高中物理 第5章 核能与社会 5.1 核能来自何方导学案 沪科版选修3-5.doc

学案1核能来自何方学习目标定位 1.了解核力的特点.2.认识原子核的结合能，了解平均结合能.3.知道什么是质量亏损，能用爱因斯坦质能方程计算原子核的结合能1原子核的组成：原子核由质子和中子组成；原子核非常小，直径数量级为1015 m.2能量单位：1 ev106 mev1.61019 j.3核力(1)定义：组成原子核的核子之间存在着一种特殊的力(2)特点：核力是一种强相互作用力，它存在于质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间核力是一种短程力，它的作用距离只有1015 m的数量级因此，每个核子只能对跟它邻近的少数核子(一般不超过3个)发生显著的相互作用4结合能核子结合成原子核时放出的能量，或原子核分解成核子时吸收的能量5质量亏损：组成原子核的核子的总质量与原子核的质量之差6结合能的计算：emc2.一、核力的特点问题设计1一些较轻的原子核，如he、o、c、n中质子数和中子数有什么关系？答案质子数与中子数大致相等2.u、th中各有多少个质子、多少个中子？较重的原子核中中子数和质子数有什么关系？答案u中含有92个质子、146个中子；th中含有90个质子，144个中子较重的原子核中中子数大于质子数，而且越重的原子核，两者相差越多要点提炼由于核力是短程力，自然界中较轻的原子核，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，越重的原子核，两者相差越多例1关于原子核中质子和中子的说法，正确的是()a原子核中质子数和中子数一定相等b稳定的重原子核里，质子数比中子数多c原子核都是非常稳定的d对于较重的原子核，由于核力的作用范围是有限的，如果继续增大原子核，形成的核也一定是不稳定的解析自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多，因此正确答案选d.答案d二、结合能问题设计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？答案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1所示，是不同原子核的平均结合能随核子数变化的曲线图1(1)从图中看出，中等质量的原子核与重核、轻核相比平均结合能有什么特点？平均结合能的大小反映了什么？(2)平均结合能较小的原子核转化为平均结合能较大的原子核时是吸收能量还是放出能量？答案(1)中等质量的原子核平均结合能较大平均结合能的大小反映了原子核的稳定性，平均结合能越大，原子核越稳定(2)放出能量要点提炼1核子结合成原子核时释放的能量，或原子核分解成核子时吸收的能量叫原子核的结合能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，平均结合能较大延伸思考一个核子数较大的重核分裂成两个核子数较小一些的核，是吸收能量还是释放能量？两个核子数很小的轻核结合成核子数较大一些的核，是吸收能量还是释放能量？答案都释放能量例2使一个质子和一个中子结合成氘核时，会放出2.2 mev的能量，则下列说法正确的是()a用能量小于2.2 mev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用能量等于2.2 mev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，它们的动能之和为零c用能量大于2.2 mev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，它们的动能之和为零d用能量大于2.2 mev的光子照射静止氘核时，氘核可分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零解析中子和质子结合成氘核所释放的能量或氘核分解成中子和质子所吸收的能量都相等，即为此反应的结合能，只有光子能量大于或等于结合能，才能使它们分解又因为中子和质子不可能没有速度，所以动能之和不可能为零，(若动能之和为零就分不开了)，所以a、d正确答案ad三、质量亏损和核能的计算问题设计1用粒子轰击铍(be)核发现中子的核反应方程behecn甲同学说：核反应过程中核子数没变，所以质量是守恒的；乙同学查找资料，各个原子核或核子的质量如下：mbe9.012 19 u，mc12.000 u，m4.002 6 u，mn1.008 665 u(其中1 u1.660 5661027 kg)，他通过计算发现反应之后的质量减少了，于是他得出结论“核反应过程中质量消失了”这两个同学的说法对吗？如果不对错在哪里？你对质量亏损是如何理解的？答案甲同学的说法错误核反应过程中是质量数守恒而不是质量守恒；乙同学的说法错误质量亏损并不是质量消失对质量亏损的理解：其一，在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒，所谓的质量亏损并不是这部分质量消失或质量转变为能量物体的质量应包括静止质量和运动质量，质量亏损是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量其二，质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的2试计算上述核反应过程中是释放能量，还是吸收能量？能量变化了多少？答案反应前的总质量m1mbem9.012 19 u4.002 6 u13.014 79 u反应后的总质量m2mcmn12.000 0 u1.008 665 u13.008 665 u所以质量亏损mm1m213.014 79 u13.008 665 u0.006 125 u.放出的能量emc20.006 125 uc20.006 1251.660 5661027(3108)2 j9.151013 j5.719 mev.要点提炼1对质能方程和质量亏损的理解(1)质能方程爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是emc2.(2)质量亏损质量亏损，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物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，则总能量也随之减少这时质能方程也写作emc2.2核能的计算方法(1)根据m计算根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损m.根据爱因斯坦质能方程emc2计算核能其中m的单位是千克，e的单位是焦耳(2)利用原子质量单位u和电子伏特计算明确原子质量单位u和电子伏特之间的关系1 u1.660 61027 kg,1 ev1.602 1781019 j由emc2得e ev931.5 mev根据1原子质量单位(u)相当于931.5 mev的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 mev，即em931.5 mev.