高中物理 第4章 核能 4.1 核力与核能教案 鲁科版选修3-5.doc

第1节核力与核能课标要求知识与技能1.知道什么是核力，了解核力的特点2认识原子核的结合能和质量亏损3能应用质能方程进行计算过程与方法1.会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能；2培养学生的理解能力、推理能力、及数学计算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.课标解读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了解核素的核素图，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了解结合能平均结合能的概念，知道两种释放核能的方式，知道核反应中的质量亏损4知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量是“对应”关系而不是“转化”关系教学地位本节是本章的第一节内容，可先通过有关核能的新闻报道或太阳中核反应对地球的作用，以及原子弹、核电站对人类生活的影响等激发学生的兴趣告诉学生核能的两种释放方法，从而导入核力概念，讲解核素、结合能、平均结合能，掌握爱因斯坦质能方程并能进行计算告诉学生全章结构以及本节和其他章节的关系通过对核素图的分析，让学生掌握核素图的特点，了解轻核聚变和重核裂变都是核能的释放方式，并使学生建立物理学习和研究科学的方法.新课导入建议问题导入提问1：氦原子核中有两个质子，质子质量为mp1.671027kg，带电量为元电荷e1.61019c，原子核的直径的数量级为1015 m，那么两个质子之间的库仑斥力与万有引力两者相差多少倍？(两者相差1036倍)提问2：在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子之间的库仑斥力为万有引力的1036倍，那么质子为什么能挤在一起而不飞散？会不会在原子核中有一种过去不知道的力，把核子束缚在一起了呢？今天就来学习这方面的内容教学流程设计步骤8：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】课标解读重点难点1.知道什么是核力，了解核力的特点2认识核素图及原子核的结合能和质量亏损3能应用质能方程进行计算.1.核素图的物理意义(重点)2核能的计算(重点)3. 对结合能、平均结合能的理解(难点)核力与核的稳定性1.基本知识(1)核力把原子核中的核子维系在一起的力(2)核力特点核力是短程力，作用范围在2_fm(1 fm1015 m)左右，它不能延伸到3_fm以外当两核子间距离减小时，核力也迅速减小，至一定值时，核力表现为斥力核力是一种强相互作用，若两质子之间的距离为1 fm，库仑力是200_n左右，核力必须非常强才能抵消所有质子库仑力的作用(3)核素具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子(4)核素图用横坐标表示质子数，纵坐标表示中子数，每一种核素用一小方块表示，所得到的图象(5)核的稳定性核素的稳定区：几乎全落在一条曲线上，或紧靠曲线的两侧区域稳定核素的中子数与质子数的关系：随着z的增加，稳定核素的中子数越来越大于质子数2思考判断(1)原子核内的质子间均存在核力和库仑力()(2)稳定原子核的质子数总是与中子数相等()(3)对质子数较多的原子核，其中的中子数起到增加核力、维系原子核稳定的作用()3探究交流原子核是由中子和质子组成的，在原子核狭小的空间里，带正电的质子为什么能挤在一起而不飞散？【提示】组成原子核的相邻的核子间存在核力结合能与质量亏损1.基本知识(1)结合能核子结合成原子核所释放的能量(2)平均结合能定义：平均每个核子的结合能意义：平均结合能越大，原子核越难分离成单个核子(3)质量亏损质量亏损：任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，这一差值称为质量亏损能量计算：质量亏损说明核子组成原子核放出能量，其大小为emc2.2思考判断(1)原子核的核子数越多，平均结合能越大()(2)质量亏损是因为这部分质量转化为能量()3探究交流有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？【提示】不对在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只是核子组成原子核时，仿佛变“轻”了一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损，核子的个数并没有变化.对结合能与平均结合能的理解【问题导思】1原子核越大越稳定吗？2结合能是原子核具有的能量吗？3平均结合能和结合能存在什么关系？1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2.19 mev时，这个反应才会发生同样，一个质子和一个中子结合成氘核，要放出2.19 mev的能量这表明要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2结合能和平均结合能原子核是核子结合在一起构成的，要把核子分开，就需要能量，这就是原子核的结合能结合能的大小可以用emc2进行计算对某种原子核，平均每个核子的结合能就是平均结合能平均结合能的大小可以用得到(1)平均结合能的大小反映核的稳定程度，平均结合能越大，原子核就越难拆开，表示原子核越稳定(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，平均结合能都比较小，中等核子数的原子核平均结合能较大(3)平均结合能较小的原子核转化成平均结合能较大的原子核时要释放能量原子核越大，它的结合能越高，有意义的是它的结合能与核子数之比，称为平均结合能，平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定下列关于结合能和平均结合能的说法中，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平均结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也越大c重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和平均结合能都大d中等质量的原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大【解析】核子结合成原子核所释放的能量叫做原子核的结合能，故a选项错误；核结合能除以质量数称为平均结合能，核结合能和平均结合能都是原子核稳定程度的量度，平均结合能越大，核越稳定但不一定平均结合能越大，故b选项错误；质量中等的核，平均结合能最大约8.6 mev，它们最为稳定，重核的平均结合能要小些，约7.6 mev，故c选项错误，d选项正确【答案】d1下列关于平均结合能的说法正确的是()a核子数越多，平均结合能越大b核子数越多，平均结合能越小c结合能越大，平均结合能越大d平均结合能越大，原子核越稳定【解析】中等质量核的平均结合能比轻核和重核的平均结合能都大，故a、b、c均不正确平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，故d正确【答案】d核能的计算【问题导思】1质量为m kg的物体具有mc2的能量吗？2质量和能量在一定条件下可以相互转化吗？