第5章 3 核力与结合能-【精彩三年】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册课程探究与巩固教师用书配套课件PPT（人教版）

第五章 原子核 3　核力与结合能 课程解读 课标要点 学科素养 链接浙江选考 了解核力的性质，知道四种基本相互作用 认识原子核的结合能 物理观念：进一步形成运动与相互作用观、能量观 1．了解核力与四种基本相互作用 2．认识原子核的结合能、比结合能 3．理解质量亏损、质能方程E＝mc2 目录 CONTENTS 新教材•知本与思辨 新教材•拓展与应用 01 02 新教材•知本与思辨 01 1．核力：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。 知识点一　核力与四种基本相互作用 2．强相互作用的特点 (1)强相互作用是短程力，作用范围只有约10-15 m。距离增大时，强相互作用急剧减小。超过10-15 m，相互作用不存在。 (2)核子只对相邻的核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。 (3)核力具有电荷无关性。核力与核子是否带电荷及核子所带电荷的电性无关。 3．四种基本相互作用 4．四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用 (1)引力相互作用：引力主要在宏观尺度上“独领风骚”。引力使行星绕着恒星转动，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状。 (2)电磁相互作用：电磁力在原子核外起作用，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)强相互作用：在原子核内，强相互作用将核子束缚在一起，强相互作用是短程力。 (4)弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强相互作用的力程更短，为10-18 m，作用强度则比电磁力小。 5．原子核中质子与中子的比例关系 (1)在较轻的原子核中，质子数与中子数大致相等，但在较重的原子核中，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。由于核力的作用范围是有限的，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。 1．判断题(正确的打“√”，错误的打“”) (1)核力是强相互作用的一种表现。(　 　) (2)核力是短程力。(　 　) (3)较轻的原子核的质子数与中子数大致相等。(　 　) 2．思考题：质子带正电、中子不带电，为什么它们(核子)紧密地结合在一起，构成原子核？ 【答案】 质子间、中子间以及质子与中子间存在的核力使它们紧密地结合在一起。 思辨 √ √ √ 1．结合能 (1)结合能和比结合能 知识点二　结合能与质量亏损 结合能 把原子核拆分成核子时所需要的能量或核子结合成原子核时放出的能量 比结 合能 原子核的结合能与核子数之比，也叫平均结合能，它反映了原子核的稳定程度 (2)质量亏损 ①定义：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。 ②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。 (3)对质能方程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。若物体的质量增加，则总能量随之增加；若质量减少，则总能量也随之减少。质能方程也写作ΔE＝Δmc2。 ②运用质能方程时应注意物理量的单位。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相当于931.5 MeV能量。 1．判断题(正确的打“√”，错误的打“”) (1)原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，需要的能量等于原子核的结合能。(　 　) (2)结合能越大，原子核中的核子结合得越牢固。(　 　) (3)比结合能越大，原子核越稳定。(　 　) 2．思考题：为什么中等大小的原子核最稳定？ 【答案】 因为中等大小的原子核的比结合能最大，故中等大小的原子核最稳定。 思辨 √ × √ 新教材•拓展与应用 02 A．核力、万有引力、库仑力 B．万有引力、库仑力、核力 C．库仑力、核力、万有引力 D．核力、库仑力、万有引力 【解析】 核力是强相互作用力，是它将核子束缚在原子核内；库仑力如果大于核力，原子核内的质子就不能存在于这么小的范围内；万有引力最弱，研究核子间相互作用时万有引力可以忽略，故选D。 类型一　对核力的理解 D 活学活用 (多选)下列关于四种基本相互作用的说法正确的是(　 　) A．四种基本相互作用是独立存在的，有一种相互作用存在时，就一定不存在其他相互作用 B．核力属于强相互作用力 C．强相互作用和弱相互作用只存在于微观粒子之间 D．四种基本相互作用的规律有很多相似之处，因此科学家可能建立一种“统一场论”将四者统一起来 BCD 活学活用 【解析】 四种基本相互作用的规律既是独立的，又是统一的，有一种相互作用存在时，还可以存在其他相互作用，故A错误；核力属于强相互作用力，强相互作用存在于原子核内，作用范围在1.5×10-15 m之内，弱相互作用力是微观粒子之间的一种作用力，作用距离约10-18 m，强相互作用和弱相互作用都是短程力，只存在于微观粒子之间，故B、C正确；四种基本相互作用的“统一场论”的建立正是当前科学家的努力方向，故D正确。 计算核能的常用方法 1．根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能。 2．根据1 u相当于931.5 MeV能量来计算核能。 3．在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能全部转化为生成的新核和新粒子的动能。 类型二　结合能与质量亏损 类型二　结合能与质量亏损 A 类型二　结合能与质量亏损 活学活用 B 本课点睛 课后请完成高效作业32 1．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。 2．比结合能(平均结合能)：原子核的结合能与原子核中核子个数的比值。 3．质量亏损Δm：原子核的所有单个质子与单个中子质量的总和与原子核质量之差。 4．质能方程E＝mc2。 感谢聆听，再见！ 比结合 能曲线 不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。 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一般情况下比中等大小的核的比结合能要小 C的核由6个质子与6个中子组成，相邻的两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则三种力从大到小的排列顺序是(　 　) 2023年4月12日21时，中国科学院合肥物质研究院的全超导托卡马克科学实验装置EAST成功实现了403 s稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，创造了托卡马克装置高约束模式运行新的世界纪录。已知该装置中的核反应方程是H＋H―→He＋n＋17.6 MeV，H的比结合能为1.09 MeV，H的比结合能为2.78 MeV，由此可知He的比结合能为(　 　) A．7.03 MeV B．5.56 MeV C．4.36 MeV D．3.87 MeV 【解析】 设He的比结合能为E1，根据放能的核反应发生规律：释放的能量等于生成物的结合能与反应物的结合能之差，有17.6 MeV＝ΔE＝4E1－(2×1.09 MeV＋3×2.78 MeV)，解得E1＝7.03 MeV，故选A。 中国科学院全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)中，若某次聚变反应是4个氢核H结合成1个氦核He，同时释放出正电子e，已知氢核的质量为mp，氦核的质量为mα，正电子的质量为me，真空中光速为c，则此次核反应释放的能量为(　 　) A． (4mp－mα－me)c2 B．(4mp－mα－2me)c2 C．(4mp＋mα－me)c2 D．(4mp＋mα－2me)c2 【解析】 核聚变方程为4H―→He＋2e，根据质能方程，可知核反应释放的能量ΔE＝(4mp－mα－2me)c2，故选B。 $$