3. 核力与结合能（培优教学课件）物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦核力与四种基本相互作用、结合能与比结合能、质量亏损与质能方程，通过“原子核内带正电的质子为何不飞散”的问题导入，衔接前序原子核构成知识，搭建从宏观相互作用到微观核力的学习支架。 其亮点在于以核心素养为导向，物理观念上明确核力短程性等性质，科学思维通过比结合能分析原子核稳定性，科学探究结合氘核比结合能计算例题。采用问题驱动与例题解析结合的教学方法，学生能深化概念理解与计算能力，教师可依托清晰结构提升教学效率。

第五章 原子核 选择性必修三•人教版 3.核力和结合能 核能是蕴藏在原子核内部的能量。核能的发现是人们探索微观物质结构的一个重大成果。人类通过许多方式利用核能，主要的途径是发电。如今，全世界大约有 16% 的电能是由核反应堆生产的。核能的利用可以有效缓解常规能源的短缺。 导入新课 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？ 物理观念 知道四种基本相互作用，知道核力的性质。 科学思维 认识原子核的结合能和比结合能的概念。 科学探究 能用质量亏损和质能方程计算核能相关的问题。 科学态度 与责任 具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，尊重他人，能基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探索日常生活有关的物理问题。 学习目标 重点难点 重点 原子核的结合能和比结合能 难点 用质量亏损和质能方程计算核能相关的问题 一、核力与四种基本相互作用 3.核力和结合能 一、核力与四种基本相互作用 现代物理学认为，自然界存在着四种基本相互作用，即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。自然界中的各种力，都可以归结为这四种相互作用。 一、核力与四种基本相互作用 17世纪下半叶，人们发现了万有引力。正是万有引力把行星和恒星聚在一起（图），组成太阳系、银河系和其他星系。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。 一、核力与四种基本相互作用 19世纪后，人们逐渐地认识到，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（electromagnetic interaction）或电磁力。 一、核力与四种基本相互作用 1.核力：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。 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。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。 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。 ① 核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。 一、核力与四种基本相互作用 （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。 一、核力与四种基本相互作用 （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。 一、核力与四种基本相互作用 （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。 短程力：约在10-15m量级时起作用 在某些放射现象中起作用的另一种基本相互作用 弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子一质子转变的原因。 短程力：约在10-18m量级时起作用 （4）弱相互作用 一、核力与四种基本相互作用 作用对象 特点 作用范围 举例 引力相互作用 电磁相 互作用 强相互 作用 弱相互 作用 一切物体之间 随距离增大而减弱 长程力，宏观 重力 电荷间、电流间、磁体间 引力相互作用 长程力，宏观 弹力、摩擦力 组成原子核的核子之间 距离增大时 急剧减小 短程力，微观 核力 基本粒子之间 距离增大时，急剧减小，比强相互作用小得多 基本粒子间的力 短程力，微观 引起原子核β衰变的原因 二、结合能 3.核力和结合能 二、结合能 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，一部分动能变成热并散失掉了。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，还要重新赋予它们能量。 宏观 要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、让氢原子吸收光子等途径使它得到相应的能量。 微观 二、结合能 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？ 二、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（bindingenergy）。这个能量也是核子结合成原子核而释放的能量。 思考1：结合能的大小能不能反映原子核的稳定程度？ 思考2：如何才能反映原子核的稳定程度？ 二、结合能 定义：结合能与核子数之比，称做为比结合能。也叫平均结合能。 意义：它反映了一个原子核稳定程度。 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。 二、结合能 不同原子核的比结合能是不一样的。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要小。 不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。 三、质量亏损 3.核力和结合能 三、质量亏损 原子分解为核子时，质量增加；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。 核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，正表明它们在互相结合过程中放出了能量。 三、质量亏损 爱因斯坦质能方程 ： E=mc2 （ ΔE=Δm·c2） 式中c是真空中的光速，m是物体的质量，E是物体的能量。 常用单位: m用“u (原子质量单位)” 1u=1.660566×10-27kg 1uc2=931MeV (表示1u 的质量变化相当于931Me V的能量改变) 三、质量亏损 1.质量或能量是物质的属性之一，决不能把物质的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。 三、质量亏损 【例题】已知中子的质量mn为1.6749×10-27 kg，质子的质量mp为1.6726 × 10-27 kg，氘核的质量mD为3.343 6 × 10-27 kg，求氘核的比结合能。 单个的质子 与中子的质量之和为 这个数值与氘核质量之差 解： 三、质量亏损 在核物理中，能量单位常常使用电子伏特(eV)，即 所以，氘核的结合能是 氘核的比结合能为 与这个质量差相对应的能量为 四、课堂总结 3.核力和结合能 01 引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用 核力与四种基本相互作用 03 原子分解为核子时，质量增加；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。 质量亏损 02 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（bindingenergy） 结合能 结合能与核子数之比，称做为比结合能。也叫平均结合能。 五、练习与应用 3.核力和结合能 五、练习与应用 1　下列对核力的认识正确的是(　　) A．任何物体之间均存在核力 B．核力广泛存在于自然界中的核子之间 C．核力只存在于质子之间 D．核力只发生在相距1.5×10-15m内的核子之间，大于0.8×10-15 m为吸引力，而小于0.8×10-15 m为斥力 五、练习与应用 【答案】D 【解析】由核力的特点知道，只有相距1.5×10-15 m内的核子之间才存在核力，核力发生在质子与质子、质子与中子及中子与中子之间，D正确，A、B、C错误． 五、练习与应用 2　(多选)对结合能、比结合能的认识，下列正确的是(　　) A．核子结合为原子核时，一定释放能量 B．核子结合为原子核时，可能吸收能量 C．结合能越大的原子核越稳定 D．比结合能越大的原子核越稳定 五、练习与应用 【答案】AD 【解析】由自由核子结合为原子核的过程中，核力做正功，释放出能量．反之，将原子核分开变为自由核子，它需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，故A正确，B错误；核子越多的原子核的结合能越大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C错误，D正确． 五、练习与应用 五、练习与应用 【答案】D 六、提升训练 3.核力和结合能 六、提升训练 1．下列关于核力、原子核的结合能、比结合能的说法正确的是 (　　) A．维系原子核稳定的力是核力，核力就是表现为相邻核子间的相互吸引力 B．核力是强相互作用的一种表现，原子核尺度内，核力比库仑力小 C．比结合能小的原子核分解成比结合能大的原子核时会释放核能 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 六、提升训练 【答案】C 【解析】维系原子核稳定的力是核力，核力可以表现为相邻核子间的相互吸引力，又可以表现为排斥力，A错误；核力是强相互作用的一种表现，原子核尺度内，核力远比库仑力大，B错误；比结合能小的原子核结合或分解成比结合能大的原子核时释放核能，故C正确；根据质能方程可知，自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，故D错误． 六、提升训练 六、提升训练 【答案】B 六、提升训练 六、提升训练 【答案】A $