《2019-2020学年人教版高中物理选修3-5学案：第十九章 学案5 核力与结合能 含答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019-2020学年人教版高中物理选修3-5学案：第十九章 学案5 核力与结合能 含答案.docx（14页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、5核力与结合能学习目标 1.了解四种基本相互作用，知道核力的性质.2.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.3.知道原子核的结合能和比结合能的概念.4.知道什么是质量亏损，能应用质能方程进行计算一、核力与四种基本相互作用导学探究(1)有的同学认为：“原子核内质子间的库仑斥力，与质子、中子间的万有引力平衡而使原子达到稳定状态”，这种说法正确吗？答案不正确质子之间的库仑力的大小与万有引力的大小相差1035倍，两者相差悬殊，不可能平衡(2)是什么力克服质子之间的库仑斥力，使核子结合成一个稳固的原子核的？答案核子间(质子与质子、中子与中子、质子与中子)存在着一种比库仑力大得多的核力知
2、识梳理核力及特点(1)核力：原子核里的核子间存在着相互作用的核力，核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核(2)核力特点核力是核子间的强相互作用的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多核力是短程力，作用范围在1.51015_m之内在大于0.81015 m时表现为吸引力，超过1.51015 m时，核力急剧下降几乎消失；而距离小于0.81015 m时，核力表现为斥力每个核子只跟邻近的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性核力与核子是否带电无关，质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间都可以有核力作用(3)四种基本相互作用即学即用下列关于核力的说法正确的是()A核力同万有引力没有区别
3、，都是物体间的作用B核力就是电磁力C核力是短程力，作用范围在1.51015 m之内D核力与电荷有关答案C解析核力是短程力，超过1.51015 m，核力急剧下降几乎消失，故C对；核力与万有引力、电磁力不同，故A、B选项错误；核力与电荷无关，故D错二、原子核中质子与中子的比例导学探究(1)一些较轻的原子核如He、O、C、N中质子数和中子数有什么关系？答案质子数与中子数相等(2)U、Th等重核中各有多少个中子、多少个质子？较重的原子核中中子数和质子数有什么关系？答案U中含有92个质子、146个中子；Th中含有90个质子，144个中子较重的原子核中中子数大于质子数(3)试从核力的特点及核力的饱和性对上
4、述现象做出解释，并说明原子核能无限地增大吗？答案稳定的重原子核里，中子数要比质子数多，由于核力作用范围有限，以及核力的饱和性，如果继续增大原子核，一些核子间距离会大到其间根本没有核力作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的，所以原子核不能无限地增大知识梳理由于核力是短程力及核力的饱和性，自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但较重的原子核，中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多即学即用下列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，所以不可能无节制地增大
5、原子核而仍稳定存在答案D解析由稳定核的质子数与中子数的关系图象可知，质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A、B错误；原子核可以发生衰变，故C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D正确三、结合能导学探究(1)设有一个质子和一个中子在核力作用下靠近碰撞并结合成一个氘核质子和中子结合成氘核的过程中是释放能量还是吸收能量？使氘核分解为质子和中子的过程中呢？答案质子和中子结合成原子核的过程中要释放能量；氘核分解成质子和中子时要吸收能量(2)如图1所示是不同原子核的比结合能随质量数变化的曲线图1从图中看出，中等质量的原子核与重核、轻核相比比结合能有什么特点？比结合能的大小反映了
6、什么？比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时是吸收能量还是释放能量？答案中等质量的原子核比结合能较大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，比结合能越大，原子核越稳定释放能量知识梳理对结合能的理解(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，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为比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(3)核子数较小的轻核和核子数较大的重核，比结合能较小，中等核子数的原子核，比结合能较大当比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时会释放核能即学即用下列对结合能、比结合能的认识，正确
7、的是()A一切原子核均具有结合能B自由核子结合为原子核时，可能吸收能量C结合能越大的原子核越稳定D比结合能越大的原子核越不稳定答案A解析自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量，反之，将原子核分开变为自由核子时需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，故A正确，B错误；核子较多的原子核的结合能大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C、D均错误四、质量亏损导学探究用粒子轰击铍(Be)核发现中子的核反应方程为BeHeCn甲同学说：核反应过程中核子数没变，所以质量是守恒的；乙同学查找资料，各个原子核或核子的质量如下：mBe9.012 19 u，mC12.000 u
