5.3 核力与结合能 课件 -2026-2027学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件围绕核力与结合能展开，涵盖核力特点、四种基本相互作用、结合能与比结合能、质量亏损及质能方程等核心知识点。课堂导入以“质子为何不飞散”的问题衔接原子核构成的前序知识，通过估算库仑力与万有引力之比搭建认知支架。 其亮点在于以科学推理为核心，通过氦核分离与结合反应实例建构结合能模型，结合质能方程计算培养科学论证能力。典例分析与当堂小练强化知识应用，助力学生深化相互作用与能量观念，教师可借助清晰结构提升教学效率。

第五章 原子核 5.3 核力与结合能 目 录 CONTENTS 1 学习目标 2 新课导入 3 新课讲解 4 课堂小结 5 典例分析 当堂小练 6 1．知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用。 2．知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小。 3．理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损。 4．知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。 学习目标 新课导入 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？ F库 中子 质子 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。 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？ 新课讲解 一、核力与四种基本相互作用 能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。 1、核力： 2、核力的特点： ⑵核力是短程力。约在10-15m 数量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力, 距离为1.5×10-15m 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。 ⑴核力是强相互作用（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多（比库仑力强137倍）。 ⑶核力与电荷无关。（核力与核子电荷无关） ⑷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。 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 3、四种基本相互作用的对比 引起原子核β衰变的原因 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。 宏观现象： 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。 微观现象： 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？ γ为光子，其能量ε≥27.386MeV，反应才能发生 γ为光子，其能量ε＝27.386MeV 把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量相等。 分开氦原子核 核子结合成氦原子核 1、结合能 原子核分解成核子时所吸收的能量。 吸收27.386MeV 吸收2.2MeV 也是核子结合成原子核而释放的能量 组成原子核的核子越多，它的结合能越高。因此，有意义的是它的结合能与核子数之比。 2、比结合能（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。 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。 1、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） (3)质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的。 (1)质量亏损的同时以光子形式释放核能；原子核分解为核子时,吸收一定能量，核子的总质量大于原原子核的质量。 (2)在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒。 质量亏损并不是这部分质量消失或质量转变为能量。物体的质量应包括静止质量和运动质量，质量亏损是静止质量减少，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。 爱因斯坦 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： 质能方程 物体质量，随着能量的变化，会发生变化。 2、爱因斯坦质能方程：E＝mc2 （ΔE＝Δmc2） E＝mc2 ΔE＝Δmc2 3、原子核的比结合能随质量数的变化曲线（实验数据） 铁（Fe）原子的比结合能最大 铁（Fe） 原子比较稳定 比结合能最高的是镍-62。只不过镍-62最终也会衰变成铁元素，所以我们会习惯性地认为铁元素的比结合能最高。 3、原子核的比结合能随质量数的变化曲线（实验数据） 核子平均质量 比结合能 核子的平均结合能随质量数的变化 z 核子结合成铁原子核或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大 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。 使较重的核分裂成中等大小的核，比结合能会增加，发生质量亏损，释放结合能。 ⑴结合能： 1、核力与四种基本相互作用 ⑴四种相互作用: ⑵核力： 2、结合能 3、质量亏损 ⑵比结合能： 引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用 能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。 原子核分解成核子时所吸收的能量。 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。 ΔE＝Δmc2 课堂小结 【例题1】 (多选)下列说法正确的是(　　 ) A.核力是短程力,作用范围很小,只在邻近核子间发生 B.核力可能是引力,也可能是斥力。核力把核子紧紧束缚在核内,形成稳定的原子核,但又不会融合在一起 C.质子间、中子间、质子和中子之间都可能有核力 D.核力是一种弱相互作用力,在其作用范围内,核力比库仑力大得多 解析： ABC 核力作用的范围在10-15 m区域内，只在邻近核子间发生，是短程力，A正确；核力可能表现为引力，也可能表现为斥，B正确；核力是核子之间的强相互作用力，C正确；核力是一种强相互作用力，D错误。 典例分析 【例题2】下列关于结合能和比结合能的说法中,正确的有(　　) 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.重核与中等质量原子核相比较,重核的结合能和比结合能都大 D.