第5章 第3节 核力与结合能（Word教参）-【学霸笔记·同步精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

本高中物理讲义聚焦核力与结合能核心知识点，先系统梳理四种基本相互作用引出核力的短程性、饱和性等性质，再通过结合能与比结合能概念分析原子核稳定性，最后结合质量亏损与质能方程实现核能计算，构建从概念到应用的学习支架。 资料通过判断题强化概念辨析，结合“人造太阳”核聚变等实例深化比结合能与核能计算，培养学生物理观念中的能量观念和科学思维中的科学推理。课中辅助教师引导探究，课后助力学生通过例题与练习查漏补缺，提升知识应用能力。

第3节　核力与结合能 　 1．了解四种基本相互作用，知道核力的性质。 2．知道原子核的结合能和比结合能的概念。 3．知道什么是质量亏损，能应用质能方程进行计算。 一、核力与四种基本相互作用 1．万有引力：引力是自然界的一种基本相互作用，地面物体所受的重力只是引力在地球表面附近的一种表现。 2．电磁相互作用：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或电磁力。它也是自然界的一种基本相互作用。宏观物体之间的压力、拉力、弹力、支持力等等，都起源于这些电荷之间的电磁相互作用。 3．强相互作用：原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核，这种作用称为强相互作用。它的作用范围只有约10-15 m，超出这个界限，该力实际上已经不存在了，它是短程力。 4．弱相互作用：在某些放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用，称为弱相互作用。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，其力程比强相互作用更短，只有10-18 m。 二、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：原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫作平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。 三、质量亏损 1．质能方程 物体的能量与它的质量的关系：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。 判断下列说法是否正确。 (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)核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大。(　　) (3)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。　(　　) (4)原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量。　(　　) (5)比结合能越大，原子核越稳定。(　　) (6)质能方程E＝mc2表明了质量与能量间的一种对应关系。(　　) 答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√ 知识点一　对核力的理解 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，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，距离超过1.5×10-15 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。 2．原子核中质子与中子比例关系 (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)对于核力与四种基本相互作用，以下说法正确的是(　　) A．核力是弱相互作用力，作用力很小 B．核力是强相互作用的表现，是强力 C．核力使核子紧密结合为稳定的原子核 D．核力是万有引力在短距离内的表现 [解析]　核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围约10-15m，B正确，A、D错误；核力使核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核，C正确。 [答案]　BC 知识点二　结合能和比结合能 　 1．结合能就是原子核具有的能量吗？ 2．原子核的结合能越大，其比结合能也越大吗？ [提示]　1.不是。结合能是要把原子核分开成核子时吸收的能量，并不是原子核具有的能量，因为拆分后的核子仍然具有能量。 2．不一定。结合能是核子结合成原子核放出的能量或原子核拆散成核子吸收的能量，而比结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量或原子核拆散成核子时每个核子平均吸收的能量，结合能大的原子核，比结合能不一定大；结合能小的原子核，比结合能不一定小。 1．对结合能的理解 (1)结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量。 (2)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。 