人教版高中物理选修3-5教案(全册).pdf

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1、物理选修 3-5 教案 第十六章动量和动量守恒定律 161 动量守恒定律（一） 1动量及其变化 （1）动量的定义：物体的质量与速度的乘积，称为( 物体的 )动量。记为p=mv . 单位： kgm/s 读作“千克米每秒”。 矢量性：动量的方向与速度方向一致。 动量的大小等于质量和速度的乘积，动量的方向与速度方向一致。 （2）动量的变化量： 定义：若运动物体在某一过程的始、末动量分别为p 和 p，则称： p= p p 为物 体在该过程中的动量变化。 强调指出：动量变化 p 是矢量。方向与速度变化量v 相同。 一维情况下： p=m= m2- m1矢量差 2系统内力和外力 （1）系统：相互作用的物体组

2、成系统。 （2）内力：系统内物体相互间的作用力 （3）外力：外物对系统内物体的作用力 3动量守恒定律 （1）内容：一个系统不受外力或者所受外力的和为零，这个系统的总动量保持不变。 这个结论叫做动量守恒定律。公式： m11+ m22= m11+ m22 （2）注意点： 研究对象：几个相互作用的物体组成的系统（如：碰撞）。 矢量性：以上表达式是矢量表达式，列式前应先规定正方向； 同一性（即所用速度都是相对同一参考系、同一时刻而言的） 条件：系统不受外力，或受合外力为0。要正确区分内力和外力；当F内F外时， 系统动量可视为守恒； 162 动量守恒定律（二） 1分析动量守恒定律成立条件有： 答： F合

3、=0（严格条件） F内远大于 F外（近似条件） 某方向上合力为0，在这个方向上成立。 22112211 vmvmvmvm这就是动量守恒定律的表达式。 2应用动量守恒定律解决问题的基本思路和一般方法 （1）分析题意，明确研究对象。在分析相互作用的物体总动量是否守恒时，通常把这些 被研究的物体总称为系统. 对于比较复杂的物理过程，要采用程序法对全过程进行分段分析， 要明确在哪些阶段中， 哪些物体发生相互作用， 从而确定所研究的系统是由哪些物体组成的。 （2）要对各阶段所选系统内的物体进行受力分析，弄清哪些是系统内部物体之间相互作 用的内力，哪些是系统外物体对系统内物体作用的外力。在受力分析的基础上

4、根据动量守恒 定律条件，判断能否应用动量守恒。 （3）明确所研究的相互作用过程，确定过程的始、末状态，即系统内各个物体的初动量 和末动量的量值或表达式。 注意：在研究地面上物体间相互作用的过程时，各物体运动的速度均应取地球为参考系。 例 1、 （2001 年高考试题） 质量为 M的小船以速度 v0行驶，船上有两个质量皆为m的小孩 a 和 b，分别静止站在船头和船尾. 现在小孩 a 沿水平方向以速率 v（相对于静止水面）向前 跃入水中，然后小孩b 沿水平方向以同一速率v（相对于静止水面）向后跃入水中. 求小孩 b 跃出后小船的速度 . 解析：因均是以对地（即题中相对于静止水面）的水平速度，所以先

5、后跃入水中与同时跃入 水中结果相同。 设小孩 b 跃出后小船向前行驶的速度为v，取 v0 （M +2m ）v0=Mv +mv - mv v=（1+ M m2 ） 例 2、如图所示，甲车的质量是2 kg ，静止在光滑水平面上，上表面光滑，右端放一个质 量为 1 kg 的小物体 . 乙车质量为 4 kg ，以 5 m/s 的速度向左运动，与甲车碰撞以后甲车获 得 8 m/s 的速度，物体滑到乙车上. 若乙车足够长，上表面与物体的动摩擦因数为0.2 ，则 物体在乙车上表面滑行多长时间相对乙车静止?（g 取 10 m/s 2） 解析：乙与甲碰撞动量守恒： m 乙v乙=m乙v乙+m甲v甲 小物体 m在乙

