人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：3 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PAGEPAGE13核力與結(jié)合能〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1.知道核力的概念、特點(diǎn)和四種基本相互作用.2.了解結(jié)合能和比結(jié)合能的概念.3.認(rèn)識原子核的結(jié)合能及質(zhì)量虧損，并能應(yīng)用質(zhì)能方程進(jìn)行相關(guān)的計算．一、核力與四種基本相互作用1．核力：原子核中的核子之間存在一種很強(qiáng)的相互作用，即存在一種核力，它使得核子緊密地結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的原子核．這種作用稱為強(qiáng)相互作用．2．強(qiáng)相互作用的特點(diǎn)(1)強(qiáng)相互作用是短程力，作用范圍只有約10－15m.(2)距離增大時，強(qiáng)相互作用急劇減小．超過10－15m，相互作用不存在．3．弱相互作用(1)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．(2)弱相互作用是短程力，其力程只有10－18m.4．四種基本相互作用二、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，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．三、質(zhì)量虧損1．質(zhì)能方程物體的能量與它的質(zhì)量的關(guān)系是：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．1．判斷下列說法的正誤．(1)核力是強(qiáng)相互作用，在任何情況下都比庫侖力大．(×)(2)弱相互作用是引起原子核β衰變的原因．(√)(3)原子核的結(jié)合能就是核子結(jié)合成原子核時需要的能量．(×)(4)比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定，因此它的結(jié)合能也一定越大．(×)2．已知α粒子(eq\o\al(4,2)He)是由2個質(zhì)子、2個中子組成的，取質(zhì)子的質(zhì)量mp＝1.6726×10－27kg，中子的質(zhì)量mn＝1.6749×10－27kg，α粒子的質(zhì)量mα＝6.6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s.則α粒子的結(jié)合能為________．(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)〖答案〗4.3×10－12J〖解析〗組成α粒子的核子與α粒子的質(zhì)量差Δm＝(2mp＋2mn)－mαα粒子的結(jié)合能ΔE＝Δmc2代入數(shù)據(jù)得ΔE≈4.3×10－12J.一、核力與四種基本相互作用1．核力(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，距離超過1.5×10－15m時核力幾乎消失．(3)核力具有飽和性，每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用．2．四種基本相互作用的作用尺度(1)在原子核內(nèi)，強(qiáng)相互作用將核子束縛在一起．(2)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)萬有引力主要作用于宏觀和宇宙尺度上，是萬有引力使行星繞著恒星運(yùn)行，并且聯(lián)系著星系團(tuán)．(2021·江西高二期中)關(guān)于核力，下列說法正確的是()A．核力的作用范圍只有約10－15mB．核力本質(zhì)上屬于電磁相互作用C．中子和中子之間不會有核力作用D．核力減小是發(fā)生β衰變的原因〖答案〗A〖解析〗核力是短程力，作用范圍在原子核內(nèi)部，作用范圍只有約10－15m，選項(xiàng)A正確；核力屬于強(qiáng)相互作用，不屬于電磁相互作用，選項(xiàng)B錯誤；核力存在于核子之間，質(zhì)子與質(zhì)子，質(zhì)子與中子，中子與中子之間均存在核力，選項(xiàng)C錯誤；弱相互作用才是引起β衰變的原因，選項(xiàng)D錯誤．二、結(jié)合能和比結(jié)合能結(jié)合能把原子核分成核子時吸收的能量或核子結(jié)合成原子核時放出的能量比結(jié)合能等于原子核的結(jié)合能與原子核中核子數(shù)的比值，它反映了原子核的穩(wěn)定程度比結(jié)合能曲線不同原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化圖線如圖所示從圖中可看出，中等大小的核的比結(jié)合能最大，輕核和重核的比結(jié)合能都比中等大小的核的比結(jié)合能要小(2021·江蘇蘇州市高二期中)原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化的圖像如圖1，下列說法正確的是()圖1A．質(zhì)量數(shù)越大的原子核，核子結(jié)合得越牢固B.eq\o\al(2,1)H核比eq\o\al(4,2)He核穩(wěn)定C.eq\o\al(89,36)Kr核的結(jié)合能大于eq\o\al(235,

92)U核的結(jié)合能D．兩個eq\o\al(2,1)H核結(jié)合成eq\o\al(4,2)He核時釋放能量〖答案〗D〖解析〗中等質(zhì)量數(shù)的原子核比結(jié)合能較大，核子結(jié)合得牢固，選項(xiàng)A錯誤；eq\o\al(4,2)He核的比結(jié)合能比eq\o\al(2,1)H核大，則eq\o\al(4,2)He核更穩(wěn)定，選項(xiàng)B錯誤；eq\o\al(89,36)Kr核的比結(jié)合能大于eq\o\al(235,92)U核的比結(jié)合能，但是eq\o\al(89,36)Kr核的結(jié)合能小于eq\o\al(235,

