5.3 核力与结合能（教学课件）物理人教版选择性必修第三册

第五章 原子核 人教版（2019）选择性必修 第三册 第三节 核力与结合能 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 了解核力的概念与特性，理解原子核的稳定性成因；掌握结合能与比结合能的定义，理解质量亏损与核能的本质联系，建立原子核结构与核能利用的微观观念。 科学思维 通过分析核力的特点与结合能曲线，体会从现象到本质的推理逻辑；对比不同原子核的比结合能变化规律，理解核能释放的条件，形成微观粒子相互作用与能量转化的系统思维。 科学探究 了解结合能与质量亏损的实验分析过程，体会科学探究中理论与实验结合的研究思路；通过分析核反应中的能量变化数据，提升基于证据进行科学论证的能力。 科学态度与责任 了解核能利用的发展历程，感受科学家探索微观世界的严谨态度与创新精神；认识核能利用对科技发展与人类社会的重要意义，树立科学利用核能、合理开发能源的责任意识。 学习目标 核力与四种基本相互作用 01 教学内容 结合能 02 质量亏损 03 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 核力的概念、基本特性及原子核稳定性的成因。  结合能、比结合能的概念理解，质量亏损与核能的本质联系。 结合能与比结合能的区别与联系；质量亏损的理解与核反应中核能释放的逻辑推导过程。 重点难点 课堂导入——思考与讨论 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地束缚在一起而不飞散开呢? 01 PART 01 第一部分 核力与四种基本相互作用 探究新知 7 探究新知——核力与四种基本相互作用 F库 中子 质子 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？ 原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡相互间的库仑力是不可能的。 在核子之间一定存在着第三种力，把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。 第三种力——核力 是核力把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。 探究新知——核力与四种基本相互作用 1.核力： （1）定义：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力（强相互作用，也叫强力）。 探究新知——核力与四种基本相互作用 1.核力： （2）核力是短程力。约在 10-15m量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力, 距离为10×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起。 （3）核力具有饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。 （4）核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。 （2）特点： （1）核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。 探究新知——核力与四种基本相互作用 2.四种相互作用： （1）引力相互作用：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。 探究新知——核力与四种基本相互作用 2.四种相互作用： （2）电磁相互作用：在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体。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。 电荷间与磁体间的相互作用 弹力 探究新知——核力与四种基本相互作用 2.四种相互作用： p n n p p n 短程力：约在10-15m量级时起作用 （3）强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。 探究新知——核力与四种基本相互作用 2.四种相互作用： （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10－18m，作用强度则比电磁力小。 02 PART 02 第二部分 结合能 探究新知 15 探究新知——结合能 1.宏观模型：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最后撞在一起，动能变成它们的内能散失掉了。两个物体为了结合而付出了代价——失去了一些能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们这份能量。 探究新知——结合能 2.微观模型：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。 自由核子形成原子核所释放的能量，或者原子核重新分为自由核子，需要吸收的能量，叫做原子核的结合能。 损失能量 补充能量 探究新知——结合能 【思考与讨论】①如图5.3-3，氦原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，需要吸收能量。反过来，4个核子结合成氦原子核要放出能量。那么，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？ 结合能： 将原子核拆分成单个核子需要吸收的能量 将单个核子结合成原子核所要放出的能量 探究新知——结合能 【思考与讨论】②结合能的大小与什么因素有关？结合能越大原子核是不是越难被拆散？ 如何才能反映原子核的稳定程度？ Li-6 U-235 原子核越大 →核子个数越多 →但不能说明它稳定 →结合能越大 探究新知——结合能 1.