第5章 第3节 核力与核能（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版）

本讲义聚焦核力与核能核心知识点，系统梳理核力的强相互作用、短程性等性质，四种基本相互作用的特点，结合能与平均结合能的概念及与核稳定性的关系，质量亏损和质能方程的应用，构建从核力本质到核能计算的完整知识支架。 该资料以情境思考（如质子间力的对比）、质疑辨析（平均结合能曲线判断）驱动科学思维，通过任务驱动（如He核稳定原因分析）和典例计算培养科学推理能力。课中助力教师突破重难点，课后题点全练清帮助学生巩固知识，查漏补缺，有效提升物理观念与科学探究素养。

第3节　核力与核能(赋能课——精细培优科学思维) 课标要求 学习目标 1.了解核力的性质。 2.知道四种基本相互作用。 3.认识原子核的结合能。 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平均结合能的概念，结合能、平均结合能与原子核的稳定性的关系。 3.知道质量亏损和质能方程，能用质量亏损和质能方程计算核能相关的问题。 一、核力与核的稳定性　四种基本相互作用 1.核力：把原子核中的核子维系在一起的力。 2.核力特点 (1)核力是一种强相互作用。 (2)核力是短程力，作用范围不能从一个原子核延伸到另一个原子核，仅存在两相邻的核子之间。 3.核素：具有一定质子数和中子数的原子核称为核素。 4.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，所得到的图像称为核素图(如图所示)。 5.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，或紧靠曲线的两侧的区域。 (2)稳定核素的中子数与质子数的关系：随着质子数的增加，稳定核素的中子数越来越大于质子数。 6.四种基本相互作用 [情境思考] 　　质子的质量mp=1.67×10-27 kg，电荷量q=1.6×10-19 C，相距r=1.0×10-15 m的两个质子。 　　(1)它们的静电力和万有引力分别多大? 　　(2)这两个质子能否靠万有引力克服静电力排斥而吸在一起? 提示：(1)由F=k和F引=G，分别求得两个质子的静电力约为F≈2.3×102 N，万有引力约为F引≈1.9×10-34 N。 (2)万有引力远小于静电力，故两个质子不能靠万有引力克服静电力排斥而吸在一起。 二、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.质量亏损 (1)定义：任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，这一差值称为质量亏损。 (2)释放出的结合能计算公式：ΔE=Δmc2。 3.平均结合能：原子核的结合能与其质量数之比称为该核的平均结合能，又称为比结合能。重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小；轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能要小。 [质疑辨析] 　　如图所示为部分原子核的平均结合能曲线。 根据曲线判断： (1)原子核的核子数越多，平均结合能越大。 (×) (2)质量亏损是因为这部分质量转化为能量。 (×) (3)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定。 (×) 强化点(一)　核力的理解 　　　　　　　　　　　　　　　　 任务驱动 　　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? 提示：(1)核子之间还存在着核力的作用。 (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，一些核子之间可能就没有核力的作用了，这样形成的原子核不稳定，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。 [要点释解明] 1.核力的性质 (1)核力是四种基本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，超过这个界限，这种相互作用实际上已经不存在了。距离大于0.8×10-15 m时表现为引力，距离小于0.8×10-15 m时表现为斥力。 (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。 3.四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”。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，即引起中子转变为质子的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10-18m，作用强度则比电磁力小。 [题点全练清] 1.氦原子核由两个质子与两个中子组成，两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则这三种力从大到小的排列顺序是 (　　) 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：选D　由这三种力的性质和特点可知，核力>库仑力>万有引力，故D正确。 2.(双选)对核力的认识，下列说法正确的是 (　　) A.任何核子之间均存在核力 B.每个核子只跟邻近的核子发生核力作用 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内的核子之间，距离大于0.8×10-15 m时为吸引力，距离小于0.8×10-15 m 时为斥力 解析：选BD　由核力的特点可知，只有相距1.5×10-15 m内的核子之间存在核力，核力发生在相邻核子之间。 3.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，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在 解析：选D　原子核中质子数和中子数不一定相等，质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A、B错误；原子核可以发生衰变，故C错误；由核力的作用特点可知，核子数越多的原子核越不稳定，故D正确。 强化点(二)　平均结合能的理解 　　　　　　　　　　　　　　　　 [要点释解明] 1.平均结合能曲线：不同原子核的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。2.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。 　　