【同步】高中物理魯科版(2019)選擇性必修3：第5章第3節(jié)核力和核能課件

第5章第3節(jié)核力和核能課標(biāo)要求1.知道核力的概念、特點和四種基本相互作用。(物理觀念)2.了解結(jié)合能和比結(jié)合能的概念。(物理觀念)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。(物理觀念)基礎(chǔ)落實·必備知識全過關(guān)重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引

學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)落實·必備知識全過關(guān)一、核力與核的穩(wěn)定性1.核力:把原子核中的核子維系在一起的力。2.核力的特點(1)核力是短程力。(2)核力是一種強相互作用。(3)每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用。二、四種基本相互作用1.引力相互作用是所有物體之間都存在的一種相互作用。2.電磁相互作用是電荷間、磁體間或電荷與磁體間的相互作用。3.強相互作用和弱相互作用是短程力,作用范圍在原子核尺度內(nèi)。4.四種相互作用按由強到弱排列:強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。三、結(jié)合能與平均結(jié)合能1.結(jié)合能:核子結(jié)合成原子核所釋放的能量稱為原子核的結(jié)合能。2.質(zhì)量虧損:任何一個原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核子的質(zhì)量之和,這一差值稱為質(zhì)量虧損。3.愛因斯坦質(zhì)能方程:

。

用Δm表示質(zhì)量虧損,核子結(jié)合成原子核時釋放的結(jié)合能是ΔE=Δmc2。4.平均結(jié)合能:原子核的結(jié)合能與

之比稱為平均結(jié)合能,又叫比結(jié)合能。平均結(jié)合能越大,原子核越難分離成單個核子,原子核越穩(wěn)定。

E=mc2其質(zhì)量數(shù)

想一想較重的原子核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)有什么關(guān)系?提示

較重的原子核中中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù),而且越重的原子核,兩者相差越多。易錯辨析

判一判(1)核力是強相互作用,在任何情況下都比庫侖力大。(

)(2)原子核內(nèi)的質(zhì)子是靠萬有引力來抗衡庫侖斥力的。(

)(3)組成原子核的核子越多,它的結(jié)合能就越大。(

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

)提示

核力是強相互作用,是短程力。

提示

原子核內(nèi)的質(zhì)子是靠核力來抗衡庫侖斥力的。

提示

比結(jié)合能越大,核子結(jié)合得越牢固,原子核越穩(wěn)定。

××√×(5)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。(

)(6)質(zhì)能方程表明了質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化。(

)提示

比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定,它的結(jié)合能不一定大。

提示

質(zhì)能方程表明了質(zhì)量和能量的對應(yīng)關(guān)系,質(zhì)量和能量不能相互轉(zhuǎn)化。

××即學(xué)即用

練一練質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3,當(dāng)一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成氘核時,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)c2C解析

根據(jù)質(zhì)能方程ΔE=Δmc2知,核反應(yīng)過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C正確。重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究一對核力的理解情境探究(1)質(zhì)子都帶正電,質(zhì)子與質(zhì)子之間存在著庫侖斥力,為什么

還能穩(wěn)定地存在?要點提示

核子之間還存在著核力作用。

(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數(shù)不同的原子核?要點提示

當(dāng)核子增多時,原子核增大,核子間的距離也增大,當(dāng)距離較大時,一些核子間可能就沒有核力的作用了,這樣形成的核不穩(wěn)定,最終會瓦解。因此質(zhì)子與中子不能隨意地組合形成無數(shù)不同的原子核。知識歸納1.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,距離超過1.5×10-15m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)生較強的核力,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。核力與核子電荷無關(guān)。2.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)形成原因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)原子核增大到一定程度時,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,形成的核也一定是不穩(wěn)定的。原子核越大越不穩(wěn)定

應(yīng)用體驗典例1

(多選)下列說法正確的是(

)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),核力比庫侖力大得多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相互作用力,C正確;核力是一種強相互作用力,D錯誤。規(guī)律方法

