā)生在相鄰核子之間，由此知A、B錯(cuò)誤；核力只作用于相鄰的核子，隨著質(zhì)子數(shù)增加，為使原子核保持穩(wěn)定，必須靠中子數(shù)的增多來抵消庫(kù)侖力的作用，故C錯(cuò)誤，D正確2(雙選)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比結(jié)合能越大，原子核越不穩(wěn)定D自由核子組成原子核時(shí)，其質(zhì)量虧損所對(duì)應(yīng)的能量大于該原子

13、核的結(jié)合能答案AB解析結(jié)合能是把核子分開所需的最小能量，選項(xiàng)A正確；一重原子核衰變成粒子和另一原子核，存在質(zhì)量虧損，核子比結(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(xiàng)B正確；比結(jié)合能也叫平均結(jié)合能，比結(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(xiàng)C錯(cuò)誤；自由核子組成原子核時(shí)，其質(zhì)量虧損所對(duì)應(yīng)的能量等于該原子核的結(jié)合能，選項(xiàng)D錯(cuò)誤3歷史上第一次利用加速器實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)，是用加速后動(dòng)能為0.5 MeV的質(zhì)子eq oal(1,1)H轟擊靜止的eq oal(A,Z)X，生成兩個(gè)動(dòng)能均為8.9 MeV的eq oal(4,2)He.(1 MeV1.61013 J)(1)上述核反應(yīng)方

14、程為_(2)質(zhì)量虧損為_ kg.答案(1)eq oal(1,1)Heq oal(7,3)Xeq oal(4,2)Heeq oal(4,2)He(或eq oal(1,1)Heq oal(7,3)Lieq oal(4,2)Heeq oal(4,2)He)(2)3.11029kg解析(1)eq oal(1,1)Heq oal(7,3)Xeq oal(4,2)Heeq oal(4,2)He或eq oal(1,1)Heq oal(7,3)Lieq oal(4,2)Heeq oal(4,2)He(2)mc2E末E初meq f(E末E初,c2)eq f(28.90.51.61013,31082)kg3.11

15、029 kg概念規(guī)律題組1(單選)對(duì)結(jié)合能、平均結(jié)合能的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是()A一切原子核均具有結(jié)合能B自由核子結(jié)合為原子核時(shí)，可能吸收能量C結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定D平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定答案D解析氫原子核只有一個(gè)質(zhì)子，無結(jié)合能，結(jié)合能并不是原子核所具有的能量，故A錯(cuò)；自由核子結(jié)合為原子核時(shí)，放出能量，故B錯(cuò)；平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，故C錯(cuò)，D對(duì)2(雙選)愛因斯坦提出了質(zhì)能方程，揭示了質(zhì)量與能量的關(guān)系，關(guān)于質(zhì)能方程，下列說法正確的是()A質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化B當(dāng)物體向外釋放能量時(shí)，其質(zhì)量必定減少，且減少的質(zhì)量m與釋放的能量E滿足Emc2C物質(zhì)的核能可用mc2表示Dmc2是物

16、體能夠放出能量的總和答案BD解析Emc2式中E表示物體具有的總能量，m表示物體的質(zhì)量，故C錯(cuò)誤，D正確；Emc2表示當(dāng)物體的能量增加或減少E時(shí)，其質(zhì)量相應(yīng)的增加或減少m，故A錯(cuò)誤，B正確3(單選)核子結(jié)合成原子核或原子核分解為核子時(shí)，都伴隨著巨大的能量變化，這是因?yàn)?)A原子核帶正電，電子帶負(fù)電，電荷間存在很大的庫(kù)侖力B核子具有質(zhì)量且相距很近，存在很大的萬有引力C核子間存在著強(qiáng)大的核力D核子間存在著復(fù)雜磁力答案C解析核力是短程力，由于核力很強(qiáng)大，所以將核子拆開需要大量的能量克服核力做功相反，若核子結(jié)合成原子核，則放出大量的能量，所以選項(xiàng)C正確4(單選)為了直接驗(yàn)證愛因斯坦狹義相對(duì)論中著名的質(zhì)能

17、方程Emc2，科學(xué)家用中子轟擊硫原子，分別測(cè)出原子捕獲中子前后質(zhì)量的變化以及核反應(yīng)過程中放出的熱量，然后進(jìn)行比較，精確驗(yàn)證了質(zhì)能方程的正確性設(shè)捕獲中子前的原子質(zhì)量為m1，捕獲中子后的原子質(zhì)量為m2，被捕獲的中子質(zhì)量為m3，核反應(yīng)過程放出的能量為E，則這一實(shí)驗(yàn)需驗(yàn)證的關(guān)系式是()AE(m1m2m3)c2BE(m1m3m2)c2CE(m2m1m3)c2DE(m2m1m3)c2答案B解析反應(yīng)前的質(zhì)量總和為m1m3，質(zhì)量虧損mm1m3m2，核反應(yīng)釋放的能量E(m1m3m2)c2，選項(xiàng)B正確方法技巧題組5(單選)原子質(zhì)量單位為u,1 u相當(dāng)于931.5 MeV的能量，真空中光速為c，當(dāng)質(zhì)量分別為m1和m