6、上滑动至有共同速度vm乙v乙= （m +m乙）v 对小物体应用牛顿第二定律得a=g所以 t =v/ gt =0.4 s 163 用动量概念表示牛顿第二定律 1用动量概念表示牛顿第二定律 假设一个物体在恒定的合外力作用下，做匀变速直线运动， 在t 时刻初速度为 v，在 t 时刻的末速度为v，试推导合外力的表达 式。 如图所示，由牛顿第二定律得，物体的加速度 vt vv a 合力 F=ma tt pp tt mvvm vt vv m vv F 由于ppp，ttt所以， t p F（1） 结论：上式表示，物体所受合外力等于物体动量的变化率。这就是牛顿第二定律的另一 种表达式。 2动量定理 将（1）式

7、写成mvvm)(ttF（2） 总结：表达式左边是物体从t 时刻到 t 时刻动量的变化量，右边是物体所受合外力与 这段时间的乘积。（2）式表明，物体动量的变化量，不仅与力的大小和方向有关，还与时间 的长短有关，力越大、作用时间越长，物体动量的变化量就越大。)(ttF这个量反映了力对 时间的积累效应。 物理学中把力 F与作用时间的乘积，称为力的冲量，记为I ，即 )(ttFI，单位： Ns，读作“牛顿秒”。 将（2）式写成Ipp（3） （3）式表明， 物体动量的变化量等于物体所受合外力的冲量，这个结论叫做动量定理。 讨论：如果物体所受的力不是恒力，对动量定理的表达式应该怎样理解呢 总结：尽管动量定

8、理是根据牛顿第二定律和运动学的有关公式在恒定合外力的情况下推 导出来的。可以证明：动量定理不但适用于恒力，也适用于随时间变化的变力。对于变力情 况，动量定理中的F应理解为变力在作用时间内的平均值。 比如用铁锤钉钉子，球拍击乒乓球等，钉子和乒乓球所受的作用力都不是恒力，这时变 力的作用效果可以等效为某一个恒力的作用，则该恒力就叫变力的平均值， 3 动量定理的方向性 例如：匀加速运动合外力冲量的方向与初动量方向相同，匀减速运动合外力冲量方向与 初动量方向相反，甚至可以跟初动量方向成任何角度。在中学阶段，我们仅限于初、末动量 的方向、合外力的方向在同一直线上的情况（即一维情况），此时公式中各矢量的方

9、向可以用 正、负号表示，首先要选定一个正方向，与正方向相同的矢量取正值，与正方向相反的矢量 取负值。 动量和动量守恒复习课 典型举例 问题一：动量定理的应用 例 1：质量为 m的钢珠从高出沙坑表面H米处由静止自由下落， H 不考虑空气阻力，掉入沙坑后停止，如图所示，已知钢珠在沙坑中受到沙的平均阻力是f ， 则钢珠在沙内运动时间为多少？ 分析：此题给学生后，先要引导学生分清两个运动过程：一是在空气中的自由落体运动， 二是在沙坑中的减速运动。学生可能会想到应用牛顿运动定律和运动学公式进行分段求解， 此时不急于否定学生的想法，应该给予肯定。在此基础上，可以引导学生应用全过程动量定 理来答题 设钢珠在

10、空中下落时间为t1，在沙坑中运动时间为t2，则： 在空中下落，有H= 2 1 2 1 gt，得 t1= g H2 , 对全过程有： mg(t1t2) f t 2=00 得： mgf gHm t 2 2 例 2：一根弹簧上端固定，下端系着质量为m的物体 A，物体 A静止时的位置为P处，再 用细绳将质量也为m的物体 B挂在物体 A的下面，平衡后将细绳剪断，如果物体A回到 P点 处时的速率为 V，此时物体 B的下落速度大小为u，不计弹簧的质量和空气 阻力，则这段时间里弹簧的弹力对物体A的冲量大小为多少？ 解析：引导学生分析，绳子剪断后，B加速下降， A加速上升，当 A回 到 P点时，A的速度达到最大

11、值。 尤其要强调的是本题中所求的是弹簧的弹 力对物体 A的冲量，所以要分析清楚A上升过程中 A的受力情况。 解：取向上方向为正， 对 B：mgt=mu 1 对 A：I弹mgt=mv 2 两式联立得 I弹=m （vu） 问题二：动量守恒定律的应用 例 3：质量为 M 的气球上有一质量为 m 的猴子，气球和猴子静止在离地高为 h 的空中。从气球上放下一架不计质量的软梯，为使猴子沿软梯安全滑至地面，则软梯 至少应为多长？ 解析：设下降过程中，气球上升高度为H，由题意知猴子下落高度为h， 取猴子和气球为系统，系统所受合外力为零，所以在竖直方向动量守恒，由动量 守恒定律得：M H=m h， 解得 M m

