高中物理选择性必修三 同步导学案 5.3 核力与结合能

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5.3
核力与结合能
一、自主学习
（一）核力与四种基本相互作用
1.核力
(1)定义：原子核中的______之间的相互作用力。
(2)作用：使得______紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。
2.核力的特点
(1)核力是____________的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多。
(2)强相互作用是______，作用范围只有约10-15m。
（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____________，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____________，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。
二、课堂探究
[情景设问]在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子为什么能够挤在一起而不飞散？
（一）核力与四种基本相互作用
结论1：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做_________。
[思考]核力具有怎样的特点呢？
结论2：
①
核力是四种相互作用中的_________（强力）的一种表现。
②
核力是_________。约在
10-15
m量级时起作用，距离大于0.8×10-15
m时为引力,
距离为10×10-15
m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15
m时为斥力。
③
核力具有_________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_________性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。
[讨论]除核力外原子核内是否还存在其他力？
结论3：除核力外原子核内还存在弱相互作用（弱力），弱力是引起_________转变的原因
[思考]弱相互作用有哪些特点呢？
结论4：弱相互作用也是_________力，力程比强力更短，为作用强度则比电磁力小。
[总结归纳]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。
①
万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来。
②
电磁力：
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。
电磁力和万有引力都是“长程力”，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小
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?
?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。
（二）结合能
[情境引入]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
结论5：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_________。
[思考与讨论]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？
结论6：当核子结合成原子核时要放出一定能量，原子核分解成核子时，吸收_________的能量。
[思考]原子核越大，它的结合能越高。结合能越大，原子核是不是越难被拆散？即结合能的大小能不能反映原子核的稳定程度？
结论7：结合能的大小_________反映原子核的稳定程度
[思考]如何才能反映原子核的稳定程度
平均结合能=结合能/核子数
结合能与核子数之比，称做为平均结合能。也叫_________。
意义：它反映了一个原子核稳定程度
平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越_________，原子核越_________。
[讨论]观察下列比结合能曲线，你发现了什么规律？
不同原子核的比结合能随质量数变化的图线
结论8：从图中可看出，_________原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比_________的原子核要小。
[思考]怎么得到原子核的结合能呢？
结论9：原子核的结合能很难直接测量。爱因斯坦已经给我们指出了物体的能量与它的质量的关系：爱因斯坦质能方程__________________。
（三）质量亏损
[思考]核反应前后质量数是守恒的，那么反应前后原子核的总质量相等吗？
[例]已知中子的质量mn为1.6749x10-27
kg,质子的质量mp为1.6726
x10-27
kg,氘核的质量mD为3.343
6x
10-27
kg，求氘核的比结合能。
解：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
与这个质量差相对应的能量为
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
