第5章 3.核力与结合能(课件PPT)-【赢在微点·轻松课堂】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版2019）

高中物理 选择性必修 第三册 赢在微点 轻松课堂 物理 第五章 原子核 3.核力与结合能 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 —— —— 稳健启程 新知初步构建 课前·新知初探 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 电磁力 万有引力 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 核子 能量 核子数 平均 牢固 稳定 中等大小 mc2 小于 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 × √ √ √ 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 —— —— 细研深究 萃取知识精华 课堂·合作探究 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 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随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 点击 导航 课堂·合作探究 课前·新知初探 3.核力与结合能 随堂·达标自测 轻松课堂 高中物理 选择性必修 第三册 第 ‹#› 页 赢在字里行间 学习目标 1.了解四种基本相互作用,知道核力的概念和特点。 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。 情境导入 　　原子核由质子和中子组成,质子带正电荷,质子之间有静电斥力作用。原子核很小,这些都带正电荷的质子距离很近,静电斥力应该很大,原子核早就该分崩离析了,但事实上原子核很稳定。这其中一定有另外的作用力使这些核子能够紧紧地“团结”在一起。 　　核子之间还会有什么力作用呢?这种力会比电磁力大得很多吗? 知|识|梳|理 一、四种基本相互作用 — 二、结合能和质量亏损 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，表示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。  3.质能方程。 物体的能量与它们质量的关系是：E=　　　　。  4.质量亏损。 原子核的质量　　　　组成它的核子的质量之和的现象。  预|习|自|检 1.判断正误(正确的画“√”，错误的画“×”) (1)原子核中粒子所受的万有引力和电磁力可以达到平衡。 ( ) (2)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。 ( ) (3)比结合能越大，原子核越稳定。 ( ) (4)质能方程E=mc2表明了质量与能量间的一种对应关系。 ( ) 2.通过百余年核物理的发展和进步，人们已经对原子核有了更进一步的认识，下列说法正确的是 (　　) A.两个质子之间，不管距离如何，核力总是大于库仑力 B.原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需要的能量 C.比结合能越小，原子核越稳定 D.由爱因斯坦质能方程可知，质量和能量可以相互转化 解析　核力属于短程力，当两个质子相距很近时，核力大于库仑力；两质子的间距大于一定距离时，核力小于库仑力，A项错误；原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需要的能量，B项正确；比结合能越大，原子核越稳定，C项错误；爱因斯坦质能方程只是反映了质量与能量之间的关系，质量和能量不可以相互转化，D项错误。 答案　B 答案与解析 探究一 四种基本相互作用及核力的性质 1.四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用。 (1)引力相互作用：引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状。万有引力是长程力。 (2)电磁相互作用：电磁力在原子核外，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)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，其力程比强力更短，为10-18 m，作用强度则比电磁力小。 2.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，距离为10×10-15 m时核力几乎消失。 (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。 3.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，其中子数大于质子数，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。 ③由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，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。 【例1】　下列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，所以不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在 解析　质量较大的原子核内中子数多于质子数，质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A、B两项错误；原子核可以发生衰变，故C项错误；由核力作用特点可知，核子数越多的原子核越不稳定，故D项正确。 答案　D 答案与解析 【针对训练1】　在自然界稳定的原子核中，中子数(N)和质子数(Z)之间的关系如图所示。根据图中所提供的信息及原子核的有关知识，对于在自然界中的稳定原子核，下列说法正确的是 (　　) A.较轻的原子核，质子数和中子数大致相等 B.较重的原子核，质子数大于中子数 C.越重的原子核，质子数和中子数差值越小 D.在很大的原子核中，可以有质子数和中子数相等的情况 解析　根据题中给的中子数(N)和质子数(Z)关系图可知，较轻的原子核，质子数和中子数大致相等；而较重的原子核，中子数明显多于质子数，A项正确，B项错误；由题图可知，越重的原子核，中子数和质子数差值越大，C项错误；在很大的原子核中，由于核力明显减弱，质子和质子间的排斥作用，导致质子结合到原子核的数目越来越少，不可能出现质子数和中子数相等的情况，D项错误。 答案　A 答案与解析 探究二 对结合能和比结合能的理解 1.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，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核的比结合能要小。 2.比结合能与原子核稳定的关系。 (1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定。 (2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。 (3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。 【例2】　(多选)对结合能、比结合能的认识，下列说法正确的是 (　　) A.自然界中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，释放出能量，反之，将原子核分开变为自由核子需要赋予相应的能量，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　AD 答案与解析 【针对训练2】　(多选)关于核力与结合能，下列说法正确的是 (　　) A.核力是强相互作用的一种表现，原子核尺度内，核力比库仑力大 B.