3质量亏损是质量真正减少了吗？1质量亏损科学家研究证明原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，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地表现出来2质能方程emc2爱因斯坦指出，物体的能量(e)和质量(m)之间存在着密切的关系，即emc2，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c2这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的3核能的计算(1)核反应中释放或吸收的能量，可以先计算反应物和生成物的质量差，再用emc2进行计算(2)运用emc2时要注意统一单位(3)m是核反应前与核反应后的质量之差物体的质量包括静止质量和运动质量，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减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量，在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律已知氮核质量mn14.007 53 u，氧核质量mo17.004 54 u，氦核质量mhe4.003 87 u，质子质量mh1.008 15 u，试判断核反应nheoh是吸能反应，还是放能反应？能量变化多少？【审题指导】由反应物和生成物的质量大小关系来判断反应是吸能反应还是放能反应，能量的多少可以用emc2来计算【解析】先计算出质量亏损m，然后由1 u相当于931.5 mev能量代入计算即可反应前总质量为mnmhe18.011 40 u，反应后总质量为momh18.012 69 u.因为反应中质量增加，所以此反应为吸能反应，所吸收的能量为emc2(18.012 6918.011 40)931.5 mev1.2 mev.【答案】吸能反应1.2 mev1根据emc2进行计算一般有以下两种方法：m的单位用千克，c3108 m/s，此时能量e的单位为焦耳；m的单位为原子质量单位(u)，此时em931.56 mev.21 u1.66061027 kg，常用于质量的单位换算2一个锂核(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 61027 kg.(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(保留3位有效数字)【解析】(1)由质量数和电荷数守恒可得lih2he.(2)核反应的质量亏损mmlimp2m(11.650 510271.673 6102726.646 61027) kg3.091029 kg.释放的能量emc23.091029(3108)2 j2.781012 j.【答案】(1)lih2he(2)2.781012 j综合解题方略结合能和平均结合能关于原子核的结合能与平均结合能，下列说法中正确的是() a原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时核力做的功b原子核的结合能等于核子从原子核中分离，外力克服核力做的功c平均结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量d不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比轻核的平均结合能大【规范解答】原子核中，核子与核子之间存在核力，要将核子从原子核中分离，需要外力克服核力做功当自由核子结合成原子核时，核力将做功，释放能量对某种原子核，平均每个核子的结合能称为平均结合能不同原子核的平均结合能不同重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小，轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能要小综上所述，正确选项为a、b、c.【答案】abc以氘核为例辨析结合能与平均结合能1结合能的理解一个中子和一个质子结合为一个氘核，会释放3.511013 j能量，意味着将氘核内的中子和质子分开，必须克服核力做功3.511013 j，这就是氘核的结合能2平均结合能的理解氘核内部的核子数n2，所以氘核的平均结合能为.【备课资源】(教师用书独具)粒子间的相互作用物质世界运动变化多样性的根源在于自然界存在着四种基本相互作用，即强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用强相互作用存在于重子、介子等强子之间的基本相互作用核子之间的核力是它的一个典型实例强相互作用是一种短程力，作用范围为1015 m量级，作用强度约为电磁相互作用的102倍目前，对强相互作用的机制还不清楚近年来发展的量子色动力学(qcd)能解释强相互作用的一些问题这个理论认为强相互作用是通过胶子传递的实验上已观察到胶子存在的迹象，但还没有直接的证据证明胶子的存在电磁相互作用 这是目前了解得最清楚的一种相互作用，量子电动力学(qed)可以对它进行精确的计算电磁相互作用是一种长程力，作用于所有微观或宏观带电或带磁矩的物体之间大到天体，小到1018 m范围内，理论计算都跟实验事实符合得很好量子电动力学认为，电磁相互作用是由电磁场的量子光子传递的弱相互作用 广泛存在于轻子和轻子间、轻子和强子间、强子与强子间的一种基本相互作用原子核的衰变是它的一个实例弱相互作用也是一种短程力，作用范围比强相互作用还要短，作用强度约为强相互作用的1012倍弱相互作用是通过质量很重的中间玻色子w和z0传递的，它们的质量分别为：m(80.91.5) gev，m(95.61.4) gev.引力相互作用支配着宏观物体运动变化，例如，天体运动规律的一种长程力在微观领域里，引力相互作用远远弱于其他三种相互作用，以致实际上无法检验在微观领域里万有引力定律是否仍然正确例如，根据万有引力定律考虑两个质子间的引力相互作用与它们间的强相互作用的强度之比仅为1038.理论上，传递引力相互作用的量子是引力子目前，实验上尚未发现引力子的存在.1下列说法中正确的是()a质子与中子的质量不等，但质量数相等b两个质子之间，不管距离如何，核力总是大于库仑力c同一种元素的原子核有相同的质量数，但中子数可以不同d除万有引力外，两个中子之间不存在其他相互作用力【解析】质子和中子的质量不相等，但差别不大，质量数相等，故a对核子之间的核力随距离变化而变化，并不总大于库仑力，故b错同位素之间核电荷数相同，中子数不同，质量数也不同，故c错核子之间除万有引力外，还可能存在核力、库仑力，故d错【答案】a2核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化，这是因为 () a原子核带正电，电子带负电，电荷间存在很大的库仑力 b核子具有质量且相距很近，存在很大的万有引力 c核子间存在着强大的核力 d核子间存在着复杂的磁力【解析】只有核子间存在着强大的核力，才伴随着巨大的能量变化，所以选c.【答案】c3对结合能、平均结合能的认识，下列说法正确的是()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平均结合能越大的原子核越稳定【解析】氢原子核只有一个质子不具有结合能，故a错；自由核子结合为原子核时，放出能量，故b错；平均结合能越大的原子核越稳定，故c错，d正确【答案】d42个质子和1个中子结合