新教材高中物理第五章原子核第3節(jié)核力與結(jié)合能學案新人教版選擇性必修第三冊

PAGEPAGE8第3節(jié)核力與結(jié)合能課標解讀課標要求素養(yǎng)要求1.知道四種基本相互作用，了解核力的性質(zhì)。2.認識原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能。3.知道什么是質(zhì)量虧損，能應用愛因斯坦質(zhì)能方程進行計算。1.物理觀念：知道四種基本相互作用與核力的特點，了解結(jié)合能、比結(jié)合能和質(zhì)量虧損的基本觀念和相關(guān)實驗。2.科學思維：理解核力是短程力，掌握比結(jié)合能和質(zhì)量虧損，能用質(zhì)能方程進行計算，提高分析、解決問題的能力。3.科學探究：通過教材上的科學推理，掌握其實質(zhì)，培養(yǎng)科學推理的能力。4.科學態(tài)度與責任：學習科學家們嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，培養(yǎng)探索科學的興趣和責任。自主學習·必備知識教材研習教材原句要點一結(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①。這個能量也是核子結(jié)合成原子核而釋放的能量。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。要點二質(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，這個現(xiàn)象叫作質(zhì)量虧損②。質(zhì)量虧損表明，的確存在著原子核的結(jié)合能。自主思考①（1）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，這種說法對嗎？（2）結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定嗎？答案：提示（1）不對，原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開需要能量，叫結(jié)合能。（2）對于核子較多的原子核，其結(jié)合能大，但它的比結(jié)合能不一定大，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。所以，比結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性。②用α粒子轟擊鈹(49Be答案：提示該同學的說法錯誤，核反應過程中質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒。名師點睛1.結(jié)合能的理解（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。2.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中才能明顯地表現(xiàn)出來。（3）Δm是核反應前與核反應后的質(zhì)量之差。互動探究·關(guān)鍵能力探究點一核力知識深化1.四種基本相互作用的理解（1）引力相互作用：引力主要在宏觀和宏觀尺度上“獨領(lǐng)風騷”。是引力使行星繞著恒星轉(zhuǎn)，并且聯(lián)系著星系團，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，是長程力。（3）強相互作用：在原子核內(nèi)，將核子束縛在一起，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，其力程比強相互作用更短，為10-182.核力的理解（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（3）核力具有飽和性。核子只跟相鄰的核子產(chǎn)生較強的引力，而不是與核內(nèi)所有核子發(fā)生作用。（4）核力與核子是否帶電無關(guān)，質(zhì)子與質(zhì)子間、質(zhì)子與中子間、中子與中子間都可以有核力作用。題組過關(guān)1.（多選）對核力的認識，下列說法正確的是()A.任何核子之間均存在核力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.核力只發(fā)生在相距為1.5×10-15m的核子之間，大于0.8×答案：B;D解析：由核力的特點知道，核力的作用范圍只有約10-15探究點二結(jié)合能情境探究如圖所示是不同原子核的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)變化的大致曲線。（1）從圖中看出，中等質(zhì)量的原子核與重核、輕核相比，比結(jié)合能有什么特點？比結(jié)合能的大小反映了什么？（2）比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化為比結(jié)合能較大的原子核時是吸收能量還是釋放能量？答案：提示（1）中等質(zhì)量的原子核比結(jié)合能較大，比結(jié)合能的大小反映了原子核的穩(wěn)定性比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定。（2）釋放能量。探究歸納1.結(jié)合能和比結(jié)合能的理解（1）結(jié)合能不是核子結(jié)合成原子核需要的能量，而是將原子核的核子拆開時需要的能量。（2）比結(jié)合能比結(jié)合能更有意義，它反映了原子核結(jié)合的穩(wěn)定程度或分裂的難易程度。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。探究應用例(多選)下列關(guān)于結(jié)合能和比結(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B.原子核拆解成核子時要吸收能量C.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D.