3. 核力与结合能（表格式教学设计）物理人教版选择性必修第三册

该高中物理教学设计聚焦“核力与结合能”，通过提问质子束缚的作用力引入核力，结合库仑力与万有引力估算对比，衔接已知相互作用知识，搭建从宏观到微观的学习支架。 资料以核心素养为导向，通过核力特性分析、结合能曲线推理培养科学思维，结合质量亏损计算实例（如氘核结合能计算）落实科学探究，类比宏观模型助建物理观念。例题与分层练习提升学生论证能力，清晰结构与重难点解析方便教师教学。

第3节 核力与结合能 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第3节 核力与结合能 教学 目标 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。 教学 重难点 1.核力的概念、基本特性及原子核稳定性的成因(重点)。 2.结合能、比结合能的概念理解，质量亏损与核能的本质联系(重点)。 3.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(难点)。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 教师：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? 学生思考问题。 新课讲授 一、核力与四种基本相互作用 教师：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？ 学生： 教师：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——核力。 师生：归纳总结 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）。 （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。 ②核力是短程力。约在10-15m量级时起作用，距离大于0.8×1015m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。 教师：现在我们已经学习了三种基本相互作用了，那自然界中还有没有其他的相互作用呢？请同学们阅读教材，总结归纳自然界中基本相互作用的类型及其起作用的尺度。 学生：万有引力将恒星与行星聚在一起形成太阳系、银河系以及其他星系，决定着宇宙的现状。宇宙间一切物体之间都存在相互吸引。电磁相互作用存在于原子核外，使电子不脱离原子核的束缚，形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成物体。强相互作用存在于原子核内，使核子束缚在一起。 弱相互作用存在于原子核内，是引起原子核β衰变的原因。 师生：归纳总结 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。 （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。 （3）强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。 （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。 教师：其实在后面的研究中科学家发现弱相互作用与电磁相互作用在本质上是同一种相互作用，只是在不同情况下的表现，这种相互作用我们统称为弱电相互作用。那万有引力、强相互作用、弱电相互作用会不会本质上都是一种呢？这一点就有待同学们在未来进行研究了。而这也是爱因斯坦一生 都在思考的“大一统”理论。 学生思考并回答问题。 新课讲授 二、结合能 教师：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。 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。 教师：请结合教材内容，说说我们可以用哪个物理量来描述这种能量呢？ 学生：结合能。 教师：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。 教师：①如图，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。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？ 学生：原子核越大→核子个数越多→结合能越大→但不能说明它稳定。 教师：在物理学中，我们把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，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。 师生：归纳总结 3.比结合能： 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。 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。 【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 【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。 【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 【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。 学生思考并回答问题。 新课讲授 三、质量亏损 教师：自由核子结合成原子核的过程中质量如何变化? 学生：质量是减少的。 教师：通过这个例题可以看出，原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫作质量亏损。 教师：这种质量亏损是否违背了质量守恒定律? 学生：一定的质量联系着一定的能量，核反应过程中这种质量的差异对应的就是核反应过程中吸收或释放的能量。质量和能量是物质存在的两种不同的表现形式。 师生：归纳总结 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。 2.爱因斯坦质能方程：E=mc2（ΔE=Δmc2）。 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。 【例3】　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。 【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。 【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) 【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。 