四種基本相互作用比較

針對訓(xùn)練1(多選)對于核力,以下說法正確的是(

)A.核力是弱相互作用力,作用力很小B.核力是強相互作用的表現(xiàn),是強力C.核子之間的距離小于0.8×10-15m時,核力表現(xiàn)為斥力,因此核子不會融合在一起D.人們對核力的了解很清楚,特別是在小于0.8×10-15m時核力的變化規(guī)律更清楚BC解析

核力是強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),故選項B正確,A錯誤;核力在大于0.8×10-15

m時表現(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,核力表現(xiàn)為斥力,因此核子不會融合在一起,故選項C正確;人們對核力的了解還不是很清楚,這是科學(xué)家們奮力攻克的堡壘,故選項D錯誤。探究二結(jié)合能和平均結(jié)合能情境探究設(shè)有一個質(zhì)子和一個中子在核力作用下靠近碰撞并結(jié)合成一個氘核。質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核的過程中是釋放能量還是吸收能量?使氘核分解為質(zhì)子和中子的過程中呢?要點提示

質(zhì)子和中子結(jié)合成原子核的過程中要釋放能量;氘核分解成質(zhì)子和中子時要吸收能量。知識歸納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,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。應(yīng)用體驗AD解析

根據(jù)比結(jié)合能越大,越穩(wěn)定,則核燃料總是利用比結(jié)合能小的核,A正確;由結(jié)合能的含義知B錯誤;

核更穩(wěn)定,說明

的比結(jié)合能大,所以衰變時,會釋放巨大能量,C錯誤,D正確。規(guī)律總結(jié)

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)合能與核子個數(shù)之比稱作比結(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。針對訓(xùn)練2(多選)原子核的核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)Z的關(guān)系圖像如圖所示,下列說法正確的是(

)A.若原子核D和E結(jié)合成F,結(jié)合過程一定會吸收核能B.若原子核D和E結(jié)合成F,結(jié)合過程一定會釋放核能C.若原子核A分裂成B和C,分裂過程一定會吸收核能D.若原子核A分裂成B和C,分裂過程一定會釋放核能BD解析

D和E結(jié)合成F,有質(zhì)量虧損,根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程,有能量釋放,故A錯誤,B正確;若A能分裂成B和C,分裂過程有質(zhì)量虧損,一定要釋放能量,故C錯誤,D正確。探究三質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程情境探究縱觀歷史,每一次能源利用的里程碑式發(fā)展,都伴隨社會和生產(chǎn)的巨大飛躍?；鸬氖褂?使遠(yuǎn)古人類茹毛飲血的年代一去不返;18世紀(jì)蒸汽機的發(fā)明,導(dǎo)致了第一次工業(yè)革命;19世紀(jì)電能的使用,再一次改變了人們的生活;進(jìn)入20世紀(jì)以后,全世界對能源的需求急劇上升,能源問題日趨嚴(yán)峻。煤、石油、天然氣等化石燃料逐漸枯竭,因此尋找可持續(xù)的替代資源顯得尤為急迫。目前,核能已成為新能源家族的重要一員。神秘的核能從何而來?要點提示

原子核的核子之間存在著巨大的核力,使小小的原子核蘊藏巨大的能量。當(dāng)核反應(yīng)發(fā)生時,由于不同的原子核的平均結(jié)合能不同,要吸收或者放出大量的能量,在有質(zhì)量虧損的核反應(yīng)中,會釋放巨大的能量。知識歸納1.對質(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)量虧損只有在核反應(yīng)中才能明顯地表現(xiàn)出來。(3)Δm是核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量之差。2.對質(zhì)能方程E=mc2本質(zhì)的理解愛因斯坦質(zhì)能方程反映的是質(zhì)量虧損和核能這兩種現(xiàn)象之間的聯(lián)系,并不表示質(zhì)量和能量之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系。對于質(zhì)量虧損,不能理解為質(zhì)量變成了能量,質(zhì)能方程的本質(zhì):(1)質(zhì)量或能量是物質(zhì)的屬性之一,絕不能把物質(zhì)和它們的某一屬性(質(zhì)量和能量)等同起來。(2)質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量和能量的不可分割性,建立了這兩個屬性在數(shù)值上的關(guān)系,這兩個量分別遵守質(zhì)量守恒和能量守恒,質(zhì)量和能量在數(shù)值上的聯(lián)系絕不等于這兩個量可以相互轉(zhuǎn)化。(3)質(zhì)量虧損不是否定了質(zhì)量守恒定律。根據(jù)愛因斯坦的相對論,輻射出的γ光子靜質(zhì)量雖然為零,但它有動質(zhì)量,而且這個動質(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.核反應(yīng)中由于質(zhì)量虧損而釋放的能量ΔE=Δmc2從愛因斯坦質(zhì)能方程同樣可以得出,物體的能量變化ΔE與物體的質(zhì)量變化Δm的關(guān)系:ΔE=Δmc2。應(yīng)用體驗?zāi)芰c1

