第3节 核力与核能-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版）

本讲义聚焦“核力与核能”核心知识点，系统梳理核力的性质、核素稳定性、结合能与平均结合能概念，以及质量亏损和质能方程的应用，构建从核力概念到核能计算再到实际应用的完整知识脉络，为学生提供阶梯式学习支架。 该资料以核心素养为统领，物理观念层面明确核力、结合能等概念，科学思维通过核能计算、平均结合能曲线分析培养推理能力，科学态度结合核能应用与防护渗透责任意识。设计判断正误、实景链接（如解释质子间库仑斥力下原子核稳定的原因）等互动环节，课中助力教师引导学生深度探究，课后学生可通过自主检测和针对练巩固知识，有效查漏补缺。

第3节　核力与核能 【核心素养目标】 物理观念 知道核力、核素、结合能、平均结合能的概念。了解力的四大分类。 科学思维 能够计算核能及质量亏损。能应用平均结合能曲线分析核能的获取方式。 科学态度与责任 知道核能在生产中的应用与核辐射的防护。树立理性评价科技应用的思想观念。 一、核力与核的稳定性 1．核力 (1)定义：把原子核中的核子维系在一起的力叫作核力。 (2)特点：核力是强相互作用的一种表现，在原子核的限度内，核力比库仑力大得多。 2．原子核的稳定性 (1)核素：具有一定质子数和中子数的原子核。 (2)核素图：用横坐标表示质子数，纵坐标表示中子数，每一种_核素用一小方块表示，所得到的图像叫作核素图。 学生用书第81页 (3)原子核的稳定性。 ①核素的稳定区：稳定的核素几乎全落在一条曲线上，或紧靠曲线的两侧，这个区域称为核素的稳定区。 ②稳定核素的中子数和质子数的关系：随着核电荷数的增加，稳定核素的中子数越来越大于质子数。 二、四种基本相互作用 1．长程力：引力相互作用和电磁相互作用。 2．短程力：强相互作用和弱相互作用。 3．四种相互作用由强到弱的排列：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。 三、结合能与平均结合能 1．原子核的结合能：核子结合成原子核所释放的能量。 2．平均结合能：核子结合成核时，平均每个核子释放的结合能称为平均结合能，它等于原子核的结合能与核子数之比。 3．质量亏损与质能方程 (1)质量亏损：任何一个原子核的质量总小于组成它的所有核子的质量之和，这一差值叫作质量亏损。 (2)爱因斯坦质能方程：核子结合成原子核时将有能量放出，结合能的计算公式是ΔE＝Δmc2。 1．判断正误 (1)原子核内的质子间均存在核力和库仑力。(×) (2)稳定核素的质子数一定等于中子数。(×) (3)核力是短程力。(√) (4)组成原子核的核子越多，它的结合能就越大。(√) (5)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定。(×) (6)质量亏损是因为这部分质量转化为能量。(×) (7)原子核的核子数越多，平均结合能越大。(×) 2．链接实景 如图为和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，为什么还能稳定存在？ (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？ 提示：(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。 知识点一　原子核的稳定性分析 若不断增加原子核的中子数，能不断增大原子核吗？为什么？ 提示：不能；由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。 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。 学生用书第82页 (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放在一起，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内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之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)下列说法中正确的是(　　) A．原子核内的核子间均存在核力 B．原子核内的质子间均存在核力和库仑力 C．相邻中子和质子间的作用力主要是核力 D．对质子数较多的原子核，其中的中子起到增加核力、维系原子核稳定的作用 答案：CD 解析：核力为短程力，只会发生在相邻核子之间，由此知A、B错误；相邻中子和质子间的作用力主要是核力，故 C正确；对质子数较多的原子核，由于只有相邻的质子间才有核力，但各个质子间均有很强的库仑斥力，随着质子数的增加，其库仑斥力增加，对于原子核，必须存在较多的中子才能维系二者的平衡，故D正确。 针对练．关于原子核中的质子和中子，下列说法正确的是(　　) 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，即核力具有饱和性，原子核不可能无节制增大而仍能稳定存在 答案：D 解析：原子核中质子数和中子数不一定相等，特别是在原子序数较大的原子核中，中子数比质子数大，故A、B错误；轻核和重核都没有中等质量的原子核稳定，故C错误；由核力的特点可知，原子核不可能无节制增大，故D正确。 知识点二　结合能的含义 1．结合能和平均结合能：由于核力的存在，核子结合成原子核时要放出一定的能量，原子核分解成核子时，要吸收同样多的能量，人们把该能量称为结合能。平均结合能：原子核的结合能与核子数之比。平均结合能越大，表示原子核结合得越牢固，原子核越稳定。 2．平均结合能曲线：平均结合能随质量数变化图线如图所示。 从图中可看出，中等质量原子核的平均结合能最大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小。 3．