92)U核的結(jié)合能，選項(xiàng)C錯誤；兩個eq\o\al(2,1)H核結(jié)合成eq\o\al(4,2)He核時釋放能量，選項(xiàng)D正確．三、質(zhì)量虧損核能的計算1．質(zhì)量虧損Δm的理解所謂質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，而是減少的質(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供給．2．質(zhì)能方程E＝mc2的理解(1)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；質(zhì)量減少，總能量也隨之減少，這時質(zhì)能方程也寫作ΔE＝Δmc2.(2)運(yùn)用質(zhì)能方程時應(yīng)注意單位．一般情況下，公式中各量都應(yīng)取國際單位制單位．但在微觀領(lǐng)域，用國際單位制單位往往比較麻煩，習(xí)慣上常用“原子質(zhì)量單位”和“電子伏特”作為質(zhì)量和能量的單位，1u對應(yīng)931.5MeV能量．命題角度1愛因斯坦質(zhì)能方程的理解下列有關(guān)質(zhì)能方程的說法中，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，可以用物體的質(zhì)量作為它所蘊(yùn)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?yàn)樵诤朔磻?yīng)中產(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，故A項(xiàng)錯誤，B項(xiàng)正確；核反應(yīng)中發(fā)生的“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消失，實(shí)際上是由靜止的質(zhì)量突變成運(yùn)動的質(zhì)量，并不是質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量，故C項(xiàng)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，只是物質(zhì)由靜質(zhì)量變成動質(zhì)量，故D項(xiàng)錯誤．命題角度2核能的計算一個鋰核(eq\o\al(7,3)Li)受到一個質(zhì)子的轟擊，變成兩個α粒子．已知質(zhì)子的質(zhì)量是1.6726×10－27kg，鋰核的質(zhì)量是11.6505×10－27kg，氦核的質(zhì)量是6.6466×10－27kg，光速c＝3×108m/s.(1)寫出上述核反應(yīng)的方程；(2)計算上述核反應(yīng)釋放的能量．〖答案〗(1)eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→2eq\o\al(4,2)He(2)2.691×10－12J〖解析〗(1)該核反應(yīng)方程為eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→2eq\o\al(4,2)He(2)核反應(yīng)的質(zhì)量虧損Δm＝mLi＋mp－2mα＝(11.6505×10－27＋1.6726×10－27－2×6.6466×10－27)kg＝2.99×10－29kg釋放的能量ΔE＝Δmc2＝2.99×10－29×(3×108)2J＝2.691×10－12J.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)過程，計算核反應(yīng)前和核反應(yīng)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．①若Δm的單位是千克，則需要將c＝3×108m/s代入，計算得到的ΔE的單位為焦耳．②若Δm的單位是原子質(zhì)量單位u，則可用ΔE＝Δm×931.5MeV計算，即用質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV.(1u相當(dāng)于931.5MeV)2．利用比結(jié)合能來計算核能原子核的結(jié)合能＝核子的比結(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．針對訓(xùn)練(多選)在某些恒星內(nèi)，3個α粒子結(jié)合成一個eq\o\al(12,6)C，eq\o\al(12,6)C原子核的質(zhì)量是12.0000u，eq\o\al(4,2)He原子核的質(zhì)量是4.0026u，已知1u的質(zhì)量對應(yīng)931.5MeV的能量，則此核反應(yīng)所釋放的核能約為()A．7.2657eV B．5.2657eVC．1.16×10－12J D．1.16×10－9J〖答案〗AC〖解析〗由愛因斯坦質(zhì)能方程得ΔE＝Δmc2＝3×4.0026u－12.0000u＝0.0078u＝7.2657MeV＝7.2657×106×1.6×10－19J≈1.16×10－12J，故A、C正確．1．(核力的特點(diǎn))(多選)關(guān)于核力，下列說法中正確的是()A．核力是一種特殊的萬有引力B．原子核內(nèi)只有質(zhì)子和質(zhì)子間有核力作用，而中子和中子之間、質(zhì)子和中子之間則沒有核力作用C．核力是原子核穩(wěn)定存在的原因D．核力是一種短程強(qiáng)相互作用〖答案〗CD〖解析〗核力與萬有引力、庫侖力的性質(zhì)不同，核力是短程力，是核子間的強(qiáng)相互作用，作用范圍約1.5×10－15m，原子核的半徑數(shù)量級為10－15m，所以核力只存在于相鄰的核子之間，核力是原子核穩(wěn)定存在的原因，故選C、D.2．(結(jié)合能、比結(jié)合能)(多選)(2021·浙江高二期中)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．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，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〗AB〖解析〗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，A正確；一重原子核衰變成α粒子和另一原子核，要釋放能量，故衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能，B正確；比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定，C錯誤；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，D錯誤．3．(質(zhì)量虧損與質(zhì)能方程)假設(shè)兩個氘核在一直線上相碰發(fā)生核反應(yīng)生成氦的同位素和中子，已知氘核的質(zhì)量是m1，中子的質(zhì)量是m2，氦核同位素的質(zhì)量是m3，光在真空中的速度為c.(1)寫出該核反應(yīng)的方程式；(2)求該核反應(yīng)中釋放出的能量ΔE.〖答案〗(1)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)(2m1－m2－m3)c2〖解析〗(1)根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒與電荷數(shù)守恒，核反應(yīng)方程式為：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損為：Δm＝2m1－(m2＋m3)該核反應(yīng)放出的能量為：ΔE＝Δmc2＝(2m1－m2－m3)c2.4．(質(zhì)量虧損與質(zhì)能方程)(2019·全國卷Ⅱ)太陽內(nèi)部核反應(yīng)的主要模式之一是質(zhì)子－質(zhì)子循壞，循環(huán)的結(jié)果可表示為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e＋2ν，已知eq\o\al(1