8、，m4.002 6 u，mn1008 665 u(其中1 u1.660 5661027 kg)，他通过计算发现反应之后的质量减少了，于是他得出结论：核反应过程中质量消失了这两个同学的说法对吗？如果不对错在哪里？你对质量亏损是如何理解的？答案甲同学的说法错误核反应过程中质量数守恒而不是质量守恒；乙同学的说法错误质量亏损并不是质量的消失对质量亏损的理解(1)在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒，所谓的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的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量(2)质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个
9、数是不变的知识梳理质量亏损和核能的计算(1)对质能方程和质量亏损的理解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Emc2.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，这时质能方程也写作Emc2.(2)核能的计算根据质量亏损计算根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损m.根据爱因斯坦质能方程Emc2计算核能其中m的单位是千克，E的单位是焦耳利用原子质量单位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
10、子质量单位数乘以931.5 MeV，即Em931.5 MeV.其中m的单位是u，E的单位是MeV.即学即用根据爱因斯坦的研究成果，物体的能量和质量的关系是Emc2，这一关系叫爱因斯坦质能方程质子的质量为mp，中子的质量为mn，氦核的质量为m，下列关系式正确的是()Am(2mp2mn) Bm(2mp2mn) D以上关系式都不正确答案B一、对结合能的理解例1下列关于结合能和比结合能的说法中，正确的是()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
11、能和比结合能均比轻核的要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选项正确答案D知识总结结合能、比结合能的对比理解(1)核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分开成核子时一定吸收能量吸收或释放的能量越大，表明原子核的结合能越大(2)比结合能为结合能与核子数的比值，比结合能越大表明原子核越稳定一般情况下，中等质
12、量的原子核比轻核和重核的比结合能大二、质量亏损和核能的计算例2氘核和氚核聚变时的核反应方程为HHHen，已知H的平均结合能是1.09 MeV，H的平均结合能是2.78 MeV，He的平均结合能是7.03 MeV，则该核反应释放的能量为_ MeV.解析聚变反应前氘核和氚核的总结合能E1(1.0922.783) MeV10.52 MeV.反应后生成的氦核的结合能E27.034 MeV28.12 MeV.由于单个核子无结合能，所以聚变过程释放出的能量为EE2E1(28.1210.52) MeV17.6 MeV.答案17.6归纳总结计算核能的两种方法：(1)根据质量亏损计算根据核反应方程，计算核反应前
13、后的质量亏损m.根据爱因斯坦质能方程Emc2计算核能其中m的单位是千克，E的单位是焦耳(2)利用平均结合能来计算核能原子核的结合能核子的平均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)的核能针对训练一个锂核(Li)受到一个质子的轰击，变成两个粒子已知质子的质量是1.673 61027 kg，锂核的质量是11.650 51027 kg，氦核的质量是6.646 61027kg.(1)写出上述核反应的方程；(2)计算上述核反应释放出的能量答案(1)LiH2He(2)2.7811012 J解析(1)LiH2He(2)核反应的质量
14、亏损mmLimp2m(11.650 510271.673 6102726.646 61027) kg3.091029 kg释放的能量Emc23.091029(3108)2 J2.7811012 J1(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铯原子核(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能D比结合能越大，原子核越不稳定E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答案ABC解析结合能是把核子分开所需的最小能量，选项A正确；一重原子
15、核衰变成粒子和另一原子核，存在质量亏损，核子比结合能增大，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B正确；核子数越多，结合能越大，选项C正确；比结合能也叫平均结合能，比结合能越大，分开核子所需的能量越大，原子核越稳定，选项D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，选项E错误2质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3.当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)()A(m1m2m3)cB(m1m2m3)cC(m1m2m3)c2 D(m1m2m3)c2答案C解析由质能方程Emc2，其中mm1m2m3可得E(m1m2m3)c2，选
16、项C正确3已知氮核质量MN14.007 53 u，氧17核的质量MO17.004 54 u，氦核质量MHe4.003 87 u，氢核质量MH1.008 15 u，试判断：NHeOH这一核反应是吸收能量还是放出能量？能量变化是多少？(已知1 u相当于931.5 MeV的能量)答案吸收能量1.2 MeV解析反应前总质量：MNMHe18.011 40 u，反应后总质量：MOMH18.012 69 u.可以看出：反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应故E(18.012 6918.011 40)931.5 MeV1.2 MeV.一、选择题(17为单选题，8为多选题)1下列对核力的认识正确的是()A任
17、何物体之间均存在核力B核力广泛存在于自然界中的核子之间C核力只存在于质子之间D核力只发生在相距1.51015 m内的核子之间，大于0.81015 m为吸引力，而小于0.81015 m为斥力答案D解析由核力的特点知道，只有相距1.51015 m内的核子之间才存在核力，核力发生在质子与质子、质子与中子及中子与中子之间，由此知D正确，A、B、C错误2. C的核由6个质子与6个中子组成，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、万有引力答案D解析核力是强相互作用力，是它将核子束缚在原