18、2的原子核結(jié)合為質(zhì)量為M的原子核時(shí)釋放出的能量是()A(Mm1m2)uc2B(m1m2M)u931.5 JC(m1m2M)c2D(m1m2M)931.5 eV答案C解析在核能計(jì)算時(shí)，如果質(zhì)量的單位是kg，則用Emc2進(jìn)行計(jì)算，如果質(zhì)量的單位是u，則利用1 u相當(dāng)于931.5 MeV的能量計(jì)算，即Em931.5 MeV進(jìn)行計(jì)算，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤6(單選)中子n、質(zhì)子p、氘核D的質(zhì)量分別為mn、mp、mD.現(xiàn)用光子能量為E的射線照射靜止氘核使之分解，反應(yīng)方程為Dpn，若分解后中子、質(zhì)子的動(dòng)能可視為相等，則中子的動(dòng)能是()A.eq f(1,2)(mDmpmn)c2EB.eq f(1,2)(m

19、Dmnmp)c2EC.eq f(1,2)(mDmpmn)c2ED.eq f(1,2)(mDmnmp)c2E答案C解析因?yàn)殡朔纸鉃楹俗訒r(shí)，要吸收能量，質(zhì)量增加，本題核反應(yīng)過程中射線能量E對(duì)應(yīng)質(zhì)量的增加和中子與質(zhì)子動(dòng)能的產(chǎn)生，即Emc22Ek(mpmnmD)c22Ek得Ekeq f(1,2)E(mpmnmD)c2eq f(1,2)(mDmpmn)c2E，故選C.7(雙選)中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核時(shí)，質(zhì)量虧損為m，相應(yīng)的能量Emc22.2 MeV是氘核的結(jié)合能下列說法正確的是()A用能量小于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核不能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子B用能量小于2.2 MeV的光子照射靜止氘核

20、時(shí)，氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和為零C用能量大于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和為零D用能量大于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時(shí)，氘核可能分解為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，它們的動(dòng)能之和不為零答案AD解析用能量小于結(jié)合能的光子照射氘核時(shí)，氘核一定不能分解，所以A正確，B錯(cuò)誤用能量大于結(jié)合能的光子照射氘核時(shí)，氘核可能分解，只要分解，分解出的質(zhì)子和中子動(dòng)能之和一定不為零(若動(dòng)能之和為零就分不開了)，所以C錯(cuò)誤，D正確8氘核和氚核聚變時(shí)的核反應(yīng)方程為eq oal(2,1)Heq oal(3,1)Heq oal(4,2)Heeq oal

21、(1,0)n，已知eq oal(3,1)H的平均結(jié)合能是2.78 MeV，eq oal(2,1)H的平均結(jié)合能是1.09 MeV，eq oal(4,2)He的平均結(jié)合能是7.03 MeV，則核反應(yīng)時(shí)釋放的能量為_ MeV.答案17.6解析聚變反應(yīng)前氘核和氚核的總結(jié)合能E1(1.0922.783) MeV10.52 MeV.反應(yīng)后生成的氦核的結(jié)合能E27.034 MeV28.12 MeV.由于單個(gè)核子無結(jié)合能，所以聚變過程釋放出的能量為EE2E1(28.1210.52) MeV17.6 MeV.9.eq oal(3,1)H的質(zhì)量是3.016 050 u，質(zhì)子的質(zhì)量是1.007 277 u，中子的

22、質(zhì)量是1.008 665 u求：(1)一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合為氚核時(shí)，是吸收還是放出能量？該能量為多少？(2)氚核的結(jié)合能和平均結(jié)合能各是多少？(3)如果此能量是以光子形式放出的，則光子的頻率是多少？答案(1)放出能量7.97 MeV(2)7.97 MeV2.66 MeV(3)1.921021 Hz解析(1)一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合成氚核的核反應(yīng)方程是eq oal(1,1)H2eq oal(1,0)neq oal(3,1)H，反應(yīng)前各核子總質(zhì)量為mp2mn1.007 277 u21.008 665 u3.024 607 u，反應(yīng)后新核的質(zhì)量為mH3.016 050 u，質(zhì)量虧損為m3.024 607u3.016 050 u