12、h H所以软梯长度至少为 M hmM HhL )( 例 4：一质量为 M的木块放在光滑的水平桌面上处于静止状态，一颗质量为 m的子弹以速 度 v0沿水平方向击中木块，并留在其中与木块共同运动，则子弹对木块的冲量大小是： A、mv0； B 、 mM mMv0 ； C、mv0 mM mv0 ；D、mv0 mM vm 0 2 m m m A A B P 解析：题中要求子弹对木块的冲量大小，可以利用动量定理求解，即只需求出木块获得的动 量大小即可。 对子弹和木块所组成的系统，满足动量守恒条件，根据动量守恒定律得： mv0=（M+m ） v 解得 ： mM mv v 0 ， 由 动 量 定 理知 子弹

13、对木 块的 冲量 大小 为 mM Mm v MvI 0 应用动量守恒定律解题的一般步骤： 1明确研究系统，判断是否守恒； 2选取正方向，明确作用前总动量和作用后总动量； 3由动量守恒定律p前=p后列方程求解 171 科学的转折：光的粒子 1光电效应 用弧光灯照射擦得很亮的锌板， ( 注意用导线与不带电的验电器相连） ， 使验电 器张角增大到约为 30 度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌 板，则验电器的指针张角会变大。 表明锌板在射线照射下失去电子而带正电。 概念：在光 ( 包括不可见光 ) 的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。发射出来的电 子叫做光电子。 2光电效应的实验规律 （1

14、）光电效应实验 如图所示，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出-光电子。 光电子在电场作用下形成光电流。 概念：遏止电压 将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍 作用。 当 K、 A 间加反向电压，光电子克服电场力作功， 当电压达到某一值U c 时，光电流恰为0。 Uc称遏止电压。 根据动能定理，有 （2）光电效应实验规律 光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比。 截止频率 c -极限频率 对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率c 。 2 2 1 cev m c eU 当入射光频率 c时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率 c时，无论光强 多大也无电子逸

15、出金属表面。 光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间10-9s。 3光电效应解释中的疑难 光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率 有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强 再大也没有光电流。光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时 间，即需能量的积累过程。 为了解释光电效应， 爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。 4爱因斯坦的光量子假设 （1）内容光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现， 而且在空间传播时也是 如此。也就是说，频率为 的光是由大量能量为h

16、V的光子组成的粒子流，这些光子沿 光的传播方向以光速c 运动。 （2）爱因斯坦光电效应方程在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗 在电子逸出功 W0，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek。由能量守恒可得出： 0 h K EW W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功Ek为光电子的最大初动能。 （3）爱因斯坦对光电效应的解释： 光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。 电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。 从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系 从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率： h W c 0 爱因斯坦光子假说圆

17、满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完 全违背了光的波动理论。 18 1 氢原子光谱 1光谱 牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱。 讲述：光谱是电磁辐射（不论是在可见光区域还是在不可见光区域）的波长成分和强度 分布的记录。有时只是波长成分的记录。 （1）发射光谱 物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。 发射光谱可分为两类：连续光谱和明线光谱。 连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。 只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫 谱线，各条谱线对应不同波长的光。 炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光

18、谱。例如白炽灯丝发出的光、烛焰、 炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。如图所示。 稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以 也叫原子的光谱。 实践证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种原子只能发出具有本 身特征的某些波长的光，因此明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。如图所示。 （2）吸收光谱 高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光 被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原 子的原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种 原子在高温时发出的光。因

19、此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸 收光谱。如图所示。 （3）光谱分析 由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。 这种方法叫做光谱分析。 原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。 182 玻尔的原子模型 1玻尔的原子理论 （1） 定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的， 电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。 （2）跃迁假设：电子从能量较高的定态轨道（设能量为Em）跃迁到能量较低的定态轨道 （设能量为 En，m n）时，会放出能量为 hv 的光子

20、，光子的能量由这两种定态的能量差决定， 即 nm EEh （h 为普朗克恒量）。这个式子称为频率条件，又称辐射条件。反之，当电子 吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定。 （3）轨道量子化假设： 围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，这种现象叫轨道量子化；不同 的轨道对应着不同的状态，在这些状态中，尽管电子做变速运动，却不辐射能量，因此这些 状态是稳定的；原子在不同的状态中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的。 2、氢原子的能级图：氢原子的各个定态的能量值，叫氢原子的能级。按能量的大小用图开 像的表示出来即能级图。 能级公式： 1 2

