高中物理-核力与结合能 (3)

3核力与结合能[学习目标] 1.知道核力的概念、特点和四种基本相互作用.2.了解结合能和比结合能的概念.3.认识原子核的结合能及质量亏损，并能应用质能方程进行相关的计算．一、核力与四种基本相互作用1．核力：原子核中的________之间存在一种很强的相互作用，即存在一种________，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核．这种作用称为________________．2．强相互作用的特点(1)强相互作用是________力，作用范围只有约________ m.(2)距离增大时，强相互作用急剧________．超过10－15 m，强相互作用不存在．3．弱相互作用(1)弱相互作用是引起原子核________衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因．(2)弱相互作用是____________力，其力程只有________ m.4．四种基本相互作用二、结合能1．结合能原子核是________凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要________，这就是原子核的结合能．2．比结合能原子核的结合能与________之比，叫作比结合能，也叫作________结合能．比结合能越大，原子核中核子结合得越______，原子核越________．____的核的比结合能最大，最稳定．三、质量亏损1．质能方程物体的能量与它的质量的关系是：E＝________.2．质量亏损原子核的质量________组成它的核子的质量之和的现象．1．判断下列说法的正误．(1)核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大．()(2)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因．()(3)原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量．()(4)比结合能越大，原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大．()2．已知α粒子(42He)是由2个质子、2个中子组成的，取质子的质量m p＝1.672 6×10－27 kg，中子的质量m n＝1.674 9×10－27 kg，α粒子的质量mα＝6.646 7×10－27 kg，光速c＝3.0×108 m/s.则α粒子的结合能为________．(结果保留两位有效数字)一、核力与四种基本相互作用1．核力(1)核力是四种相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现．(2)核力是短程力，约在10－15 m 数量级时起作用，距离大于0.8×10－15 m时为引力，距离小于0.8×10－15 m时为斥力，距离超过1.5×10－15 m时核力几乎消失．(3)核力具有饱和性，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，而不是与核内所有核子发生作用．2．四种基本相互作用的作用尺度(1)在原子核内，强相互作用将核子束缚在一起．(2)在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成液体和固体．(3)万有引力主要作用于宏观和宇宙尺度上，是万有引力使行星绕着恒星运行，并且联系着星系团．例1(2021·江西高二期中)关于核力，下列说法正确的是()A．核力的作用范围只有约10－15 mB．核力本质上属于电磁相互作用C．中子和中子之间不会有核力作用D．核力减小是发生β衰变的原因二、结合能和比结合能结合能把原子核分成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量比结合能等于原子核的结合能与原子核中核子数的比值，它反映了原子核的稳定程度比结合能曲线不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示从图中可看出，中等大小的核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等大小的核的比结合能要小例2(2021·苏州市高二期中)原子核的比结合能随质量数变化的图像如图，下列说法正确的是()A．质量数越大的原子核，核子结合得越牢固B.21H核比42He核稳定C.8936Kr核的结合能大于235 92U核的结合能D．两个21H核结合成42He核时释放能量三、质量亏损核能的计算1．质量亏损Δm的理解所谓质量亏损，并不是质量消失，而是减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了．反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给．2．质能方程E＝mc2的理解(1)根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比．物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作ΔE＝Δmc2.(2)运用质能方程时应注意单位．一般情况下，公式中各量都应取国际单位制单位．但在微观领域，用国际单位制单位往往比较麻烦，习惯上常用“原子质量单位”和“电子伏特”作为质量和能量的单位，1 u对应931.5 MeV能量．考向1爱因斯坦质能方程的理解例3下列有关质能方程的说法中，正确的是()A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度C．核反应中发生的“质量亏损”是消失的质量转变为能量D．因为在核反应中产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒、系统的总能量和总质量并不守恒考向2核能的计算例4(2021·长春市榆树高级中学高二期中)一个锂核(73Li)受到一个质子轰击，变成两个α粒子．质子的质量是1.672 6×10－27 kg，锂核的质量是11.650 5×10－27 kg，氦核的质量是6.646 7×10－27 kg，光速c＝3×108 m/s.(1)写出上述核反应的方程；(2)计算上述核反应释放出的能量．针对训练(多选)在某些恒星内，3个α粒子结合成一个12 6C，12 6C原子核的质量是12.000 0 u，4He原子核的质量是4.002 6 u，已知1 u的质量对应931.5 MeV的能量，则此核反应所释放2的核能约为()A．7.265 7 eV B．5.265 7 eVC．1.16×10－12 J D．1.16×10－9 J核能的计算方法1．根据质量亏损计算(1)根据核反应过程，计算核反应前和核反应后的质量亏损Δm.(2)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．①若Δm的单位是千克，则需要将c＝3×108 m/s代入，计算得到的ΔE的单位为焦耳．②若Δm的单位是原子质量单位u，则可用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算，即用质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV.(1 u相当于931.5 MeV)2．利用比结合能来计算核能原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数，核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能．。