结论10：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_________。质量亏损表明，的确存在着原子核的_________。
[讨论]尝试总结根据质能方程来计算核能的方法步骤。
结论11：
①根据核反应方程,计算核反应前和核反应后的__________________。
②根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算_________。其中Δm的单位是千克,ΔE的单位是焦耳。
[思考]你能根据质能方程判断核反应吸收能量还是释放能量吗？
结论12：
①
根据反应前后的质量变化
质量亏损——_______能量；
质量增加——_______能量。
②
根据反应前后的比结合能的变化
比结合能变大——_______能量；
比结合能变小——_______能量。
三、典题精讲
【例题1】现代物理学以相对论和量子力学为基础，它的研究范围涵盖了从基本粒子到宇宙天体的各个领域，形成了许多分支学科和边缘学科。下列说法正确的是（　　）
A．汤姆孙首先发现了电子
B．若入射光的频率和强度不变，增大光电管两极所加正向电压，饱和电流增加
C．在康普顿效应中，入射光子与晶体中的电子碰撞，有些光子散射后的波长变短
D．结合能越大，原子核越稳定
【例题2】关于近代物理，以下说法正确的是（　　）
A．卢瑟福根据α粒子散射实验，证实了枣糕模型
B．玻尔通过分析氢原子光谱，提出了氢原子能级结构
C．原子核发生β衰变放出电子，这说明电子是组成原子核的基本成分
D．重核裂变和轻核聚变形成中等大小的核时，都会释放能量，是因为核子的比结合能变小了
4、核心素养专练
1．下列说法正确的是（　　）
A．所谓布朗运动就是液体分子的无规则运动
B．质能方程E=mc2表明：物体具有的能量与它的质量有简单的正比关系
C．在光电效应的实验中，入射光强度增大，光电子的最大初动能随之增大
D．光的偏振现象说明光是一种纵波
2．“共和国勋章”获得者于敏与合作者提出了原子核相干结构模型，填补了中国原子核理论的空白，使中国核武器技术发展迈上了一个新台阶。下列关于原子核裂变和聚变的描述，正确的是（　　）
A．核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核，并吸收大量能量
B．铀核裂变为两个中等质量的原子核的反应过程中，核子的比结合能减小
C．重水在核反应堆中的作用是使快中子变为慢中子
D．根据△E=△mc2可知，质量相同的核燃料裂变和聚变释放的能量相同
3．下列关于核力与核能的说法正确的是（　　）
A．核力是强相互作用的一种表现，任意两个核子之间都存在核力作用
B．原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定
C．核力是引起原子核β衰变的原因
D．原子核中所有核子单独存在时的质量总和等于该原子核的总质量
4.由于太阳自身巨大的重力挤压，使其核心的压力和温度变得极高，形成了可以发生核聚变反应的环境。太阳内发生核聚变反应主要为：21H+21H→44He，已知部分物质比结合能与质量数关系如图所示，则该反应释放的核能约为（　　）
A．5
MeV
B．6
MeV
C．24
MeV
D．32
MeV
5.关于原子核，下列说法正确的是（　　）
A．结合能越大原子核越稳定
B．原子核内部所有核子之间都有核力
C．质量亏损表明原子核存在结合能
D．电子的发现使人们认识到原子核具有复杂结构
6.2020年11月27日00时41分，华龙一号全球首堆--中核集团福清核电5号机组首次并网成功经现场确认，该机组各项技术指标均符合设计要求，机组状态良好，并创造了全球第三代核电首堆建设的最佳业绩。这标志着中国打破了国外核电技术垄断，正式进入核电技术先进国家行列。以下关于核能的有关说法正确的是（　　）
A．华龙一号发电的核能是利用轻核聚变
B．华龙一号发电的核能是利用重核裂变
C．重核裂变过程中释放核能是因为新核的比结合能小
D．轻核聚变过程中释放核能是因为新核核子的平均质量大
7.中国是核电大国，到2020年1月，已经建成19座核电站，核电站是利用原子核发生裂变反应时所产生的核能来进行发电的。关于原子核与核能，以下说法正确的是（　　）
A．组成原子核的核子之间只存在引力
B．核反应中由于核子数减少而导致质量亏损
C．比结合能越大的原子核越稳定，核子平均质量越小
D．核电站利用中等质量的原子核分裂成质量较小的原子核来获取核能
8．下列关于原子核的叙述中正确的是（　　）
A．居里夫人通过粒子轰击铝原子核，首次发现了中子
B．核反应堆中的“慢化剂”是为了减慢核反应速度，防止核反应过于剧烈
C．经重核裂变过程后核子的平均质量增大
D．轻核聚变过程中，会有质量亏损，要释放能量
9.较轻的核的比结合能_________中等大小的核的比结合能_________（填“大于”、“等于”、“小于”）。
10.一个铀核衰变为钍核时释放出一个α粒子，已知铀核的质量为3.853131×10-25kg，钍核的质量为3.786567×10-25kg，α粒子的质量为6.64672×10-27kg．在这个衰变过程中释放出的能量等于_________J．（保留两位有效数字）
参考答案
自主学习
（1）核子
核子
强相互作用
短程力
（2）能量
比结合能
课堂探究
结论1：核力
结论2：强相互作用
短程力
饱和
电荷无关
结论3：中子－质子
结论4：短程
结论5：结合能
结论6：同样
结论7：不能
比结合能
牢固
稳定
结论8：中等质量
中等质量
结论9：E=mc2
结论10：质量亏损
结合能
结论11：质量亏损Δm
核能
结论12：释放
吸收
释放
吸收
典题精讲
【例题1】A
【例题2】B
核心素养专练
1.B
2.C
3.B
4.C
5.C
6.B
7.C
8.D
9.小于
10.8.7×10-13
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