21、n E E n (n=1,2,3,) 其中 n=1的定态称为基态。 n=2 以上的定态，称为激发态。 氢原子的能级图如图所示。 3玻尔理论对氢光谱的解释 （1）基态和激发态 基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定 态，叫基态。 激发态：原子处于较高能级时，电子在离核较远的轨道上运动，这种定态，叫激发态。 （2）原子发光：原子从基态向激发态跃迁的过程是吸收能量的过程。原子从较高的激 发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出 去，吸收或辐射的能量恰等于发生跃迁的两能级之差。 说明：氢原子中只有一个核外电子，这个电子在某个

22、时刻只能在某个可能轨道上，或者 说在某个时间内，由某轨道跃迁到另一轨道可能情况只有一种。可是，通常容器盛有的 氢气，总是千千万万个原子在一起，这些原子核外电子跃迁时，就会有各种情况出现了。但 是这些跃迁不外乎是能级图中表示出来的那些情况。 4玻尔理论的局限性 玻尔理论虽然把量子理论引入原子领域，提出定态和跃迁概念， 成功解 释了氢原子光谱，但对多电子原子光谱无法解释，因为玻尔理论仍然以经典理论为基础。如 粒子的观念和轨道。量子化条件的引进没有适当的理论解释。 5电子在某处单位体积内出现的概率电子云 191 原子核的组成 1天然放射现象 （1）物质发射射线的性质称为放射性。元素这种自发的放出射线

23、的现象叫做天然放射 现象具有放射性的元素称为放射性元素 （2）放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于83 的所有元素，都能 自发的放出射线，原子序数小于83 的元素，有的也具有放射性 2射线到底是什么 把放射源放入由铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为 细细的一束。在射线经过的空间施加磁场，发现射线如图所示：（投影） 射线分成三束，射线在磁场中发生偏转，是受到力的作用。这个力 是洛伦兹力，说明其中的两束射线是带电粒子。 根据左手定则，可以判断射线是正电荷，射线是负电荷。 带电粒子在电场中要受电场力作用，可以加一偏转电场，也能判断 三种射线的带电性质，如图，进行总结。 实

24、验发现：元素具有放射性是由原子核本身的因素决定的，跟原子所处的物理或化学 状态无关。不管该元素是以单质的形式存在，还是和其他元素形成化合物，或者对它施加压 力，或者升高它的温度，它都具有放射性。 三种射线都是高速运动的粒子，能量很高，都来自于原子核内部，这也使我们认识到 原子核蕴藏有巨大的核能，原子核内也有其复杂的结构。 3原子核的组成 卢瑟福用粒子轰击氮核，发现质子。 查德威克发现中子。发现原因：如果原子核中只有质子，那么原子核的质量与电荷量 之比应等于质子的质量与电荷量之比，但实际却是，绝大多数情况是前者的比值大些，卢瑟 福猜想核内还有另一种粒子。 质子带正电荷，电荷量与一个电子所带电荷量

25、相等， 27 1.6726231 10 p mkg 中子不带电， 27 1.6749286 10 n mkg 数据显示：质子和中子的质量十分接近，统称为核子，组成原子核。 原子核所带的电荷量总是质子电荷的整数倍，那这个倍数就叫做原子核的电荷数。 原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，那这个倍数叫做原子核的质量数。 原子核的电荷数 =质子数 =核外电子数 =原子序数 原子核的质量数 =核子数 =质子数 +中子数 符号 A Z X 表示原子核， X：元素符号； A：核的质量数； Z：核电荷数 例如，氦核可以表示为 4 2He，它有 2 个质子和 2 个中子，所以电荷数是 2 质量数是 4。 又

26、如， 238 92U 代表一种铀核，质量数是 238，电荷数为 92，核内有 92 个质子、 146 个中子。 4同位素 （1）定义：具有相同质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因 而互称同位素。 （2）性质：原子核的质子数决定了核外电子数目，也决定了电子在核外的分布情况，进 而决定了这种元素的化学性质，因而同种元素的同位素具有相同的化学性质。 氢有三种同位素： 氕（pi ） 氘（da o）氚（chu n）氕（通常所说的氢），氘（也叫重氢）， 氚（也叫超重氢），符号分别是： 123 111 ,HHH 。碳有两种同位素，符号分别是 1214 66 ,CC 。 例：下列说法正确的

27、是（ BD ） A射线粒子和电子是两种不同的粒子 B红外线的波长比 X射线的波长长 C粒子不同于氦原子核 D射线的贯穿本领比粒子强答案：BD 点评：本题考查了粒子的性质及电磁波波长的比较等基本知识。19 世纪末 20 世纪初，人们发现 X， ，射线， 经研究知道，X，射线均为电磁波，只是波长不同。可见光，红外线也是电磁波，波长从 短到长的电磁波波谱要牢记。另外，射线是电子流，粒子是氦核。从，三者的穿透本领而 言：射线最强，射线最弱，这些知识要牢记。 192 放射性元素的衰变 1原子核的衰变 原子核放出 或粒子，由于核电荷数变了，它在周期表中的位置就变了，变成另一种 原子核。我们把这种变化称为原

28、子核的衰变。 铀 238核放出一个 粒子后，核的质量数减少 4，核电荷数减少 2，变成新核 -钍 234 核。那这种放出 粒子的衰变叫做 衰变。 这个过程可以用衰变方程式来表示： 238 92U 234 90Th+ 4 2He 衰变方程式遵守的规律： （1）质量数守恒 （2）核电荷数守恒 （进一步解释：守恒就是反应前后相等） 衰变规律： A ZX A-4 Z-2Y+ 4 2He 钍 234核也具有放射性，它能放出一个粒子而变成 234 91Pa（镤） ，那它进行的是 衰变。 钍 234核的衰变方程式： 234 90Th 234 91Pa+ 0 -1e 衰变前后核电荷数、质量数都守恒，新核的质量

29、数不会改变但核电荷数应加1 衰变规律： A ZX A Z+1Y+ 0 -1e 这里就顺理成章的来解释中子转化的过程。 原子核内虽然没有电子，但核内的的质子和中子是可以相互转化的。当核内的中子转化 为质子时同时要产生一个电子 1 0n 1 1H 0 -1e 这个电子从核内释放出来，就形成了衰变。 可以看出新核少了一个中子，却增加了一个质子，并放出一个电子。 射线是由于原子核在发生衰变和 衰变时原子核受激发而产生的光（能量）辐射， 通常是伴随 射线和射线而产生。 射线的本质是能量。 2半衰期教材上的氡的衰变图的投影： m / m0(1/2) n （1）氡每隔 3.8 天质量就减少一半。（2）用半衰

30、期来表示。（3）大量的氡核。 总结：半衰期表示放射性元素的衰变的快慢 放射性元素的原子核，有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期 半衰期描述的对象是大量的原子核，不是个别原子核，这是一个统计规律。 例 1：配平下列衰变方程 234 92U 230 90Th+( 4 2He ) 234 90U 234 91Pa+( 0 -1e ) 例 2：天然放射性元素23290Th（钍）经过一系列 衰变和 衰变之后，变成20882Pb （铅） 下列论断中止确的是 (BD) A铅核比钍核少 24 个中子 B铅核比钍核少 8 个质子 C衰变过程中共有4次衰变和 8 次哀变 D衰变过程中共有6 次衰变和 4

31、 次衰变 解： （1）解：A、B、根据质量数和电荷数守恒可知，铅核比钍核少8 个质子，少 16 个中 子，故 A错误， B正确； C、D、发生衰变是放出 4 2He，发生衰变是放出 0 -1e 电子，设发生了 x 次衰变和 y 次 衰变，则根据质量数和电荷数守恒有2x-y+82=90 4x+208=232 解得 x=6， y=4 故衰变过程中共有6 次衰变和 4 次衰变，故 C错误， D正确故选 BD 193 放射性的应用与防护 1核反应：原子核在其它粒子的轰击下产生新原子核的过程叫核反应。在核反应中质 量数守恒、电荷数守恒。 人工转变核反应方程：HOHeN 1 1 17 8 4 2 14 7

