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5.3核力與結合能 學案 -2022-2023學年高二下學期物理人教版(2019)選擇性必修第三冊(含答案)

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5.3核力與結合能 學案 -2022-2023學年高二下學期物理人教版(2019)選擇性必修第三冊(含答案)

資源簡介

5.3核力與結合能
課前預習:
一、核力與四種基本相互作用
1.基本相互作用:17世紀下半葉,牛頓發現了萬有引力,引力是自然界的一種 。
2.19世紀后,人們認識到電荷間的相互作用,磁體間的相互作用,從本質上說是同一種相互作用的不同表現,稱為 。
3.核力(1)定義:原子核內 之間的相互作用力。
(2)核力的特點①核力是 的一種表現,在原子核內,核力比庫侖力大得多。
②核力是短程力,作用范圍在 之內。
4.四種基本相互作用
二、結合能和質量虧損
1.結合能:原子核是核子憑借核力結合在一起構成的,要把它們分開也需要 ,這就是原子核的結合能。
2.比結合能(平均結合能):原子核的結合能與 之比稱為比結合能。比結合能 ,原子核中核子結合得越牢固,原子核越穩定, 的核的比結合能最大、最穩定。
3.質量虧損(1)愛因斯坦質能方程 。
(2)質量虧損:原子核的質量 組成它的核子的質量之和的現象。
(3)核子在結合成原子核時出現的質量虧損Δm,與它們在互相結合過程中放出的能量ΔE的關系是 。
4.比結合能應用前景(1)中等大小的核的比結合能 ,這些核最穩定。
(2)使較重的核分裂成中等大小的核,或者把較小的核合并成中等大小的核,都將 新的結合能。
課堂練習:
[思考判斷]
(1)原子核中的質子是靠自身的萬有引力聚在一起的。( )
(2)核力是強相互作用力,在原子核的尺度內,核力比庫侖力大得多。( )
(3)弱相互作用的力程比強力更短。( )
(4)組成原子核的核子越多,它的結合能就越高。( )
(5)結合能越大,核子結合得越牢固,原子越穩定。( )
(6)質量虧損表明,的確存在著原子核的結合能。( )
[例1] (多選)對于核力,以下說法正確的是(   )
A.核力是弱相互作用,作用力很小
B.核力是強相互作用的表現,是強力
C.核子之間的距離小于0.8×10-15 m時,核力表現為斥力,因此核子不會融合在一起
D.人們對核力的了解很清楚,特別是在小于0.8×10-15 m時核力的變化規律更清楚
[例2] 下列關于結合能和比結合能的說法正確的是(  )
A.核子結合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結合能
B.比結合能越大的原子核越穩定,因此它的結合能也一定越大
C.重核與中等質量的原子核相比較,重核的結合能和比結合能都大
D.中等質量原子核的結合能和比結合能均比輕核的要大
[例3]下列有關質能方程的說法中,正確的是(  )
A.愛因斯坦質能方程反映了物體的質量就是能量,它們之間可以相互轉化
B.由E=mc2可知,能量與質量之間存在著正比關系,可以用物體的質量作為它所蘊藏的能量的量度
C.核反應中發生的“質量虧損”是消失的質量轉變為能量
D.因為在核反應中產生能量,有質量的轉化,所以系統只有質量數守恒、系統的總能量和總質量并不守恒
[例4] 某核反應方程為H+H→He+X。已知H的質量為2.013 6 u,H的質量為3.018 0 u,He的質量為4.002 6 u,X的質量為1.008 7 u。則下列說法正確的是(  )
A.X是質子,該反應釋放能量
B.X是中子,該反應釋放能量
C.X是質子,該反應吸收能量
D.X是中子,該反應吸收能量
[例5] 一個鋰核(Li)受到一個質子的轟擊,變成兩個α粒子.已知質子的質量是1.672 6×
10-27 kg,鋰核的質量是11.650 5×10-27 kg,氦核的質量是6.646 6×10-27 kg,光速c=3×
108 m/s。
(1)寫出上述核反應的方程;
(2)計算上述核反應釋放的能量。
課后鞏固:
1.氦原子核由兩個質子與兩個中子組成,這兩個質子之間存在著萬有引力、庫侖力和核力,則3種力從大到小的排列順序是(  )
A.核力、萬有引力、庫侖力 B.萬有引力、庫侖力、核力
C.庫侖力、核力、萬有引力 D.核力、庫侖力、萬有引力
2.(多選)核力具有下列哪些性質(  )
A.核力是短程力,作用范圍很小,只在相鄰核子間發生
B.核力是一種引力,核力把核子緊緊束縛在核內,形成穩定的原子核
C.質子間、中子間、質子和中子之間都有核力
D.核力是一種強相互作用力,在其作用范圍內,核力比庫侖力大得多
3. (多選)關于原子核的結合能與比結合能,下列說法中正確的是(  )
A.原子核的結合能等于核子與核子之間結合成原子核時,釋放出來的能量
B.比結合能越大的原子核越穩定
C.比結合能是核子與核子結合成原子核時平均每個核子放出的能量
D.結合能越大的原子核越穩定