18、子核内；库仑力如果大于核力，原子核内质子就不能存在于这么小的范围内；万有引力最弱，研究核子间相互作用时万有引力可以忽略所以A、B、C错，选D.3原子质量单位为u,1u相当于931.5 MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1和m2的原子核结合为质量为M的原子核时释放出的能量是()A(Mm1m2) uc2B(m1m2M) u931.5 JC(m1m2M)cD(m1m2M)931.5 MeV答案D解析由质能方程Emc2知C选项错误；而mm1m2M，即反应前总质量减反应后的总质量，故A错误，B选项单位错误，选项D正确4某核反应方程为HHHeX.已知H的质量为2.013 6 u，H的质量为3.0
19、18 0 u，He的质量为4.002 6 u，X的质量为1.008 7 u则下列说法中正确的是()AX是质子，该反应释放能量BX是中子，该反应释放能量CX是质子，该反应吸收能量DX是中子，该反应吸收能量答案B解析根据核反应过程质量数、电荷数守恒，可得HHHeX，X为中子，在该反应发生前反应物的总质量m12.013 6 u3.018 0 u5.031 6 u，反应后产物总质量m24.002 6 u1.008 7 u5.011 3 u总质量减少，出现了质量亏损，故该反应释放能量5如图1所示是描述原子核核子的平均质量与原子序数Z的关系曲线，由图可知下列说法正确的是()图1A将原子核A分解为原子核B、
20、C可能吸收能量B将原子核D、E结合成原子核F可能吸收能量C将原子核A分解为原子核B、F一定释放能量D将原子核F、C结合成原子核B一定释放能量答案C解析因B、C核子平均质量小于A的核子平均质量，故A分解为B、C时，会出现质量亏损，故放出核能，故A错同理可得B、D错，C正确6雷蒙德戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(e)而获得了2002年度诺贝尔物理学奖，他探测电子中微子所用的探测器的主体是一个贮满615 t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶，电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为eClAr01e，已知Cl核的质量为36.956 58 u，Ar核的质量为36.956 91 u，01e
21、的质量为0.000 55 u,1 u质量对应的能量为931.5 MeV.根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为()A1.33 MeV B0.82 MeVC0.51 MeV D0.31 MeV答案B解析根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，则Em931.5 MeV(36.956 910.000 5536.956 58)931.5 MeV0.82 MeV.7中子n、质子p、氘核D的质量分别为mn、mp、mD.现用光子能量为E的射线照射静止氘核使之分解，核反应方程为Dpn，若分解后中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是()A.(mDmpmn)c2EB.(mD
22、mnmp)c2EC.(mDmpmn)c2ED.(mDmnmp)c2E答案C解析因为轻核聚变时放出能量，质量亏损，所以氘核分解为核子时，要吸收能量，质量增加，本题核反应过程中射线能量E对应质量的增加和中子与质子动能的产生，即Emc22Ek(mpmnmD)c22Ek得EkE(mpmnmD)c2(mDmpmn)c2E，故选C.8为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”对于爱因斯坦提出的质能方程Emc2，下列说法中正确的是()AEmc2定量地指出了物体具有的能量与其质量之间的关系B根据Emc2可以计算核反应中释放的核能C一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过
23、程中出现了质量亏损DEmc2中的E是发生核反应中释放的核能答案ABC解析Emc2中的E表示物体具有的总能量，m表示物体的质量，故A说法正确；对于Emc2表示的意义是当物体的能量增加或减少E时，它的质量也会相应地增加或减少m，故B说法正确；只有当出现质量亏损时，才能释放核能，故C说法正确；公式Emc2中，E为质量为m的物体所对应的能量，而非核反应中释放的能量，D错误二、非选择题9已知质子的质量是1.008 665 u、中子的质量也是1.008 665 u，氢原子的质量是1.007 825 u，碳原子的质量是12.000 000 u,12个核子结合成碳原子核时，质量亏损是_，碳原子核的比结合能是_
24、(1 u相当于931.5 MeV的能量)答案0.098 940 u7.68 MeV10.H的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子的质量是1.008 665 u1 u相当于931.5 MeV的能量，求：(计算结果保留三位有效数字)(1)一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？(2)氚核的结合能和比结合能各是多少？(3)如果此能量是以光子形式放出的，则光子的频率是多少？答案(1)放出能量7.97 MeV(2)7.97 MeV2.66 MeV(3)1.921021 Hz解析(1)一个质子和两个中子结合成氚核的核反应方程是H2nH，反应前各核
25、子总质量为mp2mn1.007 277 u21.008 665 u3.024 607 u，反应后新核的质量为mH3.016 050 u，质量亏损为m3.024 607 u3.016 050 u0.008 557 u因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应释放能量释放的核能为E0.008 557931.5 MeV7.97 MeV.(2)氚核的结合能即为E7.97 MeV.它的比结合能为2.66 MeV.(3)放出光子的频率为 Hz1.921021 Hz.11一个静止的镭核Ra发生衰变放出一个粒子变为氡核Rn.已知镭核226质量为226.025 4 u，氡核222质量为222.016 3 u
26、，放出粒子的质量为4.002 6 u,1 u相当于931.5 MeV的能量(1)写出核反应方程；(2)求镭核衰变放出的能量；(3)若衰变放出的能量均转变为氡核和放出粒子的动能，求放出粒子的动能答案(1) RaRnHe(2)6.05 MeV(3)5.94 MeV解析(1)核反应方程为RaRnHe.(2)镭核衰变放出的能量为Emc2(226.025 44.002 6222.016 3)931.5 MeV6.05 MeV.(3)镭核衰变前静止，镭核衰变时动量守恒，则由动量守恒定律可得mRnvRnmv0 又因为衰变放出的能量转变为氡核和粒子的动能，则EmRnvmv由可得EE6.05 MeV5.94 MeV.