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高中物理人教版 (新课标)选修35 核力与结合能教案及反思
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eq \([先填空])
1．核力
原子核内核子之间的相互作用力．
2．核力的特点
(1)核力是强相互作用的一种表现，在原子核内，核力比库仑力大得多．
(2)核力是短程力，作用范围在1.5×10－15_m之内．
(3)核力的饱和性：每个核子只跟相邻的核子发生核力作用．
3．四种基本相互作用
4．原子核中质子与中子的比例
(1)较轻原子核：质子数和中子数大致相等．
(2)较重原子核：中子数大于质子数，越重的元素两者相差越多．
eq \([再判断])
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．(√)
eq \([后思考])
四种基本相互作用分别在不同尺度上发挥作用，将他们按照作用距离由小到大排列，应怎样排列？
【提示】 弱相互作用的作用距离为10－18 m，强相互作用的作用距离为10－15 m，电磁力主要体现在原子、分子层面，万有引力主要在宏观和宏观尺度上发挥作用．所以顺序为：弱相互作用、强相互作用、电磁相互作用、万有引力．
eq \([合作探讨])
探讨1：原子核中的质子数与中子数有怎样的数量关系？
【提示】 较轻的原子核(原子序数小于20)质子数与中子数大致相等，但随着原子序数的增加(原子序数大于20)，稳定原子核中的中子数大于质子数，且原子序数越大，两者相差越大．
探讨2：原子核中任意两个核子之间都存在核力吗？
【提示】 不是．核力是短程力，只有相邻的两个核子之间才存在核力．
eq \([核心点击])
1．四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用
(1)引力相互作用，引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”．是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状．万有引力是长程力．
(2)电磁相互作用：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成液体和固体．
(3)强力：即强相互作用，在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力．
(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10－18 m，作用强度则比电磁力小．
2．核力的性质
(1)核力是四种相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现．
(2)核力是短程力．约在10－15 m数量级时起作用，距离大于0.8×10－15 m时为引力，距离小于0.8×10－15 m时为斥力，距离为10×10－15 m时核力几乎消失．
(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．核力与核子电荷无关．
3．原子核中质子与中子的比例关系
(1)较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多．
(2)形成原因：
①若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快．所以当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了．
②若只增加中子，因为中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多．
③由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．
1．(多选)对核力的认识，下列说法正确的是( )
A．任何核子之间均存在核力
B．每个核子只跟邻近的核子发生核力作用
C．核力只存在于质子之间
D．核力只发生在相距1.5×10－15 m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
【解析】 由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15 m的核子之间存在核力，核力发生在核子之间．
【答案】 BD
2．(多选)对原子核的组成，下列说法正确的是( )
A．核力可使一些中子组成原子核
B．核力可使非常多的质子组成原子核
C．自然界中存在只有质子的原子核
D．质量较大的原子核内一定有中子
【解析】 由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核，原因是核力是短程力，质子之间还存在“长程力”——库仑力，A、B错误；自然界中存在只有一个质子的原子核，如eq \\al(1,1)H，C正确；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能削弱库仑力，维系原子核的稳定，故D正确.
【答案】 CD
3．关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( )
A．原子核中质子数和中子数一定相等
B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多
C．原子核都是非常稳定的
D．由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在
【解析】 由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知，质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A、B均错误；由核力作用特点可知，核子数越多的原子核越不稳定，故C错误，D正确．
【答案】 D
1核力是强相互作用力，只存在于相邻核子之间.
2核力的存在与核子是否带电及电性无关.
3原子核的稳定性与核力和库仑力的大小关系有关.
eq \([先填空])
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，称作比结合能，也叫平均结合能．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．中等大小的核的比结合能最大，最稳定．
3．质能方程
物体的能量与它们质量的关系是：E＝mc2.
4．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．
eq \([再判断])
1．原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量．(×)
2．比结合能越大，原子核越稳定．(√)
3．质能方程E＝mc2表明了质量与能量间的一种对应关系．(√)
eq \([后思考])
有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？
【提示】 不对．在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只是核子组成原子核时，仿佛变“轻”了一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损，核子的个数并没有变化．
eq \([合作探讨])
一个静止的铀核eq \\al(232, 92)U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核eq \\al(228, 90)Th(原子质量为228.028 7 u)，同时释放出一定量的核能．
探讨1：铀核eq \\al(232, 92)U衰变过程中的质量亏损是多少？
【提示】 Δm＝232.0372 u－4.002 6 u－228.028 7 u＝0.005 9 u.