核力与结合能一、选择题（1、3、4、6、7、9、11为多选题，其余为单项选择题）1．以下说法中正确的是（)A．每个核子只跟邻近的核子发生核力作用B．在原子核的尺度内,核力比库仑力大得多C．核力不可能表现为斥力D．原子核越大，它的结合能越大,原子核中核子结合越牢固解析核力是短程力，每个核子只跟邻近的核子发生核力作用,核力在大于0。

8×10－15m时表现为引力，而在距离小于0.8×10－15m 时表现为斥力，所以A、B两项正确,C项错误；原子核越大，它的结合能越大，但平均结合能越小,核中的核子结合越不牢固，D项错误．答案AB2．关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( )A．原子核中质子数和中子数一定相等B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多C．原子核都是非常稳定的D．由于核力的作用范围是有限的以及核力的饱和性，不可能无节制的增大原子核而仍稳定存在解析原子核中质子数和中子数不一定相等，特别是原子序数越大的原子核中,中子数比质子数多，且原子序数大的和小的都没有中等质量原子稳定，故A、B、C三项错误；又由于核力是极短程力及饱和性的特点，使原子核不可能无节制的增大,故D项正确．答案D3．对结合能、比结合能的认识，下列正确的是（）A．一切原子核均具有结合能B．自由核子结合为原子核时，可能吸收能量C．结合能越大的原子核越稳定D．比结合能越大的原子核越稳定解析由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量;反之，将原子核分开变为自由核子时需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，故A项正确，B项错误;核子较多的原子核的结合能大，但它的比结合能不一定大,比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C项错误，D项正确．答案AD4．铁的比结合能比铀核的比结合能大,下列关于它们的说法正确的是( ）A．铁的结合能大于铀核的结合能B．铁核比铀核稳定C．铀核发生核变化变成铁核要放出能量D．铀核发生核变化变成铁核质量要亏损解析铁核的比结合能大，则它稳定些，铀核比结合能小变成铁核会放出核能，出现质量亏损,B、C、D三项正确．答案BCD5．如图所示是描述原子核核子的平均质量错误!与原子序数Z的关系曲线,由图可知下列说法正确的是（）A．将原子核A分解为原子核B、C可能吸收能量B．将原子核D、E结合成原子核F可能吸收能量C．将原子核A分解为原子核B、F一定释放能量D．将原子核F、C结合成原子核B一定释放能量解析因B、C核子平均质量小于A的核子平均质量，故A分解为B、C时,会出现质量亏损，故放出核能，故A项错误，同理可得B、D两项错误，C项正确．答案C6．关于质能方程，下列哪些说法是正确的( ）A．质量减小,能量就会增加，在一定条件下质量转化为能量B．物体获得一定的能量，它的质量也相应地增加一定值C．物体一定有质量，但不一定有能量，所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系D．某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的解析质能方程E＝mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的，不能说质量转变成了能量，当物体获得一定的能量，即能量增加某一定值时，它的质量也相应增加一定值，并可根据ΔE＝Δmc2进行计算，故B、D两项正确．答案BD7．原子质量单位为u，1 u相当于931。

