5.3 核力与结合能（教用Word）-【金榜题名】2025-2026学年高二物理选择性必修第三册同步学案（人教版）

本讲义聚焦核力与结合能核心知识点，系统梳理四种基本相互作用（引力、电磁、强、弱），深入剖析核力的短程性与强相互作用特性，通过质量亏损与质能方程ΔE=Δmc²建立结合能、比结合能与原子核稳定性的关联，形成从相互作用到能量转化的完整知识脉络，辅以问题探究、知识深化等学习支架。 资料以科学探究为导向，设计“He稳定存在原因”等问题链引导学生思考，通过α粒子结合能计算等例题培养科学推理能力，自我诊断与分层练习助力巩固。课中辅助教师实施启发式教学，课后帮助学生查漏补缺，有效提升物理观念构建与科学思维发展。

5.3　核力与结合能 学习 目标 1.知道四种基本相互作用，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.能用质量亏损和质能方程计算核能相关的问题。 一、核力与四种基本相互作用 1.17世纪下半叶，牛顿发现了万有引力，引力是自然界的一种基本相互作用。 2.19世纪后，人们认识到电荷间的相互作用、磁体间的相互作用，从本质上说是同一种相互作用的不同表现，这种相互作用称为电磁相互作用。 3.核力 （1）定义：原子核内核子之间的相互作用力。 （2）核力的特点 ①核力是强相互作用的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多。 ②核力是短程力，作用范围约10－15m。 4.四种基本相互作用 弱相互作用比强相互 作用的力程更短，为 10－18m 在相同的距离上，电磁力 大约比万有引力强1035倍Ｋ 二、结合能和质量亏损 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＝Δmc2。 3.比结合能应用前景 （1）中等大小的核的比结合能最大，这些核最稳定。 （2）使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，都将释放新的结合能。 [自我诊断] 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（He）是由2个质子、2个中子组成的，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＝6.6467×10－27 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） 答案：4.3×10－12J 一、核力与四种基本相互作用 [问题探究] 　如图为H和He的原子核结构示意图。 （1）质子都带正电，质子与质子之间存在着库仑斥力，为什么He还能稳定地存在？ （2）自然界中存在的元素是有限的，为什么质子与中子不能随意地组合从而形成无数不同的原子核？ 答案：（1）核子之间还存在着核力作用。 （2）当核子增多时，原子核增大，核子间的距离也增大，当距离较大时，一些核子间可能就没有核力的作用了，这样形成的核不稳定，最终会瓦解。因此质子与中子不能随意地组合形成无数不同的原子核。 [知识深化] 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）强力：即强相互作用，在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力。 （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1 0×10－15 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。 　（多选）关于核力，下列说法中正确的是（　　） A.核力是一种特殊的万有引力，存在于原子核内所有的核子间 B.原子核内只有相邻的两个核子间才有核力作用 C.核力是原子核能稳定存在而不“分崩离析”的原因 D.核力是一种短程强相互作用力，其作用的范围仅在1.5×10－15 m内 解析：选BCD　核力是仅存在于相邻核子间的短程强相互作用力，而万有引力在任何有质量的物体间都存在，且远小于核力，A错误，B、D正确；因为有了强大的核力平衡了原子核内质子间的库仑力，才使原子核稳定存在，C正确。 [针对训练] 对核力的认识，下列说法正确的是（　　） A.任何物体之间均存在核力 B.核力广泛存在于自然界中的核子之间 C.核力只存在于质子之间 D.核力只发生在相距1.5×10－15 m的核子之间，大于0.8×10－15 m时为引力，而小于0.8×10－15 m时为斥力 解析：选D　核力发生在核子之间，由核力的特点知，只有相距1.5×10－15 m以内的核子之间存在核力，由此可知D正确，A、B、C错误。 二、结合能 1.结合能：要把原子核分开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：等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值，它反映了原子核的稳定程度。 3.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要小。 4.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。 　（多选）如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验的装置示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中A、B、C、D四个位置时观察实验现象，下述说法中正确的是（　　） A.放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多 B.放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置稍少些 C.放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数要比A位置少很多 D.放在C、D位置时，屏上观察不到闪光 解析：选AC　在卢瑟福α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进，故A正确；少数α粒子发生较大偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，极个别α粒子被反射回来，故B、D错误，C正确。 　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.H核比He核稳定 C.Kr核的结合能大于U核的结合能 D.两个H核结合成He核时释放能量 解析：选D　中等质量数的原子核比结合能较大，核子结合得牢固，选项A错误；He核的比结合能比H核大，则He核更稳定，选项B错误；Kr核的比结合能大于U核的比结合能，但是Kr核的结合能小于U核的结合能，选项C错误；两个H核结合成；He核时释放能量，选项D正确。 　　