定义：原子核的结合能与核子数之比称为比结合能，也叫平均结合能。 2.理解：核子结合成原子核时，平均每个核子所释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核子时，外界提供给每个核子的平均能量。 比结合能 结合能 核子数 = 3.意义：它反映了一个原子核稳定程度。比结合能越大，原子核越稳定。 3.比结合能： 探究新知——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。 中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。 探究新知——典例分析 【例1】(多选)关于原子核的结合能与平均结合能，下列说法中正确的是 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时，外力克服核力做的功 C.平均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.不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比轻核的平均结合 能大 探究新知——典例分析 【解析】重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小，轻核的平均结合能也比中等质量核的平均结合能要小，但重核的平均结合能不一定比轻核的平均结合能大，故D错误。 探究新知——典例分析 【例2】(多选)如图所示是原子核的平均结合能(也称比结合能)与质量数的关系图像，通过该图像可以得出一些原子核的平均结合能，如的核子平均结合能约为8 MeV，的核子平均结合能约为7 MeV，根据该图像判断下列说法正确的是 A.随着原子质量数的增加，原子核的平均结 合能增大 B.核的平均结合能最大，最稳定 C.把分成8个质子和8个中子比把分成 4个He要多提供约16 MeV的能量 D.把分成8个质子和8个中子比把分成4个He要多提供约112 MeV的能量 探究新知——典例分析 【解析】根据题图，随着原子质量数的增加，原子核的平均结合能先增大后减小，故A错误； 核的平均结合能最大，最稳定，故B正确； 把分成8个质子和8个中子，需要提供的能量约为E1=16×8 MeV= 128 MeV，把分成4个He要提供的能量约为E2=16×(8-7) MeV=16 MeV，提供的能量的差值为ΔE=E1-E2=112 MeV，故C错误，D正确。 03 PART 03 第三部分 质量亏损 探究新知 26 探究新知——质量亏损 1.定义：核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，叫做质量亏损。 （组成原子核的核子的质量之和与原子核的质量之差） 2.爱因斯坦质能方程：E＝mc2 （ΔE＝Δmc2） 物体的能量和质量之间存在密切的联系，他们的关系是： 核子在结合成原子核时要放出能量，出现质量亏损，大小为： 物体质量，随着能量的变化，会发生变化。 E＝mc2 ΔE＝Δmc2 探究新知——质量亏损 说明： （1）质量不是能量、能量也不是质量，质量不能转化能量，能量也不能转化质量，质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。 （2）核反应过程中，质量亏损时，核子个数不亏损(即质量数守恒),可理解为组成原子核后，核内每个核子仿佛“瘦了”一些。 （3） 质量亏损并非质量消失，而是减少的质量m以能量形式辐射出去了，因此质量守恒定律不被破坏。 探究新知——典例分析 【例3】(来自教科教材)氘核是由1个中子和1个质子构成的，它们的静质量可分别取为：mp(质子质量)=1.672 6×10-27 kg，mn(中子质量)=1.674 9×10-27 kg，mH(氘核质量)=3.343 6×10-27 kg，真空中光速c=3.0×108 m/s，1 eV=1.6×10-19 J。试计算中子和质子结合成氘核过程的质量亏损以及氘核的结合能。 探究新知——典例分析 【解析】在这一过程中的质量亏损为 Δm=(mp+mn)-mH =1.672 6×10-27 kg+1.674 9×10-27 kg-3.343 6×10-27 kg=3.9×10-30 kg 根据质能方程可知 ΔE=Δm·c2 =3.9×10-30×(3.0×108)2 J =3.51×10-13 J ≈2.2 MeV 所以氘核的结合能约为2.2 MeV。 探究新知——典例分析 【例4】(2024·遂宁市高二期末)一个静止的铀核衰变为钍核，释放出一个α粒子，已知铀核的质量为238.007 u，钍核(其元素符号为Th)的质量为234.038 u，α粒子质量为3.897 u，1 u相当于931.5 MeV的能量，请完成以下问题： (1)写出核反应方程； (2)求此衰变过程释放的核能为多少MeV？(保留两位有效数字) 探究新知——典例分析 【解析】（1）核反应方程为He+ （2）由题可知m1=238.007 u ，m2=234.038 u ，m3=3.897 u 则质量亏损为Δm=m1-m2-m3=0.072 u 根据公式ΔE=Δmc2 解得释放的核能ΔE≈67 MeV。 探究新知——质量亏损 【总结提升】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的能量) 2.利用比结合能计算 原子核的结合能=原子核的比结合能×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，就是该反应所释放(或吸收)的核能。 课堂小结 核力与结合能 核力与四种基本相互作用 核力的定义、特点 四种基本相互作用 结合能：拆散整个系统需要的总能量 质量亏损：质能方程 E=mc2 比结合能：拆散系统成员需要的能量 核能的计算方法 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 谢谢聆听 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 $