2024-2025學(xué)年高中物理第4章第4節(jié)核力與結(jié)合能教案粵教版選修3-5

PAGE7-第四節(jié)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.會說明輕核與重核內(nèi)中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)具有不同比例的緣由.3.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)4.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(jìn)行基本的核能計算．(難點)一、核力及其性質(zhì)、重核與輕核1．核力(1)定義：組成原子核的核子之間有很強的相互作用力，使核子能夠克服庫侖斥力而緊密地結(jié)合在一起，這種力稱為核力．(2)特點：核力是一種很強的力，在約0.5×10－15m～2×10－15m的距離內(nèi)主要表現(xiàn)為引力，在小于0.5×10－15m的距離內(nèi)表現(xiàn)為強大的斥力，大于2×10－15m核力就快速減小到2．重核和輕核排在周期表比較靠后的元素對應(yīng)的原子核叫做重核；排在比較靠前的叫輕核．二、結(jié)合能1．兩個典型核反應(yīng)方程(1)用γ光子照耀氘核，使它分解的核反應(yīng)方程為：γ＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n(2)一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核的核反應(yīng)方程為：eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ(3)由于核子間存在強大的核力，要把原子核拆散成核子，須要克服核力做功，也就是要供應(yīng)肯定的能量．2．結(jié)合能：核子結(jié)合成原子核時也會放出肯定的能量．這個能量叫做原子核的結(jié)合能．3．平均結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比叫平均結(jié)合能．4．愛因斯坦質(zhì)能方程：ΔE＝Δmc2.1．正誤推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)核力有時表現(xiàn)為引力，有時表現(xiàn)為斥力． (√)(2)原子核中的中子數(shù)又稱為原子序數(shù)． (×)(3)氘核分解為質(zhì)子和中子時，要放出能量． (×)(4)結(jié)合能反映了一個原子核結(jié)合的緊密程度，結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定． (×)(5)由于核反應(yīng)存在質(zhì)量虧損，所以反應(yīng)前后質(zhì)量不守恒，但能量是守恒的． (×)2．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)分，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1.5×10－15mD．核力與電荷有關(guān)C[核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15m之內(nèi)，超過1.5×10－153．為紀(jì)念愛因斯坦對物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)，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．依據(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D[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．故A說法正確，D說法錯誤；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)地增加或削減Δm，故B說法正確；只有出現(xiàn)質(zhì)量虧損時，才能釋放核能，故C說法正確．所以選D.]核力及其性質(zhì)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“獨領(lǐng)風(fēng)騷”．是引力使行星圍著恒星轉(zhuǎn)，并且聯(lián)系著星系團(tuán)，確定著宇宙的現(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衰變的緣由，即引起中子—質(zhì)子轉(zhuǎn)變的緣由．弱相互作用也是短程力，其力程比強力更短，為10－18m2．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，距離大于1.5×10(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)全部核子發(fā)生作用．(4)核力具有電荷無關(guān)性．核力與核子電荷無關(guān)．3．原子核中質(zhì)子與中子的比例關(guān)系(1)較輕的原子核質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對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．(2)形成緣由：①若質(zhì)子與中子成對地人工構(gòu)建原子核，隨原子核的增大，核子間的距離增大，核力和電磁力都會減小，但核力減小得更快．所以當(dāng)原子核增大到肯定程度時，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定了．②若只增加中子，因為中子與其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定，所以穩(wěn)定的重原子核中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多．③由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，若再增大原子核，一些核子間的距離會大到其間根本沒有核力的作用，這時候再增加中子，形成的核也肯定是不穩(wěn)定的．【例1】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)肯定相等B．穩(wěn)定的重原子核里，質(zhì)子數(shù)比中子數(shù)多C．原子核都是特別穩(wěn)定的D．由于核力的作用范圍是有限的，核力具有飽和性，不行能無節(jié)制地增大原子核而仍穩(wěn)定存在思路點撥：解答本題時應(yīng)留意以下兩點：(1)輕核中質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，重核中中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)．(2)由于核力是短程力，原子核的大小有肯定的限制．D[由穩(wěn)定核的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的關(guān)系圖像可知，質(zhì)量越大的原子核內(nèi)中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多得越多，故A、B錯誤；原子核可以發(fā)生衰變，故C錯誤；由核力作用特點可知，核子數(shù)越多的原子核越不穩(wěn)定，故D正確．]記憶核力特點技巧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．原子核特別小，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．訓(xùn)練角度1：對核力的相識1．對核力的相識，下列說法正確的是()A．任何物體之間均存在核力B．每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用C．核力只存在于質(zhì)子之間D．核力是弱相互作用的一種表現(xiàn)B[由核力的特點知道，只有相距1.5×10－15m訓(xùn)練角度2：原子核中質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的關(guān)系2．對原子核的組成，下列說法正確的是()A．核力可使一些中子組成原子核B．核力可使特別多的質(zhì)子組成原子核C．