§19.5核力与结合能教学案

应城一中校本课程--------高二物理◆选修3-5◆教学案 编写：胡启振 校审：陈汉生 谢文奇

§19.5 核力与结合能

教学目标

知识与技能

1．知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用；

2．知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小； 3．理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损； 4．知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。 过程与方法

1.通过核力的发现过程，了解“猜想”在科学探究过程中的重要作用； 2.通过对稳定核的质子数与中子数的学习，培养分析问题的能力。 情感、态度与价值观

1．使学生树立起实践是检验真理的标准、科学理论对实践有着指导和预见作用的能力； 2．认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。

教学重点

结合能和比结合能的物理意义

教学过程：

一、核力与四种基本相互作用

①20世纪初，人们知道自然界存在万有引力和电磁力这两种基本相互作用，你能算出相同的距离上，两质子间的电磁力是万有引力的多少倍？ 答：质子间的电磁力是万有引力的1035倍

②是什么作用使质子在原子核内共存？这种作用力有哪些特点？人们对这种相互作用的认识还有哪些有待完善？ 答：是核力；

特点：1）核力是强相互作用（强力）的一种表现。在原子的尺度范围内，核力比库仑力大

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得多；2）核力是短程力，作用范围在1.5×10m之内。核力大于0.8×10m时表现为吸引

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力，且随距离的增大而减小，超过1.5×10m核力急剧下降几乎消失；而在0.8×10m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起；3）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；

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小于0.8×10m时核力的变化规律还不清楚。

③第四种基本相互作用就是弱相互作用，它有何作用？有何特点？

答：弱相互作用是引起原子核发生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10-8m，作用强度比电磁力弱。 典例探究

例1（A级）.从以下几个方面比较核反应与化学反应的相同和不同之处 （1）它们分别涉及四种基本相互作用的哪一种？ （2）每种反应分别改变了或重新安排了什么？

二、原子核中质子和中子的比例

①稳定的轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？ 答：轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数大致相等；对轻核而言，核子数量相对较

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小，核子间距处于核力作用范围之内，由于核力远大于电磁力，即使质子和中子成对出现，强大的核力也可以将核子紧紧地束缚在原子核的范围之内，形成稳定的原子核。

②稳定的重核（原子序数大于20）的质子数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？ 答：重核（原子序数大于20）的质子数小于中子数；对于重核而言，核子数量大，核子间距也大，由于核力的饱和性，核力会因为核子间距的变大而大幅度减小，甚至小于电磁力。如果质子和中子再成对出现，原子核不稳定；如果只增加中子，由于中子之间不存在库仑力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以重核内中子数会明显大于质子数。 ③若不断增大原子核的中子数，能不断增大原子核吗？为什么？

答：不能；由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。 三、结合能

①将一个质子和中子结合在一起，会产生什么现象？若要把它们分开，需要什么条件？ 答：会失去一部分能量，如果要分开，还要赋予它们这份能量。 ②结合能是原子具有的能量吗？如何理解结合能？

答：结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量。 ③结合能的大小与什么因素有关？为什么？

答：组成原子核的核子数，组成原子核的核子数越多，结合能越大。

④什么是比结合能？为什么说比结合能越大，原子核中核子结合越牢固、原子越稳定？ 答：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.。因为比结合能越大，将每个核子分开所需的能量越大。四、质量亏损

①物体的质量和能量有何关系？若一个物体质量减小了△m，那么它的能量减小多少？ 答：E＝mc2 ； △E=△m c2

②已知中子的质量mn=1.6749×10-27kg，质子的质量为mp=1.6726×10-27kg，氘核的质量mD=3.3436×10-27kg。将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了多少？能量减小了多少？氘核的结合能是多少？比结合能是多少？ 答：质量减小量△m=( mp+ mn)- mD=0.0039×10-27kg； 能量减小量△E=△m c2=3.51×10-13J=2.19×106eV； 结合能△E=2.19MeV；

比结合能为△E/2=1.10MeV。

③将一个质子和一个中子结合成一个氘核，能量减小了，是否违反了能量守恒定律？为什么？

答：没有违反能量守恒定律；减小的这部分能量以γ光子释放出去。

④将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了，是否违反了质量守恒定律？为什么？

答：没有违反质量守恒定律；减小的那部分质量等于γ光子的动质量。

⑤什么是质量亏损？质量亏损表明什么？

答：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象称为质量亏损。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。

⑥如右图，哪些原子核最稳定，为什么？

答：中等大小的核最稳定，因为这些核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大）。

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⑦若要释放结合能，我们可以怎么做？为什么？

答：使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等质量的核；因为使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等质量的核，核子的比结合能都会增加，即核子将发生新的质量亏损，释放新的核能。 典例探究

02例2（B级）.中子和质子结合成氘核，同时释放γ光子，核反应方程是11H?1n?1H+?。

下列说法正确的是（ ACD ）

A． 反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量和 B． 反应前后质量数不变，因而质量不变 C． 核子结合成核时，一定释放核能

2D． γ光子具有的能量为?mc,?m为核反应中的质量亏损

例3(B级). 碳原子质量的1/12叫做原子质量单位，用u表示。试证明1u相当于931MeV。 证明：

碳原子的摩尔质量为M=12kg/mol，所以一个碳原子质量为m=M/NA=1.993×10 所以1u=m/12=M/12NA=1.6606×102

带入公式E=mc得： E=1.4924×10 得证

学习小结

1.知识

2.方法

当堂检测

1（A级）.假设氢核、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，那么氢核与中子结合成氘核时放出的能量是（ D ）

A．m3c2 B.(m1+m2)c2 C.(m3-m2-m1)c2 D.(m1+m2-m3)c2

2（A级）.一个质子和一个中子结合成一个氘核释放2.2MeV的能量，两个中子与两个质子结合成一个氦核时，释放的28.3MeV的能量。现在把两个中子和两个质子先结合成两个氘核，再把两个氘核结合成一个氦核，那么整个过程中释放的能量为（ D ） A.不知氘核结合成氦核时释放的能量，故无法判断 B．23.9MeV C.26.1MeV D.28.3MeV

3(B级). 中子和质子结合成氘核时,质量亏损为?m,相应的能量为?E=?mc=2.2MeV3 岁寒然后知松柏之后凋也 高二物理备课组

2-26

kg

-27

kg

-10

J=931MeV

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是氘核的结合能,下列说法正确的是( A )

A.用能量小于2.2MeV的光子照射静止氘核时,氘核不能分解为一个质子和一个中子 B.用能量小于2.2MeV的光子照射静止氘核时,氘核可能分解为一个质子和一个中子

C.用能量小于2.2MeV的光子照射静止氘核时,氘核可能分解为一个质子和一个中子,它们的动能为零

D.用能量小于2.2MeV的光子照射静止氘核时,氘核可能分解为一个质子和一个中子,它们的动能不为零

4（B级）.印刷“两弹一星”这四个字样的油墨质量约为1μg，与这些质量相当的能量如果完全用力增加重力势能，它可以使一架6000kg、载有60名体重50kg的同学的直升机升到多高？

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