平均结合能与原子核稳定的关系 (1)平均结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，平均结合能越大，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，平均结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，平均结合能较大，表示原子核较稳定。 (3)当平均结合能较小的原子核转化成平均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。 4．核反应伴随能量的变化：由于核子间存在着巨大的核力作用，所以原子核是一个坚固的集体。要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，需要巨 学生用书第83页 大的能量。一个氘核被拆成一个中子和一个质子时，需要能量等于或大于2.2 MeV的γ光子照射。核反应方程为。相反的过程，当一个中子和一个质子结合成一个氘核时会释放出2.2 MeV的能量，这个能量以γ光子的形式辐射出去，核反应方程为：H＋γ。 下面关于结合能和平均结合能的说法中，正确的有(　　) 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．平均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．重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和平均结合能都大 D．中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大 答案：D 解析：核子结合成原子核所释放的能量称为原子核的结合能，A错误；平均结合能越大的原子核越稳定，但平均结合能越大的原子核，结合能不一定越大，例如中等质量的原子核的平均结合能比重核的平均结合能大，但由于中等质量原子核的质量数比重核的质量数小，故结合能反而比重核的结合能小，B、C错误；中等质量原子核的平均结合能比轻核的平均结合能大，它的原子核质量数也比轻核的质量数大，因此它的结合能也比轻核的结合能大，D正确。 针对练1．(多选)不同原子核的平均结合能是不同的，中等质量原子核的平均结合能最大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核的平均结合能要小，由此，可以确定，下列核反应能释放核能的是(　　) A．中等质量的原子核结合成质量较大的重核 B．质量较大的重核分裂成中等质量的原子核 C．中等质量的原子核分裂成质量较小的轻核 D．质量较小的轻核结合成中等质量的原子核 答案：BD 解析：两个中等质量的原子核结合成重核的过程中，核子的平均结合能减少，整个过程要吸收能量，选项A错误；质量较大的重核分裂成中等质量的原子核，是上述过程的逆过程，显然是放出能量的，选项B正确；同理可知，选项C错误，D正确。 针对练2．(多选)核能具有高效、清洁等优点，利用核能是当今世界解决能源问题的一个重要方向。原子核的比结合能曲线如图所示，根据该曲线判断下列说法正确的是(　　) A．He核的比结合能大于核的比结合能，因此核更稳定 B．两个核结合成核时释放能量 C．He核的结合能约为7 MeV D．Ag的比结合能大于的比结合能 答案：BD 解析：He核的比结合能大于核的比结合能，因此核更稳定，故A错误；核的比结合能约为7 MeV,核的比结合能约为1 MeV，则两个核结合成核时释放能量，故B正确，C错误；由题图可知的比结合能大于的比结合能，故D正确。 知识点三　质能方程与核能的计算 如图所示是原子核转变示意图。 (1)在核反应过程中质量数、电荷数是否守恒？ (2)在该核反应过程中会释放出能量，反应前后原子核的质量是否会发生变化？ 提示：(1)在核反应中，质量数、电荷数都是守恒的。 (2)会发生变化，是减少的。 1．质量亏损：所谓质量亏损，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。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。总之，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系就是E＝mc2。 2．质能方程E＝mc2：爱因斯坦指出，物体的能量(E)和质量(m)之间存在着密切的关系，即E＝mc2，式中c为真空中的光速。爱因斯坦质能方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c2这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的。 3．核能的计算方法 (1)根据核反应方程，计算核反应前与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。 学生用书第84页 (3)计算过程中若Δm的单位是千克，c的单位取m/s，则ΔE的单位是焦耳。另据焦耳和电子伏特及千克和原子质量单位间的换算关系可知，亏损1原子质量单位的质量释放的核能为931 MeV的能量。故若质量亏损用原子质量单位，则释放的核能ΔE＝931·Δm MeV。 4．质能方程的本质 (1)质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来； (2)质能方程揭示了质量和能量的不可分割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系，这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒，质量和能量在数值上的联系决不等于这两个量可以相互转化； (3)质量亏损不是否定了质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论，辐射出的γ光子静质量虽然为零，但它有动质量，而且这个动质量刚好等于亏损的质量，所以质量守恒、能量守恒仍成立。 镭核发生衰变放出一个粒子变为氡核。已知镭核质量为226. 