探讨2：核反应过程发生了质量亏损，同时释放出核能，能说这部分质量转变为能量了吗？
【提示】 不能．物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，并不是这部分质量消失了或转变为能量．
eq \([核心点击])
1．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，就可能释放核能．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．
2．对质能方程和质量亏损的理解
(1)质能方程
质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E＝mc2.
(2)质量亏损
质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了．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，这时质能方程也写为ΔE＝Δmc2.
3．核能的计算方法
(1)根据质量亏损计算
①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm.
②根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．
其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳．
(2)利用原子质量单位u和电子伏特计算
根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV.其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV.
4．(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．
【答案】 AB
5．(多选)对公式ΔE＝Δmc2的正确理解是( )
【导学号：54472085】
A．如果物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm
B．如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2
C．Δm是某原子核在衰变过程中增加的质量
D．在把核子结合成原子核时，若放出的能量是ΔE，则这些核子与组成的原子核的质量之差就是Δm
【解析】 一定质量对应于一定的能量，物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm，即发生质量亏损，所以选项A、D正确；如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2，所以选项B正确；某原子核在衰变时，一定发生质量亏损，所以选项C错误．
【答案】 ABD
6．取质子的质量mp＝1.672 6×10－27 kg，中子的质量mn＝1.674 9×10－27 kg，α粒子的质量mα＝6.646 7×10－27 kg，光速c＝3.0×108 m/s.请计算α粒子的结合能．(计算结果保留两位有效数字)
【解析】 组成α粒子的核子与α粒子的质量差
Δm＝(2mp＋2mn)－mα
结合能ΔE＝Δmc2
代入数据得ΔE＝4.3×10－12 J.
【答案】 4.3×10－12 J
核能的两种单位
(1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2.
(2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5 MeV.
(3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1 MeV＝1×106×1.6×10－19 J＝1.6×10－13 J
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.了解四种基本相互作用，知道核力的特点．
2．认识原子核的结合能及质量亏损，并能应用质能方程进行计算．(重点)
3．能简单解释轻核和重核内中子数、质子数具有不同比例的原因．(难点)
核 力 与 四 种 基 本 相 互 作 用
结 合 能 和 质 量 亏 损
eq \([先填空])
1．核力
原子核内核子之间的相互作用力．
2．核力的特点
(1)核力是强相互作用的一种表现，在原子核内，核力比库仑力大得多．
(2)核力是短程力，作用范围在1.5×10－15_m之内．
(3)核力的饱和性：每个核子只跟相邻的核子发生核力作用．
3．四种基本相互作用
4．原子核中质子与中子的比例
(1)较轻原子核：质子数和中子数大致相等．
(2)较重原子核：中子数大于质子数，越重的元素两者相差越多．
eq \([再判断])
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．(√)
eq \([后思考])
四种基本相互作用分别在不同尺度上发挥作用，将他们按照作用距离由小到大排列，应怎样排列？
【提示】 弱相互作用的作用距离为10－18 m，强相互作用的作用距离为10－15 m，电磁力主要体现在原子、分子层面，万有引力主要在宏观和宏观尺度上发挥作用．所以顺序为：弱相互作用、强相互作用、电磁相互作用、万有引力．
eq \([合作探讨])
探讨1：原子核中的质子数与中子数有怎样的数量关系？
【提示】 较轻的原子核(原子序数小于20)质子数与中子数大致相等，但随着原子序数的增加(原子序数大于20)，稳定原子核中的中子数大于质子数，且原子序数越大，两者相差越大．
探讨2：原子核中任意两个核子之间都存在核力吗？
【提示】 不是．核力是短程力，只有相邻的两个核子之间才存在核力．
eq \([核心点击])
1．四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用
(1)引力相互作用，引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”．是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状．万有引力是长程力．
(2)电磁相互作用：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成液体和固体．
(3)强力：即强相互作用，在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力．
(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10－18 m，作用强度则比电磁力小．
2．核力的性质
(1)核力是四种相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现．
(2)核力是短程力．约在10－15 m数量级时起作用，距离大于0.8×10－15 m时为引力，距离小于0.8×10－15 m时为斥力，距离为10×10－15 m时核力几乎消失．
(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．核力与核子电荷无关．
3．原子核中质子与中子的比例关系
(1)较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多．
(2)形成原因：
①若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快．所以当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了．
②若只增加中子，因为中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多．
③由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．
1．(多选)对核力的认识，下列说法正确的是( )
A．任何核子之间均存在核力
B．每个核子只跟邻近的核子发生核力作用
C．核力只存在于质子之间
D．核力只发生在相距1.5×10－15 m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
【解析】 由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15 m的核子之间存在核力，核力发生在核子之间．
【答案】 BD
2．(多选)对原子核的组成，下列说法正确的是( )
A．核力可使一些中子组成原子核
B．核力可使非常多的质子组成原子核
C．自然界中存在只有质子的原子核
D．质量较大的原子核内一定有中子
【解析】 由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核，原因是核力是短程力，质子之间还存在“长程力”——库仑力，A、B错误；自然界中存在只有一个质子的原子核，如eq \\al(1,1)H，C正确；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能削弱库仑力，维系原子核的稳定，故D正确.