《核力与结合能》教学设计【课标要求】了解核力性质。

知道四种相互作用认识原子核的结合能。

【学习目标】（1）知道4种基本相互作用，知道核力的性质。

（2）认识原子核的结合能和比结合能的概念。

（3）能用质量亏损和智能方程计算核能相关的问题。

【教材分析】本节是在学生已经学习了原子核是由质子和中子组成的基础上，探究是什么作用使质子和中子有机的组成一个稳定的整体。

为此首先安排了“核力与四种相互作用”阐明万有引力、电磁力和核力分别在不同的尺度上发挥作用。

在这一部分，充分体现了大胆“猜想”在研究中的作用。

核力是从力的角度认识原子核，结合能是从能的角度认识原子核。

【学情分析】学生已经学习了库仑力，知道同种电荷之间相互排斥，但是质子带正电，是如何紧密结合在一起的。

如何从力的角度和能的角度认识原子核，也是学生比较想知道的。

同时这一部分的学习，为后续的裂变和聚变学习打下基础。

【教学过程】（1）问题引入原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成的。

在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子为什么能够挤在一起而不散开？是万有引力的作用吗？可以让学生通过计算，去比较万有引力和库仑力的大小，为了计算方便，仅给出数量级。

质子间距数量级为10-15m；质子质量数量级为10-27kg；质子电量数量级为10-19kg；万有引力常量数量级为10-11；静电力常量数量级109。

通过计算发现1929362721110==1010FF---⨯⨯库万（10）（10）由此看到，万有引力无法抵消库仑力斥力，物理学家发现：有第三种力存在，是这种力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。

这就是核力（2）核力使核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核的力1.核力是一种强相互作用。

在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。

2. 核力是短程力。

约在10-15m量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力；距离小于0.8×10-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起；距离为10×10-15m时核力几乎消失3. 核力具有饱和性，即每个核子只跟相邻的核子产生核力作用。

3．核力与结合能核心素养学习目标物理观念知道四种基本相互作用与核力的特点，了解结合能、比结合能和质量亏损的基本观念和相关实验。

科学思维理解核力是短程力，掌握比结合能和质量亏损，能用质能方程进行计算，提高分析、解决问题的能力。

科学探究通过教材上的科学推理，掌握其实质，培养科学推理的能力。

科学态度与责任学习科学家们严谨的科学态度，坚持实事求是，培养学习、探索科学的兴趣和责任。

知识点 1 核力与四种基本相互作用1．四种基本相互作用(1)引力相互作用，把行星和恒星聚在一起，组成太阳系，银河系和其他星系，是长程力。

(2)电磁相互作用，宏观物体中包含了大量带负电的__电子__和带正电的__原子核__宏观物体之间的__压力__、__拉力__、__弹力__、__支持力__等，都起源于这些电荷间的相互作用是长程力。

(3)强相互作用，原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得__核子__紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。

这种作用称为__强相互作用__，是短程力。

(4)弱相互作用，在某种放射现象中起作用的还有一种基本相互作用称为__弱相互作用__，弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，其力程比强相互作用更短，是短程力，作用范围只有__10－18 m__。

2．核力原子核由质子和中子组成，中子和质子靠强大的核力结合在一起。

(1)核力是强相互作用(强力)的一种表现。

(2)核力是短程力，作用范围在10－15 m之内。

知识点 2 结合能与质量亏损1．结合能原子核是__核子__凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要__能量__，这就是原子核的结合能。

2．比结合能(平均结合能)原子核的结合能与__核子数__之比，称作比结合能，也叫__平均__结合能。

比结合能越大，表示原子核中核子结合得越__牢固__，原子核越__稳定__。

__中等大小__的核的比结合能最大，最稳定。

3．质能方程物体的能量与它们质量的关系是：E＝__mc2__。

3．核力与结合能学习目标:1．[物理观念]知道四种基本相互作用与核力的特点,了解结合能、比结合能和质量亏损的基本观念和相关实验。

2．[科学思维]理解核力是短程力,掌握比结合能和质量亏损,能用质能方程进行计算,提高分析、解决问题的能力。

3．[科学探究]通过教材上的科学推理,掌握其实质,培养科学推理的能力。

4.[科学态度与责任]学习科学家们严谨的科学态度,坚持实事求是,培养学习、探索科学的兴趣和责任。

阅读本节教材,回答第115页“问题”并梳理必要的知识点。

教材P115“问题”提示:原子核内核子之间存在一种很强的相互作用,叫强相互作用,克服质子间的斥力,把质子紧紧地束缚在一起。

一、核力与四种基本相互作用1．强相互作用(1)定义:原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用,即存在一种核力,它使得核子紧密地结合在一起,形成稳定的原子核,这种作用称为强相互作用。

