人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：5 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PAGEPAGE1第3節(jié)核力與結(jié)合能〖學(xué)習(xí)目標(biāo)要求〗1.了解四種基本相互作用，知道核力的特點(diǎn)。2.了解結(jié)合能和比結(jié)合能。3.知道質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程。4.會(huì)用質(zhì)能方程計(jì)算核能。一、核力與四種基本相互作用1.17世紀(jì)下半葉，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力，引力是自然界的一種基本相互作用。2.19世紀(jì)后，人們認(rèn)識(shí)到電荷間的相互作用、磁體間的相互作用，從本質(zhì)上說是同一種相互作用的不同表現(xiàn)，這種相互作用稱為電磁相互作用。3.核力(1)定義：原子核內(nèi)核子之間的相互作用力。(2)核力的特點(diǎn)①核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)，在原子核的尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多。②核力是短程力，作用范圍約10－15__m。4.四種基本相互作用二、結(jié)合能和質(zhì)量虧損1.結(jié)合能和比結(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(平均結(jié)合能)：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比稱為比結(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。2.質(zhì)量虧損(1)愛因斯坦質(zhì)能方程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。(3)核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量虧損Δm，與它們在互相結(jié)合過程中放出的能量ΔE的關(guān)系是ΔE＝Δmc2。3.比結(jié)合能應(yīng)用前景(1)中等大小的核的比結(jié)合能最大，這些核最穩(wěn)定。(2)使較重的核分裂成中等大小的核，或者把較小的核合并成中等大小的核，都將釋放新的結(jié)合能。〖判一判〗(1)組成原子核的核子越多，它的結(jié)合能就越大。(√)(2)結(jié)合能越大，核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。(×)(3)質(zhì)量虧損表明，的確存在著原子核的結(jié)合能。(√)探究1核力與四種基本相互作用1.核力原子核里的核子間有一種相互作用，把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核，即核力。2.四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：引力主要在宏觀和宇觀尺度上“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷”，引力使行星繞著恒星轉(zhuǎn)，并且聯(lián)系著星系網(wǎng)，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(qiáng)力：即強(qiáng)相互作用，在原子核內(nèi)，強(qiáng)力將核子束縛在一起，強(qiáng)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(qiáng)力更短，為10－18m，作用強(qiáng)度則比電磁力小?！祭?〗(多選)對于核力，以下說法正確的是()A.核力是弱相互作用，作用力很小B.核力是強(qiáng)相互作用的表現(xiàn)，是強(qiáng)力C.核子之間的距離小于0.8×10－15m時(shí)，核力表現(xiàn)為斥力，因此核子不會(huì)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(shí)核力的變化規(guī)律更清楚〖答案〗BC〖解析〗核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)，它的作用范圍在1.5×10－15m之內(nèi)，核力比庫侖力大得多，選項(xiàng)B正確，A錯(cuò)誤；核力在大于0.8×10－15m時(shí)表現(xiàn)為吸引力。且隨距離增大而減??；在距離小于0.8×10－15m時(shí)，核力表現(xiàn)為斥力，因此核子不會(huì)融合在一起，選項(xiàng)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，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。探究2結(jié)合能與原子核的穩(wěn)定性1.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)量原子核的比結(jié)合能要小。2.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。3.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(shí)，就能釋放核能。例如，一個(gè)核子數(shù)較大的重核分裂成兩個(gè)核子數(shù)小一些的核，或者兩個(gè)核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個(gè)核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能?！祭?〗(2021·湖北荊州市月考)原子核的比結(jié)合能如圖所示。下列說法正確的是()A.eq\o\al(6,3)Li核比eq\o\al(4,2)He核更穩(wěn)定B.eq\o\al(144,56)Ba核比eq\o\al(89,36)Kr核核子數(shù)多，比結(jié)合能大C.eq\o\al(235,92)U核比eq\o\al(144,56)Ba核結(jié)合能大，比結(jié)合能小D.兩個(gè)eq\o\al(2,1)H核結(jié)合成eq\o\al(4,2)He核，需要吸收能量〖答案〗C〖解析〗比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定，eq\o\al(4,2)He核比eq\o\al(6,3)Li核更穩(wěn)定，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；eq\o\al(144,56)Ba核比eq\o\al(89,36)Kr核核子數(shù)多，平均結(jié)合能小，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；eq\o\al(235,92)U核比eq\o\al(144,56)Ba核核子數(shù)多，結(jié)合能大，比結(jié)核能小，故選項(xiàng)C正確；兩個(gè)eq\o\al(2,1)H核結(jié)合成eq\o\al(4,2)He核，由比結(jié)合能小的反應(yīng)生成比結(jié)合能大的，會(huì)釋放大量能量，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。〖針對訓(xùn)練〗關(guān)于原子核的結(jié)合能，下列說法正確的是()A.原子核的比結(jié)合能等于將其完全分解成自由核子所需能量的最小值B.原子核衰變成α粒子和另一原子核，并釋放出能量，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定小于原來原子核的結(jié)合能C.銫原子核(eq\o\al(133,55)Cs)的結(jié)合能小于鉛原子核(eq\o\al(208,82)Pb)的結(jié)合能D.比結(jié)合能越大，原子核越不穩(wěn)定〖答案〗C〖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，故A錯(cuò)誤；原子核衰變成α粒子和另一原子核，要釋放能量，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來原子核的結(jié)合能，故B錯(cuò)誤；銫原子核的比結(jié)合能與鉛原子核的比結(jié)合能差不多，而銫原子核的核子數(shù)小于鉛原子核的核子數(shù)，故銫原子核的結(jié)合能小于鉛原子核的結(jié)合能，故C正確；比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定，故D錯(cuò)誤。探究3質(zhì)量虧損和核能的計(jì)算1.質(zhì)量虧損：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提供。2.質(zhì)能方程E＝mc2(1)質(zhì)能方程說明一定的質(zhì)量總是跟一定的能量相聯(lián)系。具體地說，一定質(zhì)量的物體所具有的總能量是一定的，E＝mc2，不是單指物體的動(dòng)能、核能或其他哪一種能量，而是物體所具有的各種能量的總和。(2)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；物體質(zhì)量減少，總能量也隨之減少，故質(zhì)能方程也寫成ΔE＝Δmc2。3.判斷核反應(yīng)過程是釋放能量還是吸收能量的方法(1)根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量的變化情況進(jìn)行判斷，若質(zhì)量減少即發(fā)生了質(zhì)量虧損，則釋放能量；若質(zhì)量增加，則吸收能量。(2)根據(jù)動(dòng)能變化判斷，若不吸收光子而動(dòng)能增加則放出能量。〖例3〗(多選)(2021·吉林長春市高二期末)關(guān)于質(zhì)能方程，下列說法正確的是()A.有質(zhì)量虧損的核反應(yīng)一定是放能反應(yīng)B.核反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)的“質(zhì)量虧損”是消失的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成了能量C.E＝mc2中的E是物體以光速c運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能D.由ΔE＝Δmc2，在核反應(yīng)中，Δm為反應(yīng)前后原子的靜質(zhì)量之差〖答案〗AD〖解析〗根據(jù)質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2可知，有質(zhì)量虧損，就是放能反應(yīng)，故A正確；核反應(yīng)過程中質(zhì)量沒有消失，只是以能量的形式體現(xiàn)，故B錯(cuò)誤；愛因斯坦的質(zhì)能方程E＝mc2，只是說明物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在著簡單的正比關(guān)系，E并不是物體以光速c運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，故C錯(cuò)誤；根據(jù)質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2可知，在核反應(yīng)中，Δm為反應(yīng)前后原子的靜質(zhì)量之差，故D正確?！祭?〗一個(gè)靜止的鈾核eq\o\al(232,92)U(原子質(zhì)量為232.0372u)放出一個(gè)α粒子(原子質(zhì)量為4.0026u)后衰變成釷核Th(原子質(zhì)量為228.0287u)。u為原子質(zhì)量單位，1u相當(dāng)于931.5MeV的能量。(1)寫出核衰變反應(yīng)方程式；(2)該反應(yīng)中的質(zhì)量虧損；(3)釋放的核能。〖答案〗(1)eq\o\al(232,92)U→eq\o\al(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)0.0059u(3)5.5MeV〖解析〗(1)根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知核反應(yīng)方程式為eq\o\al(232,92)U→eq\o\al(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)質(zhì)量虧損為Δm＝mU－mTh－mα＝(232.0372－228.0287－4.0026)u＝0.0059u(3)由質(zhì)能方程可知釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝0.0059×931.5MeV＝5.5MeV1.(核力與四種基本相互作用)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〗核力存在于核子之間，核力與萬有引力、電磁力不同，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；核力是短程力，超過1.5×10－15m，核力急劇下降幾乎消失，故選項(xiàng)C正確；核力存在于核子之間，與電荷無關(guān)，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。2.(結(jié)合能與質(zhì)能方程)(多選)如圖是各種元素的原子核中核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)Z的關(guān)系圖像，由此可知()A.若原子核D和E結(jié)合成原子核F，結(jié)合過程一定會(huì)釋放能量B.若原子核D和E結(jié)合成原子核F，結(jié)合過程一定要吸收能量C.若原子核A分裂成原子核B和C，分裂過程一定會(huì)釋放能量D.若原子核A分裂成原子核B和C，分裂過程一定要吸收能量〖答案〗AC〖解析〗D和E結(jié)合成F，核子平均質(zhì)量減少，有質(zhì)量虧損，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可知，有能量釋放，故A正確，B錯(cuò)誤；若A分裂成B和C，核子平均質(zhì)量減少，也有質(zhì)量虧損，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可知，有能量釋放，故C正確，D錯(cuò)誤。3.(質(zhì)量虧損和核能)某核反應(yīng)方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X。已知eq\o\al(2,1)H的質(zhì)量為2.0136u，eq\o\al(3,1)H的質(zhì)量為3.0180u，eq\o\al(4,2)He的質(zhì)量為4.0026u，X的質(zhì)量為1.0087u。則下列說法正確的是()A.X是質(zhì)子，該反應(yīng)釋放能量B.X是中子，該反應(yīng)釋放能量C.X是