中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大 解析： D 核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能，A选项错误；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，例如中等质量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，B、C选项错误；中等质量原子核的比结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，D选项正确。 【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，求氘核的比结合能. 单个质子和单个中子的质量和为 ＝mp+mn=（1.6726+1.6749）×10-27kg=3.3475×10-27kg 这个数值与氘核质量之差 Δm ＝（mp+mn）-mD=（3.3475-3.3436）×10-27kg=0.0039×10-27kg 与这个质量差相对应的能量为 ΔE=Δmc2=0.0039×10-27×(3.00×108)2J=3.51×10-13J 氘核的比结合能为 核物理中，能量单位常使用电子伏特：1eV=1.60×10-19J，所以结合能是 解析： 解析： A 【例题4】用速度大小为v的中子轰击静止的锂核(Li)，发生核反应后生成氚核和α粒子。生成的氚核速度方向与中子的速度方向相反，氚核与α粒子的速度之比为7∶8，中子的质量为m，质子的质量可近似看成m，光速为c。 ⑴写出核反应方程； ⑵求氚核和α粒子的速度大小； ⑶若核反应过程中放出的核能全部转化为α粒子和氚核的动能，求出质量亏损。 解析： 1.对于核力，以下哪些说法是正确的(　　) A．核力是弱相互作用，作用力很小 B．核力是强相互作用，是强力 C．核子之间的距离小于0.8×10－15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起 D．人们对核力的了解很清楚，特别是在小于0.8×10－15m时，核力的变化规律更清楚 当堂小练 解析：核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在1.5×10－15m之内，核力比库仑力大得多。因此，选项B正确，A错误。 核力在大于0.8×10－15m时，表现为吸引力，且随距离增大而减小，在距离小于0.8×10－15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起。所以，选项C正确。 人们对核力的了解还不是很清楚，这是科学家们奋力攻克的堡垒，故D项不正确。 答案：BC 2.关于核力与结合能，下列说法不正确的是（　　） A．核力是短程力，与核子间的距离有关，可为引力也可为斥力 B．核力具有饱和性和短程性，重核的中子数多于质子数 C．比结合能小的原子核合成或分解成比结合能大的原子核时一定释放核能 D．原子核的结合能越大，核子结合得越牢固，原子核越稳定 解析：A．核力是短程力，作用范围在之内，核力在大于时表现为引力，且随距离增大而减小，超过，核力急剧下降几乎消失，而在距离小于时，核力表现为斥力，故A正确，不符合题意； B．核力具有饱和性和短程性，重核的中子数多于质子数，故B正确，不符合题意；C．比结合能小的轻核合成比结合能大的原子核，比结合能小的重核分解成比结合能大的原子核时都要发生质量亏损，则一定释放核能，故C正确，不符合题意；D．原子核的比结合能越大，核子结合得越牢固，原子核越稳定，故D正确，符合题意。 故选D。答案：D 3. 核燃料铀-235的一种典型的裂变方程是 ，衰变方程是 ，下列说法正确的是（　　） A．裂变过程吸收能量 B．X核中含有88个中子 C．X核与 核的总质量大于 核的质量 D．裂变释放能量产生的高温会加快 的衰变 解析：A．核反应释放能量，所以核裂变和衰变都释放能量，故A错误； B．核反应遵循电荷数守恒和质量数守恒，故新核X的质量数为235-89-2=144，电荷数为92-36=56，故新核X的中子数为144-56=88，故B正确； C．核反应质量会出现亏损，X核与 核的总质量小于 核的质量，故C错误； D．放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身决定的，与外界的物理和化学状态无关,故D错误。 故选B。 答案：B 4、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,则三种力从大到小的顺序是(　　) 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 解析：核力是核子之间的一种强相互作用,其相互作用力巨大,远超过两个质子之间的库仑力,两质子之间的万有引力远小于库仑力,故选项D正确。 D 5、太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026 J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近(　　) A.1036 kg B.1018 kg C.1013 kg D.109 kg 解析：由质能方程ΔE=Δmc2, D 6、(多选)下列关于结合能和比结合能的说法中,正确的有(　　) A.核子结合成原子核时放出能量 B.原子核拆解成核子时要吸收能量 C.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 D.重核与中等质量原子核相比较,重核的结合能和比结合能都大 解析：核子结合成原子核是放出能量,原子核拆解成核子是吸收能量,A、B正确;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,例如中等质量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,C、D选项错误。 AB THANKS 比结合能越大，核越稳定，He核比Li核比结合能大，则更稳定，选项A正确；根据图像知He核的比结合能约为7 MeV，所以结合能ΔE＝7×4 MeV＝28 MeV，故B错误；由题图可知H的比结合能约为1 MeV，则H核结合能为2 MeV；He核的比结合能为7 MeV，结合能为28 MeV，则两个H核结合成He核时放出能量，选项C错误；由题图图像可知，U核中核子的平均结合能比Kr核中的小，选项D错误。 【例题4】原子核的比结合能曲线如图所示.根据该曲线，下列判断正确的有( ) A.He核比Li核更稳定 B.He核的结合能约为14 MeV C.两个H核结合成He核时吸收能量 D.U核中核子的平均结合能比Kr (1)根据质量数和电荷数守恒，可得核反应方程为：eq \o\al(1,0)n＋eq \o\al(6,3)Li→eq \o\al(3,1)H＋eq \o\al(4,2)He (2)由动量守恒定律得mnv＝－mHv1＋mHev2。 由题意得v1∶v2＝7∶8，解得v1＝eq \f(7v,11)，v2＝eq \f(8v,11)。 (3)氚核和α粒子的动能之和为Ek＝eq \f(1,2)·3mveq \o\al(2,1)＋eq \f(1,2)·4mveq \o\al(2,2)＝eq \f(403,242)mv2。 释放的核能为ΔE＝Ek－Ekn＝eq \f(403,242)mv2－eq \f(1,2)mv2＝eq \f(141,121)mv2。 由爱因斯坦质能方程得，质量亏损为Δm＝eq \f(ΔE,c2)＝eq \f(141mv2,121c2)。 Δm= kg=4.4×109 kg,D正确。 $