比结合能越大，原子核越不稳定 C.比结合能小的原子核拆分成比结合能大的原子核时会释放核能 D.一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和必小于原来重核的结合能 解析　核力是短程力，作用范围在1.5×10-15 m之内，核力是强相互作用力的一种体现，在相邻的核子间，核力远大于库仑力，A项正确；比结合能越大，原子核中的核子结合的越牢固，原子核越稳定，B项错误；比结合能小的原子核拆分成比结合能大的原子核时，因为在该过程中出现了质量的亏损，根据爱因斯坦的质能方程可知，这个过程会释放巨大的能量，俗称核能，C项正确；一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，要释放能量，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，故D项错误。 答案　AC 答案与解析 探究三 质能方程和核能的计算 1.对质能方程和质量亏损的理解。 (1)质能方程。 质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E=mc2。 (2)质量亏损。 质量亏损，并不是质量消失，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。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，这时质能方程写为ΔE=Δmc2。 2.核能的计算方法。 (1)根据质量亏损计算。 ①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm。 ②根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算核能。 其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳。 (2)利用原子质量单位u和电子伏特计算。 根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE=Δm×931.5 MeV。其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV。 【例3】　取质子的质量mp=1.672 6×10-27 kg，中子的质量mn=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。请计算α粒子的结合能。(结果保留两位有效数字) 解析　组成α粒子的核子与α粒子的质量差 Δm=(2mp+2mn)-mα， 结合能ΔE=Δmc2， 代入数据得ΔE=4.3×10-12 J。 【针对训练3】　质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3。当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速) (　　) A.(m1+m2-m3)c B.(m1-m2-m3)c C.(m1+m2-m3)c2 D.(m1-m2-m3)c2 解析　一个质子和一个中子结合成氘核时，质量亏损Δm=m1+m2-m3，根据质能方程，释放的能量ΔE=Δmc2=(m1+m2-m3)c2，C项正确，A、B、D三项错误。 答案　C 答案与解析 1.在下列判断中，正确的是 (　　) A.组成U核的核子中任何两个核子之间都存在不可忽略的核力作用 B.组成U核的中子中任何两个中子之间都存在不可忽略的核力作用 C.组成U核的质子中任何两个质子之间都存在不可忽略的库仑斥力作用 D.组成U核的质子中任何两个质子之间都存在不可忽略的核力作用 解析　核力属于短程力，由于组成U核的核子较多，两核子之间的距离可能超过核力的作用范围，所以某些核子之间的作用力可能比较小，A、B、D三项均错误；但两质子之间都存在库仑斥力的作用，C项正确。 答案　C 答案与解析 2.下列说法正确的是 (　　) A.质子数与中子数相等的原子核最稳定 B.若两个核子间的距离为1.2×10-15 m，则它们间的核力表现为引力 C.两个核子间的核力一定为引力 D.两个质子间的核力与库仑力一定是一对平衡力 解析　中等质量的原子核最稳定，但这些原子核内的质子数和中子数不一定相等，A项错误；两个核子间的距离0.8×10-15 m<r<1.5×10-15 m时表现为引力，r<0.8×10-15 m时表现为斥力，B项正确，C项错误；一个质子可以受到多个质子对它的库仑力作用，而核力只发生在相邻的核子间，两个质子间的核力与库仑力不一定形成平衡力，D项错误。 答案　B 答案与解析 3.(多选)对公式ΔE=Δmc2的理解正确的是 (　　) A.如果物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm B.如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2 C.Δm是某原子核在衰变过程中增加的质量 D.在把核子结合成原子核时，若放出的能量是ΔE，则这些核子与组成的原子核的质量之差就是Δm 解析　一定质量对应于一定的能量，物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm，即发生质量亏损，所以A、D两项正确；如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2，所以B项正确；某原子核在衰变时，一定发生质量亏损，所以C项错误。 答案　ABD 答案与解析 4.(多选)一静止的铝原子核Al俘获一速度为1.0×107 m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核Si*。下列说法正确的是 (　　) A.核反应方程为pAlSi* B.核反应过程中系统能量不守恒 C.核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和 D.硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向与质子初速度的方向一致 解析　核反应过程中遵循质量数守恒和电荷数守恒，核反应方程为pAl Si*，A项正确；核反应过程中遵从动量守恒定律和能量守恒定律，B项错误；核反应中发生质量亏损，生成物的质量小于反应物的质量之和，C项错误；根据动量守恒定律有mpvp=mSivSi，碰撞后硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向与质子初速度方向一致，D项正确。 答案　AD 答案与解析 清洁能源是指不排放污染物、能够直接用于生产生活的能源，它包括核能和可再生能源，当今，全世界大约16%的电能是由核反应堆生产的。核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物在大气中，核能发电不会造成空气污染。核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1 000百万瓦的核能电厂只需30吨的铀燃料。核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济形势影响，故发电成本较其他发电方式稳定。核能发电实际上是最安全的电力生产方式，相比较而言，在煤炭、石油和天然气的开采过程中，爆炸和坍塌事故已使成千上万的从业者失去了生命。 【快乐体验】　核电池由产热单元和热电转换单元两部分构成。某型核电池产热单元构造如图所示，PuO2(二氧化钚)被密封在导热容器中，PuO2中的钚原子核会自发产生衰变PuUHe，放出的α粒子与导热容器内壁发生碰撞，粒子的动能转化为内能，使得容器温度升高，从而让热电转换单元发电。下列说法正确的是 (　　) A.衰变产物U的比结合能大于Pu的比结合能 B.衰变产物U的比结合能小于Pu的比结合能 C.随着容器内温度升高，核衰变会逐渐加快 D.U继续发生衰变产生气体氡，越来越多的氡会使得容器内压强增大，导致核衰变逐渐慢下来 解析　比结合能越大，原子核结合得越牢固，原子核越稳定，则衰变产物U的比结合能大于Pu的比结合能，A项正确，B项错误；放射性元素的半衰期与原子核所处的物理环境和化学状态无关，由原子核内部因素决定，故C、D两项错误。 答案　A 答案与解析 $$