對愛因斯坦質(zhì)能方程的理解典例3

下列說法正確的是(

)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)現(xiàn)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,故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,故D錯誤。針對訓(xùn)練3(多選)關(guān)于質(zhì)能方程,下列說法正確的是(

)A.質(zhì)量減小,能量就會增加,在一定條件下質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量B.物體獲得一定的能量,它的質(zhì)量也相應(yīng)增加一定值C.物體一定有質(zhì)量,但不一定有能量,所以質(zhì)能方程僅是某種特殊條件下的數(shù)量關(guān)系D.一定量的質(zhì)量總是與一定量的能量相聯(lián)系BD解析

質(zhì)能方程E=mc2表明一定量的質(zhì)量與一定量的能量是相互聯(lián)系的,當(dāng)物體獲得一定的能量,即能量增加某一定值時,它的質(zhì)量也相應(yīng)地增加一定值。能力點2

對于核能的計算

1kg海水中含有的氘核約為1.0×1022個,若全都發(fā)生聚變反應(yīng),其釋放的能量與質(zhì)量為m的標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時釋放的熱量相等;已知1kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的熱量約為2.9×107J,1MeV=1.6×10-13J,則m約為(

)A.40kg B.100kg C.400kg D.1000kgC解析

1

MeV=1.6×10-13

J,1

kg海水中氘核全都發(fā)生聚變反應(yīng)釋放的核能W=×43.15

MeV=1.15×1010

J,又標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值q=2.9×107

J/kg,則m==397

kg,約為400

kg,C正確,A、B、D錯誤。針對訓(xùn)練4(1)方程中的“X”核符號為

;

(2)钚核的質(zhì)量為239.0522u,鈾核的質(zhì)量為235.0439u,X核的質(zhì)量為4.0026u,已知1u相當(dāng)于931MeV,則該衰變過程放出的能量是

MeV;

(3)假設(shè)钚核衰變釋放的能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)殁櫤撕蚗核的動能,則X核與鈾核的動能之比為

。

5.31235∶4(2)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程得ΔE=Δmc2=(239.052

2

u-235.043

9

u-4.002

6

u)×931

MeV=5.31

MeV。(3)根據(jù)動量守恒定律pU-pX=0而動量和動能關(guān)系式為E=因動量大小相等,則動能與質(zhì)量數(shù)成反比,學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)12341.(多選)關(guān)于核力,下列說法正確的是(

)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.核力是一種短程強力作用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,是核子間的強相互作用,作用范圍在1.5×10-15

m,原子核的半徑數(shù)量級在10-15

m,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。12342.(2023全國乙卷)2022年10月,全球眾多天文設(shè)施觀測到迄今最亮伽馬射線暴,其中我國的“慧眼”衛(wèi)星、“極目”空間望遠(yuǎn)鏡等裝置在該事件觀測中作出重要貢獻(xiàn)。由觀測結(jié)果推斷,該伽馬射線暴在1分鐘內(nèi)釋放的能量量級為1048J。假設(shè)釋放的能量來自物質(zhì)質(zhì)量的減少,則每秒鐘平均減少的質(zhì)量量級為(光速為3×108m/s)(

)A.1019kg B.1024kgC.1029kg D.1034kgC解析

由愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2可得

kg/s=2×1029

kg/s,選項C正確。

1234產(chǎn)生了γ射線。已知鈷核、β粒子、鎳核的質(zhì)量分別為m1、m2、m3。下列說法正確的是(

)A.核反應(yīng)中釋放出的γ射線的穿透本領(lǐng)比β