【答案】 CD
3．关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( )
A．原子核中质子数和中子数一定相等
B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多
C．原子核都是非常稳定的
D．由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在
【解析】 由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知，质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A、B均错误；由核力作用特点可知，核子数越多的原子核越不稳定，故C错误，D正确．
【答案】 D
1核力是强相互作用力，只存在于相邻核子之间.
2核力的存在与核子是否带电及电性无关.
3原子核的稳定性与核力和库仑力的大小关系有关.
eq \([先填空])
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，称作比结合能，也叫平均结合能．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．中等大小的核的比结合能最大，最稳定．
3．质能方程
物体的能量与它们质量的关系是：E＝mc2.
4．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．
eq \([再判断])
1．原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量．(×)
2．比结合能越大，原子核越稳定．(√)
3．质能方程E＝mc2表明了质量与能量间的一种对应关系．(√)
eq \([后思考])
有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？
【提示】 不对．在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只是核子组成原子核时，仿佛变“轻”了一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损，核子的个数并没有变化．
eq \([合作探讨])
一个静止的铀核eq \\al(232, 92)U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核eq \\al(228, 90)Th(原子质量为228.028 7 u)，同时释放出一定量的核能．
探讨1：铀核eq \\al(232, 92)U衰变过程中的质量亏损是多少？
【提示】 Δm＝232.0372 u－4.002 6 u－228.028 7 u＝0.005 9 u.
探讨2：核反应过程发生了质量亏损，同时释放出核能，能说这部分质量转变为能量了吗？
【提示】 不能．物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，并不是这部分质量消失了或转变为能量．
eq \([核心点击])
1．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，就可能释放核能．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．
2．对质能方程和质量亏损的理解
(1)质能方程
质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E＝mc2.
(2)质量亏损
质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了．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，这时质能方程也写为ΔE＝Δmc2.
3．核能的计算方法
(1)根据质量亏损计算
①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm.
②根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．
其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳．
(2)利用原子质量单位u和电子伏特计算
根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV.其中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV.
4．(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．
【答案】 AB
5．(多选)对公式ΔE＝Δmc2的正确理解是( )
【导学号：54472085】
A．如果物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm
B．如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2
C．Δm是某原子核在衰变过程中增加的质量
D．在把核子结合成原子核时，若放出的能量是ΔE，则这些核子与组成的原子核的质量之差就是Δm
【解析】 一定质量对应于一定的能量，物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm，即发生质量亏损，所以选项A、D正确；如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2，所以选项B正确；某原子核在衰变时，一定发生质量亏损，所以选项C错误．
【答案】 ABD
6．取质子的质量mp＝1.672 6×10－27 kg，中子的质量mn＝1.674 9×10－27 kg，α粒子的质量mα＝6.646 7×10－27 kg，光速c＝3.0×108 m/s.请计算α粒子的结合能．(计算结果保留两位有效数字)
【解析】 组成α粒子的核子与α粒子的质量差
Δm＝(2mp＋2mn)－mα
结合能ΔE＝Δmc2
代入数据得ΔE＝4.3×10－12 J.
【答案】 4.3×10－12 J
核能的两种单位
(1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2.
(2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5 MeV.
(3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1 MeV＝1×106×1.6×10－19 J＝1.6×10－13 J
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.了解四种基本相互作用，知道核力的特点．
2．认识原子核的结合能及质量亏损，并能应用质能方程进行计算．(重点)
3．能简单解释轻核和重核内中子数、质子数具有不同比例的原因．(难点)
核 力 与 四 种 基 本 相 互 作 用
结 合 能 和 质 量 亏 损
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