自然界中不存在只有質(zhì)子的原子核D．質(zhì)量較大的原子核內(nèi)肯定有中子D[由于原子核帶正電，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把特別多的質(zhì)子聚集在一起組成原子核，緣由是核力是短程力，質(zhì)子之間還存在“長程力”——庫侖力，A、B錯誤；自然界中存在只有一個質(zhì)子的原子核，如eq\o\al(1,1)H，C錯誤；較大質(zhì)量的原子核內(nèi)只有存在一些中子，才能減弱庫侖力，維系原子核的穩(wěn)定，故D正確.]結(jié)合能的理解與核能計算1.平均結(jié)合能與原子核穩(wěn)定的關(guān)系(1)平均結(jié)合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度，平均結(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，平均結(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，平均結(jié)合能較大，表示原子核較穩(wěn)定.(3)當(dāng)平均結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成平均結(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)量虧損的理解(1)在核反應(yīng)中仍遵守質(zhì)量守恒和能量守恒的規(guī)律．核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，并不是這部分質(zhì)量消逝或質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚矬w的質(zhì)量應(yīng)包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量，質(zhì)量虧損是靜止質(zhì)量的削減，削減的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量相聯(lián)系的運動質(zhì)量.(2)質(zhì)量虧損也不是核子個數(shù)的削減，核反應(yīng)中核子個數(shù)是不變的．3．對質(zhì)能方程的理解(1)愛因斯坦質(zhì)能方程反映了質(zhì)量虧損與釋放能量間的數(shù)量關(guān)系ΔE＝Δmc2，或物體的質(zhì)量與其總能量的數(shù)量關(guān)系E＝mc2，此方程揭示了質(zhì)量和能量不行分割，二者在數(shù)值上存在著簡潔的正比關(guān)系．(2)切記不要誤認(rèn)為虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量．核反應(yīng)過程中質(zhì)量虧損，是靜止的質(zhì)量削減，輻射γ光子的動質(zhì)量剛好等于虧損的質(zhì)量，即反應(yīng)前后仍舊遵循質(zhì)量守恒和能量守恒．4．核能的計算(1)依據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損(Δm)的千克數(shù)乘以真空中光速的平方(c＝3×108m/s)，即ΔE＝Δmc(2)依據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5兆電子伏特(MeV)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.【例2】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1.6736×10－27kg，鋰核的質(zhì)量是11.6505×10－27kg，氦核的質(zhì)量是6.6466×10－27kg.(1)寫出上述核反應(yīng)的方程；(2)計算上述核反應(yīng)釋放出的能量．[解析](1)核反應(yīng)方程是：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＋mH－2mα＝(11.6505×10－27＋1.6736×10－27－2×6.6466×10－27)kg＝3.09×10－29釋放的能量：ΔE＝Δmc2＝3.09×10－29×(3×108)2J＝2.781×10－12J[答案](1)eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→2eq\o\al(4,2)He(2)2.781×10－12J核能的兩種計算方法1．若以kg為質(zhì)量虧損Δm的單位，則計算時應(yīng)用公式ΔE＝Δmc2.2．若以原子單位“u”為質(zhì)量虧損單位，則ΔE＝Δm×931.5MeV.3．兩種方法計算的核能的單位分別為“J”和“MeV”，1MeV＝1×106×1.6×10－19J＝1.6×10－13J訓(xùn)練角度1：結(jié)合能與平均結(jié)合能的理解3．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)合成原子核時放出能量，拆解原子核要汲取能量B．平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，因此它的結(jié)合能也肯定越大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)合能均比輕核的要小A[核子結(jié)合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是汲取能量，A正確；平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但平均結(jié)合能越大的原子核，其結(jié)合能不肯定大，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)合能比重核反而小，B、C選項錯誤；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選項錯誤．]訓(xùn)練角度2：核能的計算4．氘核和氚核反應(yīng)時的核反應(yīng)方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n，已知eq\o\al(3,1)H的平均結(jié)合能是2.78MeV，eq\o\al(2,1)H的平均結(jié)合能是1.09MeV，eq\o\al(4,2)He的平均結(jié)合能是7.03MeV，試計算核反應(yīng)時釋放的能量．[解析]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)過程釋放的能量ΔE＝E2－E1＝(28.12－10.52)MeV＝17.6MeV.[答案]17.6MeV課堂小結(jié)知識脈絡(luò)1.原子核內(nèi)相鄰核子之間的作用力叫核力，核力屬于強相互作用力，是短程力.2.把原子核內(nèi)核子分開須要克服核力所做的功，叫做結(jié)合能，結(jié)合能與核子數(shù)之比叫作平均結(jié)合能．平均結(jié)合能越大，核越穩(wěn)定.3.原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個現(xiàn)象叫作質(zhì)量虧損.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依次是()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D[本題考查核子間作用力的大小．核子間的核力最大，萬有引力最小，D項正確．]2．激光中子是由重原子核汲取光子后放射中子而產(chǎn)生的，光子的極限能量大約是10MeV.假定中子從原子核上向外移開距離10－13cmA．10－3N B．10NC．103N D．無法計算C[核力是一種很強的力，應(yīng)存在于相鄰的核子之間，作用范圍在1.5×10－15m之內(nèi)，由題意知：F·d＝W＝E，則F＝eq\f(10×106×1.6×10－19,10－13×10－2)N＝1.6×103N，故選項C正確．]3．(多選)關(guān)于質(zhì)能方程，下列哪些說法是正確的()A．質(zhì)量削減，能量就會增加，在肯定條件下質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量B．物體獲得肯定的能量，它的質(zhì)量也相應(yīng)地增加肯定值C．物體肯定有質(zhì)量，但不肯定有能量，所以質(zhì)能方程僅是某種特別條件下