2．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要小。 3．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。 角度1　原子核的结合能 　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．中等质量的原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大 [解析]　核子结合成原子核要放出能量，原子核拆解成核子要吸收能量，将原子核拆解成核子所吸收的能量或核子结合成原子核所放出的能量叫结合能，故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，中等质量的原子核的比结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核反而小，故B错误；重核与中等质量的原子核相比较，重核的结合能大，而比结合能比较小，故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的多，所以结合能也比轻核的大，故D正确。 [答案]　D 　中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。已知中国“人造太阳”中的核反应方程是H＋H―→He＋n＋17.6 MeV，H的比结合能为1.09 MeV，H的比结合能为2.78 MeV，由此可知He的比结合能为(　　) A．7.03 MeV　　　　　 B．5.56 MeV C．4.36 MeV D．3.87 MeV [解析]　设He的比结合能为E1，核反应释放的能量等于生成物的结合能与反应物的结合能之差，有17.6 MeV＝ΔE＝4E1－(2×1.09 MeV＋3×2.78 MeV)，解得E1＝7.03 MeV，故A正确。 [答案]　A 角度2　比结合能图像的理解 　恒星之所以长期发光是因为在恒星内部会发生一系列的核反应生成：氦(He)、碳(C)、氧(O)、氖(Ne)、镁(Mg)、硅(Si)、硫(S)、钙(Ca)、铁(Fe)等。结合图像，判断下列说法正确的是(　　) A．比结合能越大，原子核越不稳定 B．碳核的比结合能比氧核的比结合能大 C．3He核子的平均质量比2H核子的平均质量小 D．氦核的结合能比碳核的结合能大 [解析]　原子核的比结合能越大，核子的平均质量越小，原子核越稳定，由题图可知，3He核子的平均质量比2H核子的平均质量小，故A错误，C正确；由题图可知，碳核的比结合能比氧核的比结合能小，故B错误；比结合能是原子核的总结合能与核子数的比值，碳核的比结合能比氦核大，核子数比氦核大，故碳核的结合能比氦核大，故D错误。 [答案]　C 知识点三　质能方程和核能的计算 　 1．质量亏损是不是这部分质量消失了或转变为能量了呢？ 2．爱因斯坦质能方程是说明质量和能量可以相互转化吗？ [提示]　1.不是。物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，并不是这部分质量消失了或转变为能量。 2．不是。爱因斯坦质能方程说明了质量和能量这两个物理量间的对应关系，说明有质量就有能量，并不是说质量转化为能量。 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。 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。 (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；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作ΔE＝Δmc2。 3．核能的计算 (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 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。 　(多选)1905年，爱因斯坦发表狭义相对论时提出了质能方程E＝mc2，质能方程的正确性已被大量的实验所证实，并为现代核能的研究和应用提供理论指导，具有深刻意义并发挥出巨大的作用。下列关于质能方程的说法正确的是(　　) A．根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的能量 B．根据质能方程可知，在核反应中仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律 C．E＝mc2中的E是核反应中释放的核能 D．E＝mc2中的E为质量为m的物体所对应的能量 [解析]　根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的能量，故A正确；在核反应中仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律，故B正确；质能方程E＝mc2中的E表示质量为m的物体所对应的能量，故C错误，D正确。 [答案]　ABD 　(2025·河南平顶山月考)铝的合金质量较轻而强度较高，因而在制造飞机、汽车、火箭中被广泛应用。铝的元素符号是Al，Al核的衰变方程为Al→Mg＋X，其半衰期为72万年，Al、Mg的比结合能分别为E1、E2，下列说法正确的是(　　) A．