高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 核力与结合能多媒体教学ppt课件

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1.了解四种基本相互作用,知道核力的性质。2.知道原子核的结合能和比结合能的概念。3.知道什么是质量亏损,能应用爱因斯坦质能方程进行计算。
一、核力与四种基本相互作用1.核力(1)定义:原子核中的核子之间的相互作用力。(2)作用:使得核子紧密地结合在一起,形成稳定的原子核。2.核力的特点(1)核力是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。(2)强相互作用是短程力,作用范围只有约10-15m。3.第四种相互作用物理学家在原子核内发现了自然界的第四种相互作用——弱相互作用,弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。该作用也是短程力,其力程比强相互作用更短,为10-18m。
二、结合能与质量亏损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,叫作比结合能,也叫作平均结合能。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。3.质能方程物体的能量与它的质量的关系是: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。
1.正误判断(1)核力是强相互作用,在任何情况下都比库仑力大。(　　)(2)原子核内的质子是靠万有引力来抗衡库仑斥力的。(　　)(3)组成原子核的核子越多,它的结合能就越大。(　　)(4)结合能越大,核子结合得越牢固,原子越稳定。(　　)(5)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。(　　)(6)自由核子结合为原子核时,可能吸收能量。(　　)(7)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。(　　)(8)质能方程E=mc2表明了质量与能量间的一种对应关系。(　　)答案(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)×　(7)√　(8)√
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.(m1+m2-m3)cB.(m1-m2-m3)cC.(m1+m2-m3)c2D.(m1-m2-m3)c2解析根据质能方程ΔE=Δmc2知,核反应过程中释放的能量等于质量的减少量与光速c的二次方的乘积,故选项C正确。答案C
3.对核力的认识,下列说法正确的是(　　)A.任何物体之间均存在核力B.核力只存在于质子和中子之间C.核力只存在于质子之间D.核力发生在相距10-15 m内的核子之间解析由核力的特点知道,相距10-15 m内的核子之间存在核力。答案D
核力与四种基本相互作用情境探究
要点提示(1)核子之间还存在着核力作用。(2)当核子增多时,原子核增大,核子间的距离也增大,当距离较大时,一些核子间可能就没有核力的作用了,这样形成的核不稳定,最终会瓦解。因此质子与中子不能随意地组合形成无数不同的原子核。
知识归纳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)强相互作用:在原子核内,强相互作用将核子束缚在一起,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,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的范围内起作用,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。(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。
实例引导例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力,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区域内,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力,C正确;核力是一种强相互作用力,D错误。答案ABC
规律方法 四种基本相互作用比较
变式训练1(多选)对于核力,以下说法正确的是(　　)A.核力是弱相互作用力,作用力很小B.核力是强相互作用的表现,是强力C.核子之间的距离小于0.8×10-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起D.核力的作用范围很大,是长程力解析核力是强相互作用的一种表现,它的作用范围在1.5×10-15 m之内,核力比库仑力大得多,选项B正确,A错误;核力在大于0.8×10-15 m时表现为吸引力,且随距离增大而减小;在距离小于0.8×10-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起,选项C正确;核力是短程力,选项D错误。答案BC
结合能情境探究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?要点提示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.如图所示是原子核转变示意图。(1)在核反应过程中质量数、核电荷数是否守恒?(2)在该核反应过程中会释放出能量,反应前后原子核的质量是否会发生变化?要点提示(1)在核反应中,质量数、核电荷数是守恒的。(2)会发生变化,是减少的。
知识归纳1.比结合能曲线不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。从图中可看出,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的原子核要小。
2.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。
答案AD规律总结结合能的应用技巧(1)组成原子核的核子越多,结合能越高。(2)结合能与核子个数之比称作比结合能,比结合能越大原子核越稳定。(3)结合能通常只用在原子核中。
变式训练2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,其结合能比重核反而小,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
质量亏损情境探究爱因斯坦狭义相对论中的质能方程给出了核能的计算方法。请思考:(1)核反应中质量亏损与质量守恒矛盾吗?(2)核子结合成原子核时为何出现质量亏损?要点提示(1)不矛盾。(2)独立的核子之间没有作用力,但若使核子结合为原子核,核子之间需接近到核力作用的范围。在核力的作用下结合为一体,核力做正功,能量减少,即释放出能量,由ΔE=Δmc2知质量发生亏损。
知识归纳1.对质量亏损的理解(1)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。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。(2)质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来。(3)Δm是核反应前与核反应后的质量之差。
2.对质能方程E=mc2本质的理解爱因斯坦质能方程反映的是质量亏损和核能这两种现象之间的联系,并不表示质量和能量之间的转变关系。对于质量亏损,不能理解为质量变成了能量,质能方程的本质是:(1)质量或能量是物质的属性之一,绝不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来。(2)质能方程揭示了质量和能量的不可分割性,建立了这两个属性在数值上的关系,这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒,质量和能量在数值上的联系绝不等于这两个量可以相互转化。(3)质量亏损不是否定了质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论,辐射出的γ光子静质量虽然为零,但它有动质量,而且这个动质量刚好等于亏损的质量,所以质量守恒、能量守恒仍成立。
3.核反应中由于质量亏损而释放的能量ΔE=Δmc2从爱因斯坦质能方程同样可以得出,物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δm的关系:ΔE=Δmc2。
实例引导例3 一静止的氡核 发生α衰变,放出一个速度为v0,质量为m的α粒子和一个质量为M的反冲核钋(P),若氡核发生衰变时,释放的能量全部转化为α粒子和钋核的动能。(1)写出衰变方程;(2)求出反冲核的速度;(计算结果不得使用原子量表示)(3)求出这一衰变过程中亏损的质量。(计算结果不得使用原子量表示)
规律方法 1.核反应是释放还是吸收能量的两种判断方法(1)根据反应前后的质量变化质量亏损——释放能量;质量增加——吸收能量。(2)根据反应前后的比结合能的变化比结合能变大——释放能量;比结合能变小——吸收能量。
2.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。其中Δm的单位是千克,ΔE的单位是焦耳。(2)根据能量守恒和动量守恒来计算核能参与核反应的粒子所组成的系统,在核反应过程中的动量和能量是守恒的,因此,利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。(3)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。闪光语录质量亏损不是核子个数的减少,核反应中核子个数是不变的。
变式训练3(多选)如图所示是原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系图像。下列说法中正确的是(　　)A.若D、E能结合成F,结合过程一定要释放能量B.若D、E能结合成F,结合过程一定要吸收能量C.若A能分裂成B、C,分裂过程一定要释放能量D.若A能分裂成B、C,分裂过程一定要吸收能量解析由题图可知,F原子核的核子的平均质量小,则原子序数较小的核D、E结合成原子序数较大的核F时,因F的核子的平均质量小于D、E核子的平均质量,故出现质量亏损,由质能方程知,该过程一定要放出核能,所以选项A正确,B错误;因为B、C的核子的平均质量小于A核子的平均质量,故A分裂成B、C的过程一定要释放能量,所以选项C正确,D错误。答案AC
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,则三种力从大到小的顺序是(　　)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核子之间的一种强相互作用,其相互作用力巨大,远超过两个质子之间的库仑力,两质子之间的万有引力远小于库仑力,故选项D正确。答案D
2.太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026 J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近(　　)A.1036 kgB.1018 kgC.1013 kgD.109 kg解析由质能方程ΔE=Δmc2,答案D
3.(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