（1）比结合能的大小反映了原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核越稳定。 （2）结合能ΔE＝n，由核子数和比结合能共同决定。 （3）中等大小的原子核的比结合能较大，因而中等大小的原子核较稳定。　　 三、质量亏损 1.质量亏损：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提供。 2.质能方程E＝mc2 （1）质能方程说明一定的质量总是跟一定的能量相联系。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，E＝mc2，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。 （2）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；物体质量减少，总能量也随之减少，故质能方程也写成ΔE＝Δmc2。 3.判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法 （1）根据反应前后质量的变化情况进行判断，若质量减少即发生了质量亏损，则释放能量；若质量增加，则吸收能量。 （2）根据动能变化判断，若不吸收光子而动能增加则放出能量。 　（多选）下列对公式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地减少Δm B.如果物体的能量增加了Δm，它的能量也一定相应地增加Δmc2 C.Δm是某原子核在衰变过程中增加的质量 D.在核子结合成原子核时，若放出的能量是ΔE，则这些核子的质量和与组成的原子核的质量之差就是Δm 解析：选ABD　一定的质量对应一定的能量，物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应地减少Δm，即发生质量亏损，选项A、D正确。如果物体的质量增加了Δm，它的能量一定相应地增加Δmc2，选项B正确。原子核在衰变时，一定发生质量亏损，选项C错误。 　（多选）氘核和氚核的核反应方程为H＋H→He ＋n，已知H的比结合能是2.78 MeV；H的比结合能是1.09 MeV，He的比结合能是7.03 MeV，下列说法中正确的是（　　） A.氦原子核由两个质子和两个中子组成，其中两个质子之间三种作用力从大到小的排列顺序为：核力、库仑力、万有引力 B.反应后生成的氦核的结合能为 14.06 MeV C.该核反应过程释放出的能量为 17.6 MeV D.原子核的比结合能大小可反映原子核的稳定程度，该值随质量数的增加而增大 解析：选AC　根据原子核的组成理论，氦原子核由两个质子和两个中子组成，其中两个质子之间三种作用力从大到小的排列顺序为：核力、库仑力、万有引力，故A正确。反应后生成的氦核的结合能为4×7.03 MeV＝28.12 MeV，故B错误；氘核的比结合能为E1，氘核的比结合能为E2，氦核的比结合能为E3，根据比结合能等于结合能与核子数的比值，该核反应中释放的核能ΔE＝4E3－2E1－3E2＝4×7.03 MeV－2×1.09 MeV－3×2.78 MeV＝17.6 MeV，故C正确；比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢靠，原子核越稳定，比结合能并非随着质量数的增加而增大，故D错误。 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。　　 1.（多选）核力具有下列哪些性质（　　） A.核力是短程力，作用范围很小，只在相邻核子间发生 B.核力是一种引力，核力把核子紧紧束缚在核内，形成稳定的原子核 C.质子间、中子间、质子和中子之间都可以有核力 D.核力是一种强相互作用力，在其作用范围内，核力比库仑力大得多 解析：选ACD　核力作用的范围在1.5×10－15 m之内，只在相邻核子间发生，是短程力，选项A正确；核力既能表现为引力，又能表现为斥力，选项B错误；核力是核子之间的强相互作用力，在其作用范围内，比库仑力大得多，选项C、D正确。 2.下列关于结合能和比结合能的说法正确的是（　　） A.核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能 B.比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大 C.重核与中等质量的原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大 D.中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大 解析：选D　核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，选项A错误；比结合能越大的原子核越稳定，但比结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的比结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核小，选项B、C错误；中等质量原子核的比结合能比轻核的大，它的核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，选项D正确。 3.（多选）在某些恒星内，3个α粒子结合成1个C原子，C原子的质量是12.0000 u，He原子的质量是4.0026 u。已知1 u＝1.66×10－27 kg，则（　　） A.反应过程中的质量亏损是0.007 8 u B.反应过程中的质量亏损是1.29×10－29 kg C.反应过程中释放的能量是7.26 MeV D.反应过程中释放的能量是1.16×10－19 J 解析：选ABC　由题意可得核反应方程为3He―→C＋ΔE。则核反应中的质量亏损为Δm＝（3×4.0026－12. 0000） u＝0.0078 u＝0.0078×1.66×10－27 kg≈1.29×10－29 kg，由质能方程得ΔE＝Δmc2＝1.29×10－29×（3×108）2 J＝1.161×10－12 J≈7.26 MeV。故正确答案为A、B、C。 4.用中子轰击锂核（Li）发生核反应，生成氚核（H）和α粒子，并放出4.8 MeV的能量．（已知1 u相当于931.56 MeV） （1）写出核反应方程； （2）求出质量亏损； （3）若中子和锂核是以等值反向的动量相碰，则氚核和α粒子的动能比是多少？ （4）α粒子的动能是多大？ 解析：（1）Li＋n―→H＋He＋4.8 MeV （2）依据ΔE＝Δm×931.56 MeV得 Δm＝ u≈0.005 2 u。 （3）根据题意有0＝m1v1＋m2v2 式中m1、m2、v1、v2分别为氚核和α粒子的质量和速度，由上式及动能Ek＝，可得它们的动能之比为 Ek1∶Ek2＝∶＝∶＝m2∶m1＝4∶3。 （4）α粒子的动能Ek2＝（Ek1＋Ek2）＝×4.8 MeV≈2.06 MeV。 答案：（1）Li＋n―→H＋He＋4.8 MeV　（2）0.005 2 u　（3）4∶3　（4）2.06 MeV 学科网（北京）股份有限公司 $