4.(多選)不同原子核的比結合能是不同的,中等質量原子核的比結合能最大,輕核和重核的比結合能都比中等質量的原子核的比結合能小,由此可以確定,核反應能釋放大量核能的是(  )
A.中等質量的原子核結合成質量較大的重核 B.質量較大的重核分裂成中等質量的原子核
C.中等質量的原子核分裂成質量較小的輕核 D.質量較小的輕核結合成中等質量的原子核
5.(多選)已經發現自然界存在四種相互作用,下列說法中,哪些是符合科學家的認識的(  )
A.彈力應該歸結為電磁力 B.原子核內所有核子之間都存在核力的作用
C.摩擦力是電磁力的一種表現形式 D.電磁力是比萬有引力更強的相互作用
6.(多選)對公式ΔE=Δmc2的正確理解是(  )
A.如果物體的能量減少了ΔE,它的質量也一定相應減少了Δm
B.如果物體的質量增加了Δm,它的能量也一定相應增加Δmc2
C.Δm是某原子核在衰變過程中增加的質量
D.核子結合成原子核時,若放出能量ΔE,這些核子與結合成的原子核的質量之差就是Δm
7.如圖是描述原子核核子的平均質量與原子序數Z的關系曲線,下列說法正確的是(  )
A.將原子核A分解為原子核B、C吸收能量
B.將原子核D、E結合成原子核F吸收能量
C.將原子核A分解為原子核B、F一定釋放能量
D.將原子核F、C結合成原子核B一定釋放能量
8.(多選)鐵的比結合能比鈾核的比結合能大,下列關于它們的說法正確的是(  )
A.鐵核的結合能大于鈾核的結合能
B.鐵核比鈾核穩定
C.若鈾核能發生核反應變成鐵核,則要放出能量
D.若鈾核能發生核反應變成鐵核,則發生質量虧損
9.(多選)在某些恒星內,3個α粒子結合成1個C原子,C原子的質量是12.000 0 u,He核的質量是4.002 6 u.已知1 u=1.66×10-27 kg,則(  )
A.反應過程中的質量虧損是0.007 8 u B.反應過程中的質量虧損約為1.29×10-29 kg
C.反應過程中釋放的能量約為7.26 MeV D.反應過程中釋放的能量約為1.16×10-19 J
10.(多選)關于原子核的結合能,下列說法正確的是(  )
A.原子核的結合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B.一重原子核衰變成α粒子和一原子核,衰變產物的結合能之和一定大于原來重核的結合能
C.銫原子核(Cs)的結合能小于鉛原子核(Pb)的結合能
D.比結合能越大,原子核越不穩定
11.一個鈾核衰變為釷核時釋放一個α粒子。 在這個衰變過程中釋放的能量等于多少焦耳?已知鈾核的質量為3.853 131×10-25 kg,釷核的質量為3.786 567×10-25kg,α粒子的質量為6.646 72×10-27 kg。
12.H的質量是3.016 050 u,質子的質量是1.007 277 u,中子的質量是1.008 665 u,1 u相當于931.5 MeV的能量,求:(計算結果保留三位有效數字)
(1)一個質子和兩個中子結合為氚核時,是吸收還是放出能量?該能量為多少?
(2)氚核的結合能和比結合能各是多少?
(3)如果此能量是以光子形式放出的,則光子的頻率是多少?
5.3核力與結合能參考答案
課前預習:
1.基本相互作用:基本相互作用。2.電磁相互作用。
3.核力(1)定義:核子(2)核力的特點①強相互作用②1.5×10-15__m
二、結合能和質量虧損
1.結合能和比結合能
(1)結合能:能量 (2)比結合能(平均結合能):核子數 越大 中等大小
2.質量虧損(1) E=mc2 (2)質量虧損:小于 (3)ΔE=Δm·c2。
3.比結合能應用前景(1)最大 (2)釋放
課堂練習:
[思考判斷]
(1) (×) (2)(√) (3) (√) (4) (√) (5) (×) (6) (√)
[例1] 答案 BC
解析 核力是強相互作用的一種表現,它的作用范圍在1.5×10-15 m之內,核力比庫侖力大得多,因此,選項B正確,A錯誤;核力在大于0.8×10-15 m時表現為吸引力。且隨距離增大而減小;在距離小于0.8×10-15 m時,核力表現為斥力,因此核子不會融合在一起,所以選項C正確;人們對核力的了解還不是很清楚,這是科學家們奮力攻克的堡壘,故選項D錯誤。
[例2] 答案 D
解析 核子結合成原子核是放出能量,原子核拆解成核子是吸收能量,選項A錯誤;比結合能越大的原子核越穩定,但比結合能越大的原子核,其結合能不一定大,例如中等質量原子核的比結合能比重核大,但由于核子數比重核少,其結合能比重核小,選項B、C錯誤;中等質量原子核的比結合能比輕核的大,它的核子數又比輕核多,因此它的結合能也比輕核大,選項D正確。
[例3] 答案 B
解析 E=mc2說明能量和質量之間存在著聯系,即能量與質量之間存在著正比關系,但并不說明能量和質量之間存在相互轉化的關系,故A項錯誤,B項正確;核反應中發生的“質量虧損”并不是質量消失,實際上是由靜止的質量突變成運動的質量,并不是質量轉變成能量,故C項錯誤;在核反應中,質量守恒,能量也守恒,在核反應前后只是能量的存在方式不同,總能量不變,只是物質由靜質量變成動質量,故D項錯誤.
[例4] 答案 B
解析 根據核反應過程質量數、電荷數守恒,可得H+H→He+X,X為中子,在該反應發生前反應物的總質量m1=2.013 6 u+3.018 0 u=5.031 6 u,反應后產物總質量m2=4.002 6 u+1.008 7 u=5.011 3 u。總質量減少,出現了質量虧損,故該反應釋放能量。
[例5] 答案 (1)Li+H→2He (2)2.691×10-12 J
解析 (1)該核反應方程為Li+H→2He
(2)核反應的質量虧損Δm=mLi+mp-2mα
=(11.650 5×10-27+1.672 6×10-27-2×6.646 6×10-27) kg=2.99×10-29 kg
釋放的能量
ΔE=Δmc2=2.99×10-29×(3×108)2 J=2.691×10-12 J.
課后鞏固:
1.答案 D
解析 核子間的核力最大,萬有引力最小,D項正確。
2.答案 ACD
解析 核力作用的范圍在1.5×10-15 m之內,只在相鄰核子間發生,是短程力,選項A正確;核力既能表現為引力,又能表現為斥力,選項B錯誤;核力是質子、中子之間的強相互作用力,在其作用范圍內,比庫侖力大得多,選項C、D正確。
3.答案 ABC
4.答案 BD
解析 兩個中等質量的核結合成重核的過程,核子的比結合能減少,整個過程將要吸收能量,A項錯誤;質量較大的重核分裂成中等質量的原子核,是上述過程的逆過程,是放出能量的,B項正確;根據同樣的方法,可知C項錯誤,D項正確.
5.答案 ACD
解析 電磁力是兩個帶電粒子或物體之間的相互作用力,力學中的彈力、摩擦力、浮力都屬于電磁力,故A、C正確;核力是短程力,核力只存在于同一個原子核內的相鄰的核子之間,故B錯誤;電磁力是比萬有引力更強的相互作用,故D正確。
6.答案 ABD
解析 一定的質量對應一定的能量,物體的能量減少了ΔE,它的質量也一定相應減少Δm,即發生質量虧損,所以選項A、D正確;如果物體的質量增加了Δm,它的能量也一定相應增加Δmc2,所以選項B正確;某原子核在衰變時,一定發生質量虧損,所以選項C錯誤.
7.答案 C
解析 因B、C核子平均質量小于A核子的平均質量,故A分解為B、C時,會出現質量虧損,故一定放出能量,A錯誤;同理可得B、D錯誤,C正確.
8.答案 BCD
解析 鐵核的比結合能大,更穩定些,鈾核比結合能小,發生核反應變成鐵核會放出核能,出現質量虧損,B、C、D正確.鐵核的結合能是小于鈾核的結合能的,故A錯誤.
9.答案 ABC
解析 由題意可得核反應方程為3He→C+ΔE,則核反應中的質量虧損為Δm=(3×4.002 6-12.000 0) u=0.007 8 u=0.007 8×1.66×10-27 kg≈1.29×10-29 kg,由質能方程得ΔE=Δmc2=1.29×10-29×(3×108)2 J=1.161×10-12 J≈7.26 MeV,故選A、B、C.
10.答案 ABC
解析 兩個或幾個自由狀態的核子結合在一起時釋放的能量或原子核分成自由核子所需要吸收的能量叫結合能,故A正確.一重原子核衰變生成α粒子和另一原子核,要釋放能量,衰變產物的結合能之和一定大于原來重核的結合能,故B正確.鉛原子核的核子數大于銫原子核的
核子數,由結合能的概念可知鉛原子的結合能大于銫原子的結合能,故C正確.原子核的平均結合能越大,表示原子核的核子結合得越牢固,原子核越穩定,故D錯誤
11.答案 8.352×10-13J
12.答案 (1)放出能量 7.97 MeV (2)7.97 MeV 2.66 MeV (3)1.92×1021 Hz
解析 (1)一個質子和兩個中子結合成氚核的核反應方程是H+2n→H
反應前各核子總質量為mp+2mn=1.007 277 u+2×1.008 665 u=3.024 607 u
反應后新核的質量為mH=3.016 050 u
質量虧損為
Δm=3.024 607 u-3.016 050 u=0.008 557 u
因反應前的總質量大于反應后的總質量,故此核反應釋放能量.
釋放的核能為ΔE=0.008 557×931.5 MeV≈7.97 MeV.
(2)氚核的結合能為ΔE=7.97 MeV,它的比結合能為≈2.66 MeV.
(3)放出光子的頻率為ν== Hz≈1.92×1021 Hz.

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