Al和Mg的质量数均为26，两者质量相等 B．X是电子，来源于原子核外电子 C．该核反应中释放的能量为26(E2－E1) D．经过144万年的时间，8个Al原子核中有6个已经发生了衰变 [解析]　Al和Mg的质量数均为26，但是核反应放出能量，质量亏损，所以质量不同，A错误；根据质量数和核电荷数守恒，可知X为正电子，是电子的反粒子，B错误；核反应中释放的能量ΔE＝26(E2－E1)，故C正确；根据半衰期的定义可知，半衰期规律仅针对大量原子核，对于少量不适用，D错误。 [答案]　C 　(2025·宁夏固原市期末)一个锂核(Li)受到一个质子(H)的轰击，变成两个α粒子。已知一个氢原子核的质量是1.673 6×10-27 kg，一个锂核的质量是11.650 5×10-27 kg，一个氦核的质量是6.646 6×10-27 kg，光速c＝3×108 m/s。 (1)写出这一过程的核反应方程，计算过程中的质量亏损。 (2)计算这一过程中所释放的核能。 [解析]　(1)这一过程的核反应方程为 Li＋H→2He 质量亏损Δm＝mLi＋mH－2mα 代入数据可得Δm＝3.09×10-29 kg。 (2)释放核能 ΔE＝Δmc2＝3.09×10-29×(3×108)2 J＝2.781×10-12 J。 [答案]　(1)Li＋H→2He　3.09×10-29 kg (2)2.781×10-12 J 　一个静止的放射性原子核X发生了一次α衰变变成新核Y，放射出的α粒子的质量为m，速度的大小为v，真空中的光速为c。 (1)写出该α衰变方程。 (2)若该原子核发生衰变后的新核质量为M，求衰变后新核的速度大小。 (3)设该衰变过程释放的核能全部转化为α粒子和新核的动能，求衰变过程的质量亏损Δm。 [解析]　(1)根据质量数守恒和核电荷数守恒可得，该α衰变方程为X→Y＋He。 (2)由动量守恒定律0＝Mv′－mv可得衰变后新核的速度大小v′＝。 (3)由能量守恒定律可知，该衰变过程释放的核能ΔE＝Mv′2＋mv2＝ 根据爱因斯坦质能方程 ΔE＝Δmc2 可得衰变过程的质量亏损为 Δm＝。 [答案]　(1)X→Y＋He　(2) (3) 1．(对核力的理解)(多选)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的核子之间，大于0.8×10-15 m为吸引力，而小于0.8×10-15 m为斥力 解析：选BD。由核力的特点知道，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。 2．(结合能的理解)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．He核结合能约为7 MeV B．He核结合能比Li核结合能更大 C．两个H结合成He时释放能量 D．U中核子的平均质量比Kr中核子的平均质量小 解析：选C。由题图可知，He核的比结合能约为7 MeV，氦核的核子数为4，因此结合能约为4×7 MeV＝28 MeV，故A错误；由题图可知，Li核比结合能约为5 MeV，则Li核结合能约为6×5 MeV＝30 MeV，可知He核结合能比Li核结合能小，故B错误；两个H结合成He时，产生聚变反应，有质量亏损，由质能方程可知释放能量，故C正确；由题图可知，U中核子的比结合能比Kr中核子的比结合能小，由于平均质量越小的原子核，其比结合能越大，因此U中核子的平均质量比Kr中核子的平均质量大，故D错误。 3．(质能方程和核能的计算)中国锦屏深地实验室发表了首个核天体物理研究实验成果，该成果表明我国核天体物理研究已经跻身国际先进行列。实验中所用核反应方程为X＋Mg→Al，已知X、Mg、Al的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c，该反应中释放的能量为E。下列说法正确的是(　　) A．X为氘核H　 　　 B．X为氚核H C．E＝(m1＋m2＋m3)c2 D．E＝(m1＋m2－m3)c2 解析：选D。根据核反应质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为1，为氕核H，A、B错误；根据质能方程可知，该反应中释放的能量E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3)c2，C错误，D正确。 4．(质能方程和核能的计算)某实验装置内的核反应方程为H＋H→He＋n。已知质子的质量为mp，中子的质量为mn，H、H、He原子核的质量分别为m1、m2、m3，光在真空中的速度为c。下列说法正确的是(　　) A．核聚变在常温下即可进行 B．He的结合能小于H的结合能 C．1个H、1个H聚变释放的能量为[(m1＋m2)－m3]c2 D．He的结合能为[(2mp＋2mn)－m3]c2 解析：选D。在很高的温度下原子核才能克服巨大的库仑斥力，使它们之间的距离达到10-15 m以内，以使核力起作用，从而发生核聚变，A错误；由核子数越多结合能越大，可知He的结合能大于H的结合能，B错误；1个H、1个H聚变释放的能量ΔE＝Δmc2＝[(m1＋m2)－m3－mn]c2，C错误；将核子结合为原子核时所释放的能量即为结合能，He中有两个质子和两个中子，它们结合为He时，质量亏损Δm＝2mp＋2mn－m3，可知He的结合能ΔE＝Δmc2＝[(2mp＋2mn)－m3]c2，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $