人教版高中物理选择性必修第三册第五章原子核第3节核力与结合能课件（49页PPT）

(共49张PPT)
[学习目标]
1.了解四种基本相互作用，知道核力的特点。
2.了解结合能和比结合能的概念。
3.知道质量亏损和质能方程，会用质能方程计算核能。
1.核力：原子核中的____之间存在一种很强的相互作用，即存在一种____。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.强相互作用的特点
(1)强相互作用是____力，作用范围只有约____ m。
(2)距离增大时，强相互作用急剧____。超过10-15 m，强相互作用不存在。
核子
核力
短程
10-15
减小
(2)弱相互作用是____力，其力程只有_____ m。
短程
10-18
4.四种基本相互作用
[易错辨析]
(1)原子核中粒子所受的万有引力和电磁力可以达到平衡。( )
(2)核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大。( )
(3)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。( )
(4)核力的作用范围只有约10-15 m。( )
(5)核力本质上属于电磁相互作用。( )
×
×
√
√
×
[例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，在其作用范围内，核力比库仑力大得多
解析　核力作用的范围在10-15 m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，也可能表现为斥力，B正确；核力是核子之间的强相互作用，C正确，D错误。
ABC
[例2]　(多选)关于原子内的相互作用力，下列说法正确的是(　　)
A.原子核与电子之间的作用力主要是电磁力
B.中子和质子间的作用力主要是核力
C.质子与质子间的核力，在2.0×10-15 m的距离内远大于它们相互间的库仑力
D.原子核与电子之间的万有引力大于它们之间的电磁力
解析　原子核与电子之间的作用力主要是电磁力，A正确；中子和质子间的作用力主要是核力，B正确；核力与万有引力、电磁力的性质不同，核力是短程力，作用范围在10-15 m之内，C错误；原子核与电子之间的万有引力小于它们之间的电磁力，D错误。
AB
1.结合能
原子核是____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______之比，叫作比结合能，也叫作____结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越_____，原子核越____。
3.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原子核的比结合能要小。
核子
能量
核子数
平均
牢固
稳定
4.比结合能曲线
不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示。
5.比结合能与原子核稳定的关系
(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定。
(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。
(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就能释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。
[易错辨析]
(1)组成原子核的核子越多，它的结合能就越大。( )
(2)结合能越大，核子结合得越牢固，原子核越稳定。( )
(3)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。( )
√
×
×
[例3]　原子核的比结合能如图所示，下列说法正确的是(　　)
C
AD
1.质量亏损：原子核的质量_____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：__________。
(2)扩展：质量为m的物体，所蕴含的能量E＝___。
小于
ΔE＝Δmc2
mc2
3.对质能方程E＝mc2的理解
(1)质能方程E＝mc2说明一定的质量总是跟一定的能量相联系。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，E不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。
(2)根据质能方程E＝mc2，物体的总能量与其质量成正比。物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少。
(3)根据质能方程ΔE＝Δmc2，核反应过程中发生的质量亏损，并不是消失了，减少的质量Δm在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。
[易错辨析]
(1)由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度。( )
(2)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。( )
√
×
[例5]　下列有关质能方程的说法中，正确的是(　　)
A.爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化
B.由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度
C.核反应中发生的“质量亏损”是消失的质量转变为能量
D.因为在核反应中产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒、系统的总能量和总质量并不守恒
B
解析　E＝mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系，故A错误，B正确；核反应中发生的“质量亏损”并不是质量消失，也不是质量转变成能量，故C错误；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，故D错误。
[总结提升]
1.根据质量亏损计算核能
(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)。
2.利用比结合能来计算核能
原子核的结合能＝核子的比结合能×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，就是该核反应所释放(或吸收)的核能。
1.(核力与四种基本相互作用)(多选)关于核力，下列说法正确的是(　　)
A.核力是一种特殊的万有引力
B.原子核内只有质子和质子间有核力作用，而中子和中子之间、质子和中子之间则没有核力作用
C.核力是原子核稳定存在的原因
D.核力是一种短程力
解析　核力与万有引力、库仑力的性质不同，核力是短程力，作用范围在10-15 m之内，原子核半径的数量级为10-15 m，所以核力只存在于相邻的核子之间，质子间、中子间、质子和中子间都可以有核力作用，核力是原子核能稳定存在的原因，故C、D正确。
CD
2.(核力和结合能)(多选)下列关于核力与结合能的说法正确的是(　　)
A.将原子核拆散成核子所吸收的能量与核子结合成原子核所放出的能量相同
B.核力与万有引力性质相同
C.核力只存在于相邻的核子之间
D.核子数越多，原子核越稳定
解析　将原子核拆散成核子与核子结合成原子核，这两个过程质量的变化相等，根据爱因斯坦质能方程可知，将原子核拆散成核子所吸收的能量与核子结合成原子核所放出的能量相同，故A正确；核力与万有引力性质不同，核力只存在于相邻的核子之间，而万有引力存在于宇宙万物之间，故B错误，C正确；核子数越多，原子核不一定越稳定，应是比结合能越大，原子核越稳定，故D错误。
AC
3.(结合能与比结合能)原子核的比结合能随质量数变化的图像如图，下列说法正确的是(　　)
D
4.(质量亏损和核能)原子质量单位为u，1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1 kg和m2 kg的原子核结合为质量为M kg的原子核时释放出的能量是(　　)
A.(M－m1－m2)uc2
B.(m1＋m2－M)u×931.5 J
C.(m1＋m2－M)c2 J
D.(m1＋m2－M)×931.5 MeV
解析　核反应过程中，反应前后原子核的质量亏损为Δm＝(m1＋m2－M)kg，则释放的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－M)c2 J，故C正确。
C
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[基础巩固练]
1.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3种力从大到小的排列顺序是(　　)
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　核力是强相互作用，它能将核子束缚在原子核内，万有引力最弱，研究核子间相互作用时万有引力可以忽略，故D正确。
D
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2.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
解析　核力是强相互作用的一种表现，只有相邻的两个核子之间存在核力作用，A错误；原子核的比结合能越大，原子核中核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)就越小，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，B正确；弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，C错误；核子结合成原子核时发生质量亏损，释放能量，所以原子核中所有核子单独存在时的质量之和大于该原子核的总质量，D错误。
B
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3.(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是(　　)
A.原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B.一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能
C.比结合能越大，原子核越不稳定
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
解析　原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，A正确；一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，要释放能量，故衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，B正确；比结合能越大，原子核越稳定，C错误；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，D错误。
AB
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4.(多选)如图是各种元素的原子核中核子的平均质量与原子序数Z的关系图像，由此可知(　　)
AC
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A.若原子核D和E结合成原子核F，结合过程一定会释放能量
B.若原子核D和E结合成原子核F，结合过程一定要吸收能量
C.若原子核A分裂成原子核B和C，分裂过程一定会释放能量
D.若原子核A分裂成原子核B和C，分裂过程一定要吸收能量
解析　D和E结合成F，核子平均质量减少，有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程可知，有能量释放，故A正确，B错误；若A分裂成B和C，核子平均质量减少，有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程可知，有能量释放，故C正确，D错误。
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5.(多选)关于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2和ΔE＝Δmc2，下列说法正确的是(　　)
A.E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比
B.E＝mc2中的E是发生核反应时释放的核能
C.根据ΔE＝Δmc2，可以计算核反应中释放的核能
D.两个质子和两个中子结合成一个氦核时，释放出核能，说明此过程中出现了质量亏损
解析　E＝mc2说明物体具有的能量与其质量成正比，故A正确；E＝mc2中的E是物体蕴含的能量，不是发生核反应时释放的能量，故B错误；根据ΔE＝Δmc2，可以计算核反应中释放的能量，故C正确；两个质子和两个中子结合成一个氦核时，释放能量，根据爱因斯坦的质能方程，说明此过程中出现了质量亏损，故D正确。
ACD
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10.(2023·全国乙卷)2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为1048 J。假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108 m/s)(　　)
A.1019 kg B.1024 kg
C.1029 kg D.1034 kg
C
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D
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