[典例]　原子核的平均结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的是 (　　) A.He核比Li核更稳定 BHe核的结合能约为14 MeV C.两个H核结合成 He核时吸收能量 DU核中核子的平均结合能比Kr核中核子的平均结合能大 [解析]　平均结合能越大，原子核越稳定，由题图可知，氦核的平均结合能比锂核的平均结合能大，则He核比Li核更稳定，A正确；由题图可知，氦核的平均结合能大约为7 MeV，氦核的核子数为4，则氦核的结合能大约为28 MeV，故B错误；由题图可知，H核的平均结合能约为1 MeV，则两个H核的结合能约为4 MeV<28 MeV，则两个H核结合成He核时放出能量，C错误；由题图可知U核中核子的平均结合能比Kr核中核子的平均结合能小，故D错误。 [答案]　A [思维建模] 结合能、平均结合能的对比 (1)核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分开成核子时一定吸收能量。吸收或释放的能量越大，表明原子核的结合能越大。 (2)平均结合能为结合能与核子数的比值，平均结合能越大表明原子核越稳定。一般情况下，中等质量的原子核比轻核和重核的平均结合能大。 [题点全练清] 1.关于原子核的结合能和平均结合能，下列说法正确的是 (　　) A.原子核的平均结合能等于使其完全分解成自由核子所需要的能量 B.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一定大于原来重核的结合能 C.原子核的核子越多，则平均结合能越大 D.平均结合能越大，原子核越不稳定 解析：选B　根据结合能的定义可知，分散的核子结合成原子核时放出的能量叫作原子核的结合能，所以原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，原子核的平均结合能等于结合能除以核子数，指平均分解出一个自由核子所需要的能量，故A错误；重核衰变时释放能量，衰变产物的结合能之和大于原来重核的结合能，故B正确；原子核的核子越多，则结合能越大，但平均结合能不一定越大，质量数为30左右的原子核的平均结合能最大，故C错误；平均结合能越大，原子核越稳定，故D错误。 2.氚是核污水中难以去除的放射性物质，会发生β衰变生成He，半衰期约为12年。则 (　　) A.β衰变方程为HHee B.β衰变中释放的能量为氚的结合能 CH的平均结合能比He的平均结合能大 D.核污水中氚的含量减少一半需要约6年 解析：选A　在核反应中，电荷数守恒、质量数守恒，可得β衰变方程为HHee，A正确；β衰变中释放的能量为He的结合能与氚的结合能之差，B错误；β衰变时释放能量，故H的平均结合能比He的平均结合能小，C错误；半衰期约为12年，即核污水中氚的含量减少一半需要约12年，D错误。 强化点(三)　质能方程与核能计算 　　　　　　　　　　　　　　　　 [要点释解明] 1.对质量亏损Δm的理解 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原子核的过程中以光子的形式辐射出去了。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。 2.对质能方程E=mc2的理解 (1)质量、能量是物质的两种属性，它们之间不能相互转化。 (2)质能方程建立了质量和能量之间的数量关系，即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；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写成ΔE=Δmc2。 3.核能的计算方法 (1)根据质量亏损计算 根据核反应过程，计算核反应前后的质量亏损Δm，再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，就是该核反应所释放(或吸收)的核能。 　　[典例]　(2025·东营高二期末)用质子轰击静止的锂核Li生成2个α粒子。已知质子质量mp=1.007 8 u，α粒子的质量Mα=4.002 6 u，锂核质量MLi=7.016 0 u，质子的初动能是E1=0.6 MeV。试回答下列问题(1 u=931 MeV)。 (1)写出核反应方程式； (2)核反应前后发生的静止质量的质量亏损ΔM； (3)核反应中释放出的能量ΔE； (4)核反应释放的能量全部用来增加了两个α粒子的动能，则核反应后两个粒子具有总动能是多少? [解析]　(1)根据质量数和核电荷数守恒可知，该反应的核反应方程式为LiHHe。 (2)核反应前后的质量亏损Δm=1.007 8 u+7.016 0 u-2×4.002 6 u=0.018 6 u。 (3)核反应中释放的能量ΔE=Δm×931 MeV≈17.3 MeV。 (4)具有的总动能是Ek=ΔE+E1=17.9 MeV。 [答案]　(1LiHHe　(2)0.018 6 u　(3)17.3 MeV　(4)17.9 MeV [题点全练清] 1.下列说法中正确的是 (　　) A.爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化 B.由E=mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系 C.核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成为能量 D.因在核反应中能产生能量，且有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒 解析：选B　E=mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，并不是说明能量和质量之间存在相互转化的关系，A错误，B正确；核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，C错误；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，只是在核反应前后能量的存在方式不同，总能量不变，只是在核反应前后物质的质量由静质量变成动质量，D错误。 2.(2023·全国乙卷)2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为1048 J 。假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108 m/s) (　　) A.1019 kg B.1024 kg C.1029 kg D.1034 kg 解析：选C　根据爱因斯坦质能方程E=mc2可知，每秒钟平均减少的质量为Δm== kg= kg， 则每秒钟平均减少的质量量级为1029 kg。 学科网（北京）股份有限公司 $