025 4 u，氡核质量为222. 016 3 u，放出粒子质量为4. 002 6 u。 (1)写出核反应方程。 (2)求镭核衰变放出的能量。 答案：(1)　(2)6.05 MeV 解析：(1)核反应(衰变)方程为： 。 (2)镭核衰变放出的能量为： ΔE＝Δmc2＝Δm×931.5 MeV ＝(226.025 4－4. 002 6－222.016 3)×931.5 MeV ≈6.05 MeV。 计算核能的三种方法 1．根据质量亏损计算核能：根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能。其中若Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳。若Δm用原子质量单位(u)表示，则ΔE＝Δm×931.5 MeV。 2．根据能量守恒和动量守恒来计算核能：参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。 3．利用平均结合能来计算核能：原子核的结合能＝核子的平均结合能×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，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。　　 针对练1．“玉兔二号”是我国研制的月面巡视探测器，在月球上已经工作4年多。若其上装核电池，将大大延长工作时间。核电池将衰变释放的核能一部分转换成电能的衰变方程为U＋X，已知的质量为U的质量为m2，X的质量为m3，光速为c，则(　　) A．衰变方程中的X为 B．衰变方程中的X为中子 C．该衰变过程释放的核能为(m1＋m2＋m3)c2 D．该衰变过程释放的核能为(m1－m2－m3)c2 答案：D 解析：衰变方程中的X质量数为4，电荷数为2，为，为α粒子，选项A、B错误；根据质能方程可知，该衰变过程释放的核能为ΔE＝Δmc2＝(m1－m2－m3)c2，选项C错误，D正确。故选D。 针对练2.H的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子的质量为1.008 665 u。(质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量) (1)一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？ (2)氚核的结合能和平均结合能各是多少？ 答案：(1)放出能量　7.97 MeV　(2)7.97 MeV　2.66 MeV 解析：(1)一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是 反应前各核子总质量为 mp＋2mn＝(1.007 277＋2×1.008 665 ) u＝3.024 607 u 反应后新核的质量为mH＝3.016 050 u，质量亏损为Δm＝(3.024 607－3.016 050)u＝0.008 557 u 因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应放出能量。释放的核能为ΔE＝0.008 557×931.5 MeV≈7.97 MeV。 (2)氚核的结合能即为ΔE＝7.97 MeV，它的平均结合能为≈2.66 MeV。 学生用书第85页 1．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 答案：B 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正确，C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错误。 2．(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地减少Δm B．如果物体的质量增加了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．在把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 答案：ABD 解析：一定的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地减少Δm，即发生质量亏损，所以选项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，所以选项B正确；某原子核在衰变时，一定发生质量亏损，所以选项C错误。 3．如图所示是描述原子核核子的平均质量m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 答案：C 解析：因B、C核子平均质量小于A核子平均质量，故A分解为B、C时，出现质量亏损，放出核能，故A错误，同理可得B、D错误，C正确。 4．两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 1 u，氦核质量为4.002 6 u。 (1)写出相应的核反应方程。 (2)已知阿伏伽德罗常数NA为6.0×1023 mol-1，氘核的摩尔质量为2 g/mol，1 u相当于931.5 MeV的能量。求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。(结果保留两位有效数字) 答案：(1)　(2)3.6×107 MeV 解析：(1)核聚变反应的方程为。 (2)两个氘核结合成一个氦核时释放的能量为ΔE＝(2×2.014 1－4.002 6)×931.5 MeV＝23.846 4 MeV，1 kg氘中含有氘核的对数为n＝×(×NA)＝×(×6.0×1023)＝1.5×1026，1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量为E＝nΔE＝1.5×1026×23.846 4 MeV≈3.6×1027 MeV。 学科网（北京）股份有限公司 $