32、 nCHeBe 1 0 12 6 4 2 9 4 例：写出下列原子核人工转变的核反应方程。解析：根据质量数守恒和电荷数守恒 得： （1）11 23Na俘获 1 个粒子后放出 1 个质子 （1） 23 11Na+ 4 2He 26 12Mg+ 1 1H （2）13 27Al 俘获 1 个粒子后放出 1 个中子 （2） 274301 132150 AIHePn （3）8 16O俘获 1 个中子后放出 1 个质子 （3） 161116 8017 OnHN （4）14 30Si 俘获 1 个质子后放出 1 个中子 （4） 301301 141150 siHPn 2人工放射性同位素 （1）放射性同位素：

33、有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。放射性同位素有天然 和人造两种，它们的化学性质相同。 （2）人工放射性同位素 AlHeP （3）人工放射性同位素的优点：放射强度容易控制；形状容易控制；半衰期短，废料容 易处理。 （4）凡是用到射线时，都用人造放射性同位素 3放射性同位素的应用： （1）利用射线： 1、射线测厚度 2、放射治疗 3、培育新品种，延长保质期 （2）作为示踪原子1、棉花对磷肥的吸收2、甲状腺疾病的诊断 194 核力与结合能 1核力与四种基本相互作用 （1）核力是强相互作用 ( 强力) 的一种表现。 （2）核力是短程力，作用范围在1.510 -15 m 之内。 （3）核力存在于

34、核子之间，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核 力的饱和性。 （4） 除核力外，核物理学家还在原子核内发现了自然界的第四种相互作用弱相互作用 ( 弱力) ，弱相互作用是引起原子核衰变的原因，即引起中子转变质子的原因。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。 四种基本相互作用力 弱力、强力、电磁力、引力和分别在不同的尺度上发挥作用： 弱力（弱相互作用） ：弱相互作用是引起原子核衰变的原因短程力 强力（强相互作用） ：在原子核内，强力将核子束缚在一起短程力 电磁力：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，使原了结合成 分子，

35、使分子结合成液体和固体。长程力 引力：引力主要在宏观和宇观尺度上“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。长程力 2原子核中质子与中子的比例 随着原子序数的增加，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，越重的元素，两者相差越多。 总结：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； 若只增加中子，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

36、原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多。 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 离会大到其间恨本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。因此 只有 200多种稳定的原子核长久地留了下来。 3结合能 由于核子间存在着强大的核力，原子核是一个坚固的集合体。要把原子核拆散成核子，需要 克服核力做巨大的功， , 或者需要巨大的能量。例如用强大的 光子照射氘核，可以使它分 解为一个质子和一个中子。 从实验知道只有当光子能量等于或大于2.22MeV时，这个反应才会发生 . 相反的过程一个质子和一个中子结合成氘核，要放出2.22MeV的

37、能量。 把原子核分开成核子要吸收能量，核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫做原子核 的结合能 . 原子核越大，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，称做比结合 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 4质量亏损 （1）质量亏损 讲述： 科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等，例如精确计算表明：氘核 的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫做质量亏损，质量亏损只有 在核反应中才能明显的表现出来. 在核反应中不遵守质量守恒定律、能量守恒定律; （2）爱因斯坦质能方程： 2 Emc 讲述：相对论指出，物体的能量（E

38、）和质量（ m ）之间存在着密切的关系，即 2 Emc式 中， c 为真空中的光速。 爱因斯坦质能方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c 2 这个数值十分巨 大，因而物体的能量是十分可观的。 （3）核反应中由于质量亏损而释放的能量： 2 Emc 指出以下几点： 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，减少的静止 质量转化为和辐射能量有关的运动质量。 质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质量的减少。 在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律; 质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。 （巩固练习 ）已知 1 个质子的质量 mp=1.

39、007 277u ，1 个中子的质量 m n=1.008 665u. 氦核 的质量为 4.001 509 u. 这里 u 表示原子质量单位， 1 u=1.660 566 10 -27 kg. 由上述数值， 计算 2 个质子和 2 个中子结合成氦核时释放的能量。 （28.3MeV ） 解析： 2 个中子和 2 个质子结合成氦核时质量亏损：m=2mn+2mP-mHe 根 据 爱 因斯 坦 质 能 方 程 ， 放 出 的 能 量 E= mc 2=（ 2mn+2mP-mHe ） c 2=0.030375 931.5=28.3MeV 196 核裂变 1、重核分裂成质量较小的核， 释放出核能的反应， 称为

40、核裂变。 只有核子平均质量减小的核反应才能放出核能。 知识总结： 不是所有的核反应都能放出核能，有的核反应， 反应 后生成物的质量比反应前的质量大，这样的核反应不放出能量， 反而在反应过程中要吸收大量的能量。 只有重核裂变和轻核聚变 能放出大量的能量。 2、铀核的裂变 （1）铀核的裂变的一种典型反应。铀核的裂变的产物是多样的，最典型的一种核反应方程式 是 2351144891 92056360 3UnBaKrn （2）链式反应： 由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的的过 程，叫做核裂变的链式反应。 （3）临界体积（临界质量） ： 通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临

41、界体 积，相应的质量叫做临界质量。 （4）裂变反应中的能量的计算。 裂变前的质量： 27 103139.390 U mkg， 27 106749.1 n m kg 裂变 后 的质 量： 27 100016.234 Ba mkg ， 27 106047.152 Kr mkg ， 27 100247.53 n mkg， 计算：质量亏损： 27 103578.0mkg， 28272 )100.3(103578.0mcEJ=201MeV 3、核电站 （1） 、铀棒由浓缩铀制成，作为核燃料。 (2) 、控制棒由镉做成，用来控制反应速度。 (3) 、减速剂由石墨、重水或普通水（有时叫轻水）做成，用 来跟快

42、中子碰撞，使快中子能量减少，变成慢中子，以便让U235 俘获。 （4） 、冷却剂由水或液态的金属钠等流体做成，在反应堆内外 循环流动，把反应堆内的热量传输出，确保反应堆的安全。 （5） 、水泥防护层用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，防止核辐射。 核能发电的优点、缺点 优点：污染小；可采储量大；比较经济。 缺点：一旦核泄漏会造成严重的核污染；核废料处理困难。 例题 1、下列核反应中，表示核裂变的是(C） A、 2382344 92902 UThHe B、 14140 671 CNe C、 2351141921 92056360 3UnBaKrn D、 94121 4260 BeHeCn 分析：核反

43、应中有四种不同类型的核反应，它们分别是衰变、人工转变、重核裂变、轻 核聚变。其中衰变中有衰变、衰变等。 2382344 92902 UThHe是衰变， 14140 671 CNe是衰变， 94121 4260 BeHeCn是人工转变 解：只有 C选项是核裂变。 2351141921 92056360 3UnBaKrn 例题 2、秦山核电站第一期工程装机容量为30 万 kW ，如果 1g 铀 235完全裂变时产生的 能量为 8.210 10 J ，并且假定产生的能量都变成了电能，那么，每年要消耗多少铀 235?（一 年按 365天计算） 解：核电站每天的发电量为W =Pt=310 8243600

44、 J=2.592 1013 J. 每年的发电量 W总=365W =9.4610 15 J 而 1 g 铀完全裂变时产生的能量为 8.210 10 J. 所以，每年消耗的铀的量为 197 核聚变 1聚变及其条件 两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变。 （1）氢的聚变反应： 2 1H+ 2 1H 3 1He+ 1 1H+4 MeV 、 2 1H+ 3 1H 4 2He+ 1 0 n+17.6 MeV （2）释放能量： Emc 217.6 MeV，平均每个核子释放能量 3 MeV以上，约为裂变 反应释放能量的 34 倍 得出结论 微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即1

45、0 -15 m，要使原子核 接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。 宏观上：要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温。 强调：聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应 持续进行下去，在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。 2可控热核反应 （1）聚变与裂变相比有很多优点 目前，人们还不能控制核聚变的速度，但科学家们正在努力研究和尝试可控热核反应， 15 2 10 9.4610 1.1510 8.2 10 mkgkg 以使核聚变造福于人类。 例：一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是 2 1H+ 3

46、1H 4 2He+ 1 0n，其中氘核的质量： mD=2.014 102 u、氚核的质量： mT=3.016 050 u、氦核的质量： m=4.002 603 u、中子的质量： mn=1.008 665 u 、1u=1.660 6 10 -27 kg，e = 1.602 210 -19C，请同学们求出该核反应所释放 出来的能量。 根据质能方程，释放出的能量为： MeVeVcmmmmmcE nTD 6.17 106022.1 )103(106606. 10186. 0 )( 19 2827 22 聚变与裂变相比，（1） 、轻核聚变产能效率高。（2）地球上聚变燃料的储量丰富。 （3）轻核聚 变反应更为安全、清洁。