(2)特点:①核力是强相互作用的一种表现,在原子核内,核力比库仑力大得多。

②是短程力,作用范围只有约10－15 m。

2．弱相互作用(1)定义:在某些放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用,称为弱相互作用。

(2)也是短程力,作用范围只有10－18m。

3．四种基本相互作用说明:强相互作用是短程力,每个核子只跟相邻的核子发生作用,也叫核力的饱和性。

二、结合能和质量亏损1．结合能原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开,也需要能量,这就是原子核的结合能。

2．比结合能原子核的结合能与核子数之比,称作比结合能,也叫平均结合能。

比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。

中等大小的核的比结合能最大,最稳定。

3．质能方程物体的能量与它们质量的关系是:E＝mc2。

4．质量亏损原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。

注意:原子核的核子结合成原子核释放的能量与把它们分开需要的能量相等。

1．思考判断(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)核力是强相互作用,在任何情况下都比库仑力大。

核力与结合能必备知识·素养奠基一、核力与四种基本相互作用1。

核力：原子核里的核子间存在着相互作用的核力,核力把核子紧紧地束缚在核内,形成稳定的原子核。

2.核力特点:（1)核力是核子间的强相互作用的一种表现,在它的作用范围内，核力比库仑力大得多。

（2）核力是短程力，作用范围在10-15__m之内。

3.四种基本相互作用:二、结合能与质量亏损1.结合能和比结合能:（1)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开也需要能量,这就是原子核的结合能。

（2)比结合能（平均结合能）：原子核的结合能与核子数之比称为比结合能。

比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定,中等大小的核的比结合能最大、最稳定.2。

质量亏损：(1）爱因斯坦质能方程E=mc2。

（2)质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。

（3)核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm,与它们在互相结合过程中放出的能量ΔE的关系是ΔE=Δm·c2。

关键能力·素养形成一核力与四种基本相互作用1。

核力的性质:（1）核力是四种相互作用中的强相互作用（强力)的一种表现.(2)核力是短程力。

约在10—15 m时起作用。

(3）核力具有饱和性。

核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。

(4)核力具有电荷无关性。

核力与核子电荷无关。

2.原子核中质子与中子的比例关系:（1)较轻的原子核质子数与中子数大致相等,但对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多。

（2)形成原因。

①若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大,核力和电磁力都会减小,但核力减小得更快。

所以当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了。

②若只增加中子，因为中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力,所以有助于维系原子核的稳定,所以稳定的重原子核中子数要比质子数多。

5.3核力与结合能【学习目标】一、知识与技能1．知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用。

2．知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小。

3．理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损。

4．知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。

二、过程与方法1．会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能。

2．培养理解能力、推理能力、及数学计算能力。

三、情感、态度与价值观1．树立起实践是检验真理的标准、科学理论对实践有着指导和预见作用的能力。

2．认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。

【学习重点】质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解。

【学习难点】结合能的概念、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系。

【学习过程】一、核力与四种基本相互作用1．核力：原子核里的________间存在着相互作用的核力，________把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。

提问：那么核力有怎样特点呢？2．核力特点：（1）核力是______________________的一种表现。

（2）核力是___________力，作用范围在________________m之内。

（3）核力存在于______________之间，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的_____________。

（4）核力具有_______________。

对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。

3．四种相互作用（1）_________________________。

（2）_________________________。

（3）_________________________。

（4）_________________________。

二、结合能1．结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们________，也需要能量，这就是原子核的结合能。

2．组成原子核的核子数越多，结合能_____________。