【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。 学生阅读教材，理解质量亏损的概念。 课 堂 练 习 1.2011年3月，日本发生的大地震造成了福岛核电站核泄漏。在泄漏的污染物中含有大量放射性元素I，其衰变方程为I→Xe＋e，半衰期为8天，已知mI＝131.037 21 u，mXe＝131.031 86 u，me＝0.000 549 u，则下列说法正确的是 （      ）  A.衰变产生的β射线来自于I原子的核外电子 B.该反应前后质量亏损0.005 35 u C.放射性元素I发生的衰变为α衰变 D.经过16天，75%的I原子核发生了衰变 【解析】I衰变时，原子核内中子转化为质子和电子，大量电子从原子核释放出来形成β射线，故A错误；该反应前后质量亏损为Δm＝mI－mXe－me＝131.037 21 u－131.031 86 u－0.000 549 u＝0.004 801 u，故B错误；放射性元素I发生的衰变为β衰变，故C错误；由于半衰期为8天，可知经过16天，即经过两个半衰期，75%的I原子核发生了衰变，故D正确。 2.2022年1月，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．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】根据质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为3，电荷数为1，为氚核H，选项A错误，B正确；因该反应为人工转变，反应前两种粒子都有动能(总动能设为Ek1)，反应后的生成物也有动能(设为Ek2)，根据质能方程可知，因质量亏损反应放出的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3)c2，则反应释放的能量为E＝Ek1＋ΔE－Ek2＝Ek1－Ek2＋(m1＋m2－m3)c2，选项C、D错误． 3.某核反应方程为HHHen＋17.6MeV，现真空中有两个动量大小相等、方向相反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量几乎全部转化为He与n的动能，则（      ）  A.该反应有质量亏损 B.该反应为核裂变 C.n获得的动能约为14MeV D.He获得的动能约为14MeV 【解析】该核反应过程中释放能量，故有质量亏损，A正确；该反应是核聚变反应，B错误；在真空中，该反应动量守恒，由于相撞前氘核与氚核动量大小相等、方向相反，系统总动量为零，故核反应后氦核与中子的动量也大小相等、方向相反，由Ek＝得，核反应后两个粒子获得的动能之比为EkHe∶Ekn＝mn∶mHe＝1∶4，而两个粒子获得的总动能为17.6MeV，故n获得的动能为Ekn＝×17.6MeV＝14.08MeVHe获得的动能为EkHe＝×17.6MeV＝3.52MeV，故C正确，D错误。 4.氘核和氚核的核反应方程为H＋H→He＋n，已知H的比结合能是2.78 MeV，H的比结合能是1.09 MeV，He的比结合能是7.03 MeV，下列说法正确的是(　　) A.氦原子核由两个质子和两个中子组成，其中两个质子之间三种作用力从大到小的排列顺序为核力、库仑力、万有引力 B.反应后生成的氦核的结合能为14.06 MeV C.该核反应过程释放出的能量为17.6 MeV D.原子核的比结合能大小可反映原子核的稳定程度，该值随质量数的增加而增大 【解析】根据原子核的组成理论，氦原子核由两个质子和两个中子组成，其中两个质子之间三种作用力从大到小的排列顺序为核力、库仑力、万有引力，故A正确．反应后生成的氦核的结合能为4×7.03 MeV＝28.12 MeV，故B错误；氘核的比结合能为E1，氚核的比结合能为E2，氦核的比结合能为E3，根据比结合能等于结合能与核子数的比值，该核反应中释放的核能ΔE＝4E3－2E1－3E2＝4×7.03 MeV－2×1.09 MeV－3×2.78 MeV＝17.6 MeV，故C正确；比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢靠，原子核越稳定，比结合能并非随着质量数的增加而增大，故D错误． 5.居里夫妇发现放射性元素镭226的衰变方程为Rn＋，已知的半衰期为1 620年 原子核的质量为226.025 4 u，衰变后产生的 原子核质量为原子核的质量为4.002 6 u，已知1 u相当于931 MeV，对的衰变，以下说法正确的是(　　) A.表示氦原子 B.6克原子核经过1 620年有3克发生衰变 C.1个原子核发生衰变放出的能量约为 4.9 MeV D.衰变后比结合能变小 【解析】根据核反应方程的质量数与电荷数守恒，则A＝4，Z＝2，故是，表示氦核，不是氦原子，故A错误；的半衰期为1 620年，6克原子核经过1 620年有3克发生衰变，故B正确；原子核的质量为226.025 4 u，衰变后产生的原子核的质量为原子核的质量为4.002 6 u，质量亏损为Δm＝226.025 4 u－222.017 5 u－4.002 6 u＝0.005 3 u，因1 u相当于931 MeV，则有1个原子核发生衰变放出的能量约为4.9 MeV，故C正确；衰变后变成，放出能量，则比结合能变大，故D错误。故选BC。 课 堂 小 结 板 书 设 计 第3节 核力与结合能 一、核力与四种基本相互作用 1.核力：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。核力具有饱和性，每个核子只跟相邻核子发生核力作用，而不是与核内所有核子发生相互作用。 2.强相互作用 (1)强相互作用是短程力，作用范围只有约10-15 m。 (2)距离增大时，强相互作用急剧减小。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β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。 (2)弱相互作用是短程力，其力程只有10-18 m。 4.四种基本相互作用 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，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，叫质量亏损。 2.质能方程 (1)爱因斯坦狭义相对论认为，质量亏损Δm与释放的核能ΔE之间的关系：ΔE=Δmc2。 (2)扩展：质量为m的物体，所蕴含的能量E=mc2。 作业 布置 1.完成教材课后作业：“练习与应用”。 2.配套分层作业。 教学反思 在知识总结中，可先鼓励学生自行尝试，教师再给予引导性问题支持，逐渐培养知识总结的意识与能力。测评题目也可选择教材配套练习与应用进行，教师仍需对相应题目中涉及的核心素养及其水平进行分析，以保证测评的有效性。拓展模块需为后续学习留下窗口，为接下来学习核聚变反应以及核裂变反应打好基础。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $