5.3 核力与结合能 导学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

第3节　核力与结合能 学习目标 1.知道四种基本相互作用与核力的特点，完善运动与相互作用观念；认识结合能、比结合能和质量亏损的基本观念，深化能量观念。 2.围绕结合能的概念，通过推理论证认识结合能的产生原因和计算方法，体会科学推理和论证的过程，掌握核能的计算方法，提高解决问题的能力。 3.体会科学探究过程，培养科学探究能力。 4.学习科学家们严谨的科学态度，培养探索科学的兴趣和责任。 自主预习 一、核力与四种基本相互作用 1．核力：原子核中的________之间存在一种很强的相互作用，即存在一种________，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________________。 2．强相互作用的特点 (1)强相互作用是________力，作用范围只有约________ m。 (2)距离增大时，强相互作用急剧________。超过10－15 m，强相互作用不存在。 3．弱相互作用 (1)弱相互作用是引起原子核________衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。 (2)弱相互作用是____________力，其力程只有________ m。 4．四种基本相互作用 二、结合能 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，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。 三、质量亏损 1．质能方程 物体的能量与它的质量的关系是：E＝________。 2．质量亏损 原子核的质量________组成它的核子的质量之和的现象。 课堂探究 【提出问题】我们一般如何研究能量？ 一、核力与四种基本相互作用 【创设情境】氦原子核中，质子相互间距r的数量级为10-15m；质子质量m的数量级为10-27kg，质子电量e的数量级为10-19C；万有引力常量G的数量级为10-11，静电力常量k的数量级为109。估算库仑力与万有引力之比。 【提出问题】 原子核是由中子和质子构成的。在原子核那样狭小的空间里，是什么力量把带正电的质子紧紧束缚在一起而不飞散开呢？ 结论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________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，距离超过1.5×10－15 m时核力几乎消失。 (3)核力具有________性，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，而不是与核内所有核子发生作用。 结论2:四种基本相互作用的作用尺度 (1)在原子核内，强相互作用将核子束缚在一起。 (2)弱相互作用是引起原子核________衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。 (3)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。 (4)万有引力主要作用于宏观和宇宙尺度上，是万有引力使行星绕着恒星运行，并且联系着星系团。 二、结合能 【创设情境】相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大，引力势能转化为动能。 （1） 两个物体最后撞在一起，能量如何变化？ （2）如果要把它们分开，要用什么办法？ 【提出问题】原子核是核子凭借核力结合在一起的，类比以上实例，如何把原子核中的核子分开？把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系？ 结论3:结合能 结合能是原子核分成核子时______的能量或核子结合成原子核时______的能量。 比结合能是原子核的结合能与原子核中核子数的______，它反映了原子核的稳定程度。 【提出问题】结合能是不是原子核具有的能量？结合能大的原子核，比结合能一定大吗？为什么决定原子核牢固程度的是比结合能？U在α衰变反应中，结合能如何变化？ 结论4:结合能的理解 （1）结合能不是原子核具有的能量，是_______量。 （2）结合能大的原子核，比结合能_______大；比结合能大的原子核结合能_______大。 （3）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，中等大小的核的比结合能最______，轻核和重核的比结合能都比中等大小的核的比结合能要小。 三、质量亏损 【创设情境】已知中子的质量是mn=1.6749×10-27kg，质子的质量是mp=1.6726×10-27kg，氘核的质量是mD=3.3436×10-27kg。 （1）计算反应前后核质量变化； （2） 爱因斯坦在狭义相对论中指出了物体的能量与它的质量的关系，即E=mc2，那么我们该如何计算结合能？ 【思考与讨论】（1）质量亏损是否违背质量数守恒和能量守恒？ （2）衰变反应过程中，原子核中核子平均质量如何变化？ （3）质量亏损是不是这部分质量消失了，不遵循质量守恒定律呢？ 结论5: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。 结论6: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．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，这时质能方程也写作ΔE＝Δmc2。 (2)运用质能方程时应注意单位。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对应931.5 MeV能量。 典型例题 【例题1】 关于核力，下列说法正确的是(　　) A．核力的作用范围只有约10－15 m B．核力本质上属于电磁相互作用 C．中子和中子之间不会有核力作用 D．核力减小是发生β衰变的原因 【变式训练1】 氦原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则3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 【例题2】 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. 核比核稳定 C. 核的结合能大于核的结合能 D．两个核结合成核时释放能量 【变式训练2】 关于原子核的结合能，下列说法正确的是(　　) A．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 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．比结合能越大，原子核越不稳定 D．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能 【例题3】 已知中子的质量是mn=1.6749×10-27kg，质子的质量是mp=1.6726×10-27kg，氘核的质量是mD=3.3436×10-27kg。 (1)计算反应前后核质量变化; (2)计算氘核的结合能; (3)计算氘核的比结合能。 【变式训练3】 (多选题)在某些恒星内，3个α粒子结合成一个，原子核的质量是12.000 0 u，原子核的质量是4.002 6 u，已知1 u的质量对应931.5 MeV的能量，则此核反应所释放的核能约为(　　) A．7.265 7 eV B．5.265 7 eV C．1.16×10－12 J D．1.16×10－9 J 课堂练习 1.关于核力，下列说法正确的是(　　) A．在原子核内，靠核力将所有核子束缚在一起 B．在原子核内，只有质子和中子之间有核力 C．在原子核内，任意两个核子之间都存在核力的作用 D．核力和万有引力是同种性质的力 2.原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的是(　　) A. 核的结合能约为14 MeV B. 核比核更稳定 C.4个核反应生成核时释放能量 D. 核中核子的平均结合能比核中的大 3.(多选题)下列说法中正确的是(　　) A．原子核发生一次β衰变，该原子外层就一定失去一个电子 B．核泄漏事故污染物Cs会产生对人体有害的辐射，其核反应方程式为Cs Ba＋X，可以判断X为电子 C．某种钚同位素的半衰期为88年，1 g钚经过440年后还剩0.2 g D．质子、中子、α粒子的质量分别是m1、m2、m3，质子和中子结合成一个α粒子，释放的能量是(2m1＋2m2－m3)c2 素养专练 1.(多选题)关于原子核的结合能与比结合能，下列说法正确的是(　　) A.原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时，核力做的功 B.原子核的结合能等于核子从原子核中分离，外力克服核力做的功 C.比结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量 D.不同原子核的比结合能不同，重核的比结合能比轻核的比结合能大 2.用质子轰击锂核(Li)生成两个α粒子，以此进行有名的验证爱因斯坦质能方程的实验，已知质子的初动能是0.6 MeV，质子、α粒子和锂核的质量分别是1.0073u、4.0015u和7.0160u。已知1 u相当于931.5 MeV的能量，则下列叙述正确的是(　　) A.此反应过程质量减少0.010 3 u B.若生成的两个α粒子的动能之和是18.3 MeV，与质能方程相符 C.若核反应中释放的能量是18.9 MeV，与质能方程不相符 D.若生成的两个α粒子的动能之和是19.5 MeV与质能方程相符 3.原子质量单位为u，1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1和m2的原子核结合为质量为M的原子核时释放出的能量是(　　) A.(M－m1－m2)u·c2 B.(m1＋m2－M)u×931.5 J C.(m1＋m2－M)c2 D.(m1＋m2－M)×931.5 eV 4.一个静止的铀核 (原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.028 7 u)。已知原子质量单位1 u＝1.67×10－27kg，质量亏损1 u释放的核能约为931 MeV。 (1)写出核衰变反应方程，并算出该核衰变反应中释放出来的核能； (2)假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和α粒子的动能，则钍核获得的动能有多大？ 参考答案 自主预习 一、 1.核子 核力 强相互作用 2.（1）短程 10－15 （2）减小 3.（1）β （2）短程 10－18 二、 1.核子 能量 2.核子数 平均 牢固 稳定 中等大小 三、 1.mc2 2.小于 课堂探究 结论1:（2）短程 （3）饱和 结论2:（2）β 结论3:吸收 放出 比值 结论4:（1）过程 （2）不一定 不一定 （3）大 【思考与讨论】 （1） 虽然发生质量亏损，但是质量数即核子数并没有发生变化。核反应前后能量只是存在方式不同，总能量也没有发生变化。 （2）由于核反应过程中发生质量亏损，而核子数没有发生变化，所以核子平均质量减少。 （3）质量亏损并不是质量消失，而是减少的质量以能量的形式辐射出去了。根据爱因斯坦相对论，如果把能量对应的动质量也计算出来，那整个质量也是守恒的。 例题与变式 【例题1】 例题解答:A 【变式训练1】 D 【例题2】 例题解答:D 【变式训练2】 AB 【例题3】 例题解答:(1)Δm＝mp＋mn－mD＝3.9×10－30 kg。 (2)放出的能量ΔE＝Δmc2＝3.51×10－13 J。 (3)氘核的比结合能为＝1.755×10－13 J。 【变式训练3】 AC 课堂练习 1.A　2.C　　3.BD 素养专练 1.ABC　2.D　3.C 4.(1) U→Th＋He　5.49 MeV (2)0.095 MeV 2 学科网（北京）股份有限公司 $