重核與中等質(zhì)量原子核相比較，重核的結(jié)合能和比結(jié)合能都大答案：A;B解析：核子結(jié)合成原子核要放出能量，原子核拆解成核子要吸收能量，A、B兩項正確；比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但比結(jié)合能越大的原子核，其結(jié)合能不一定大，例如中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比重核的大，但由于核子數(shù)比重核的少，其結(jié)合能比重核的小，C、D兩項錯誤。遷移應用1.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(55133CsD.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項錯誤；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項錯誤；銫原子核(55133Cs)的核子數(shù)小于鉛原子核(82208Pb)的核子數(shù)，故銫原子核探究點三質(zhì)量虧損和核能的計算情境探究如圖所示是兩個核子數(shù)很小的輕核氘、氚結(jié)合成一個核子數(shù)大一些的氦核，原子核轉(zhuǎn)變示意圖如圖。（1）在核反應過程中質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)是否守恒？（2）在該核反應過程中會釋放出能量，反應前后原子核的質(zhì)量是否會發(fā)生變化？答案：提示（1）在核反應中，質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)是守恒的。（2）會發(fā)生變化，質(zhì)量會減少。探究歸納1.質(zhì)量虧損的理解（1）在核反應中仍遵守質(zhì)量守恒和能量守恒，所謂的質(zhì)量虧損并不是這部分質(zhì)量消失或質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊＃?）物體的質(zhì)量應包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量。質(zhì)量虧損是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(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，轉(zhuǎn)化為和輻射能量相聯(lián)系的運動質(zhì)量。（3）從質(zhì)量虧損可知，質(zhì)量是物體具有能量的多少及能量轉(zhuǎn)化多少的一種量度。2.質(zhì)能方程E=mc（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=mc（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；質(zhì)量減少，總能量也隨之減少，這時質(zhì)能方程也寫成ΔE=Δmc3.核能的計算方法（1）根據(jù)質(zhì)量虧損計算①根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2計算。其中Δm的單位是千克，②利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計算。1原子質(zhì)量單位(u)相當于931.5?MeV的能量，ΔE=Δm×931.5?MeV，其中Δm的單位為u，（2）利用平均結(jié)合能來計算原子核的結(jié)合能=核子的平均結(jié)合能×核子數(shù)。（3）利用核反應前后結(jié)合能之差來計算核反應中反應前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應后生成的所有新核的總結(jié)合能之差，就是該核反應所釋放(或吸收)的核能。4.判斷核反應過程是釋放能量還是吸收能量的方法（1）根據(jù)反應前后質(zhì)量的變化情況進行判斷：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)動能變化判斷：若不吸收光子而動能增加則放出能量。探究應用例1一個鋰核(37Li)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（1）寫出上述核反應的方程；（2）計算上述核反應釋放出的能量。答案：（1）?（2）2.691×解析：（1）?（2）核反應的質(zhì)量虧損Δm=代入數(shù)據(jù)得Δm=2.99×釋放的能量ΔE=Δm例2?13H的質(zhì)量是3.016050?u，質(zhì)子的質(zhì)量是1.007277?u，中子的質(zhì)量為1.008665?（1）一個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合為氚核時，是吸收還是放出能量？該能量為多少？（2）氚核的結(jié)合能和比結(jié)合能各是多少？答案：（1）放出能量7.97?MeV（2）解析：（1）一個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成氚核的反應方程為?反應前各核子總質(zhì)量為m反應后新核的質(zhì)量為m質(zhì)量虧損為Δm=(3.024607-3.016050)因反應前的總質(zhì)量大于反應后的總質(zhì)量，故此核反應放出能量釋放的能量為ΔE=0.008557×931.5?（2）氚核的結(jié)合能為ΔE=7.97?它的比結(jié)合能為ΔE解題感悟核能的兩種單位換算技巧（1）若以kg為質(zhì)量虧損Δm的單位，則計算時應用公式ΔE=Δmc2，核能的單位為（2）若以原子質(zhì)量單位“u”為質(zhì)量虧損Δm的單位，則ΔE=Δm×931.5?MeV，核能的單位為MeV（3）兩種單位的換算：1?MeV遷移應用1.（2021天津河西高三期中）關(guān)于質(zhì)能方程E=mcA.質(zhì)量和能量可以相互變化B.當物體向外釋放能量為ΔE時，其質(zhì)量必定增加Δm，滿足ΔE=ΔmC.物體的核能可以用mcD.mc答案：D解析：mc2是物體所蘊藏能量的總和，不表示核能，質(zhì)量和