其中m的单位是u，e的单位是mev.例3已知氮核质量为mn14.007 53 u，氧17核的质量为mo17.004 54 u，氦核质量为mhe4.003 87 u，氢核质量为mh1.008 15 u，试判断：nheoh这一核反应是吸收能量还是放出能量？能量变化是多少？解析反应前总质量：mnmhe18.011 40 u，反应后总质量：momh18.012 69 u.可以看出：反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应吸收的能量利用emc2来计算，若反应过程中质量增加1 u，就会吸收931.5 mev的能量，故e(18.012 6918.011 40)931.5 mev1.2 mev.答案吸收能量1.2 mev核能来自何方1对核子结合成原子核的下列说法正确的是()a原子核内的核子间均存在核力b原子核内的质子间均存在核力和库仑力c稳定原子核的质子数总是与中子数相等d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答案d解析核力是短程力，只会发生在相邻核子之间，由此知a、b错误；核力只作用于相邻的核子，随着质子数增加，为使原子核保持稳定，必须靠中子数的增多来抵消库仑力的作用，故c错误，d正确2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答案d解析氢原子核只有一个质子，无结合能，结合能并不是原子核所具有的能量，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对3有一种核反应为：hhhx.已知h的质量为2.013 6 u，h的质量为1.007 3 u，x的质量为3.018 0 u则下列说法正确的是()ax是质子，该反应吸收能量bx是氕，该反应吸收能量cx是氘，该反应释放能量dx是氚，该反应释放能量答案d解析根据核反应过程中的质量数、核电荷数守恒，x应为氚；又22.013 6 u3.018 0 u1.007 3 u，所以核反应过程中有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程可知该反应释放能量.基础题1关于核力，下列说法中正确的是()a核力是一种特殊的万有引力b原子核内任意两个核子间都有核力作用c核力是原子核能稳定存在的原因d核力是一种短程强作用力答案cd2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，重核的结合能和平均结合能都较大d中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大答案d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；平均结合能越大的原子核越稳定，但平均结合能越大的原子核，其结合能不一定越大，例如中等质量原子核的平均结合能比重核大，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；中等质量原子核的平均结合能比轻核的大，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3质子的质量为mp，中子的质量为mn，氦核的质量为m，下列关系式正确的是()am(2mp2mn)bm(2mp2mn)d以上关系式都不正确答案b4为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”对于爱因斯坦提出的质能方程emc2，下列说法中不正确的是()aemc2表明物体具有的能量与其质量成正比b根据emc2可以计算核反应中释放的核能c一个中子和一质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损demc2中的e是核反应中释放的核能答案d解析爱因斯坦提出的质能方程emc2告诉我们，物体的质量与它的能量成正比核反应中若质量亏损，就要释放能量，可用emc2计算核反应中释放的核能故上述选项只有d不正确5为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程emc2，科学家用中子轰击硫原子，分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的能量，然后进行比较，精确验证了质能方程的正确性设原子捕获中子前的原子质量为m1，捕获中子后的原子质量为m2，被捕获的中子质量为m3，核反应过程放出的能量为e，则这一实验需验证的关系式是()ae(m1m2m3)c2be(m1m3m2)c2ce(m2m1m3)c2de(m2m1m3)c2答案b解析反应前的质量总和为m1m3，质量亏损mm1m3m2，核反应释放的能量e(m1m3m2)c2，选项b正确6如图1所示是描述原子核核子的平均质量与原子序数z的关系曲线，由图可知下列说法正确的是()图1a将原子核a分解为原子核b、c可能吸收能量b将原子核d、e结合成原子核f可能吸收能量c将原子核a分解为原子核b、f一定释放能量d将原子核f、c结合成原子核b一定释放能量答案c解析因b、c核子的平均质量小于a核子的平均质量，故a分解为b、c时，出现质量亏损，故放出核能，故a错，同理可得b、d错，c正确能力题7中子n、质子p、氘核d的质量分别为mn、mp、md.现用光子能量为e的射线照射静止氘核使之分解，核反应方程为dpn，若分解后中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是()a.(mdmpmn)c2eb.(mdmnmp)c2ec.(mdmpmn)c2ed.(mdmnmp)c2e答案c解析因为轻核聚变时放出能量，质量亏损，所以氘核分解为核子时，要吸收能量，质量增加，本题核反应过程中射线能量e对应质量的增加和中子与质子动能的产生，即emc22ek(mpmnmd)c22ek，得eke(mpmnmd)c2(mdmpmn)c2e，故选c.8一个负电子(质量为m、电荷量为e)和一个正电子(质量为m、电荷量为e)，以相等的初动能ek相向运动，并撞到一起，发生“湮灭”，产生两个频率相同的光子，设产生光子的频率为，若这两个光子的能量都为h，动量分别为p和p，下面关系中正确的是()ahmc2，ppbhmc2，ppchmc2ek，ppdh(mc2ek)，pp答案c解析能量守恒和动量守恒为普适定律，故以相等动能相向运动发生碰撞而湮灭的正负电子总能量为2ek2mc2，化为两个光子后，总动量守恒，为零，故pp，且2ek2mc22h，即hekmc2.9氘核和氚核聚变时的核反应方程为hhhen，已知h的平均结合能是2.78 mev，h的平均结合能是1.09 mev，he的平均结合能是7.03 mev，则核反应时释放的能量为_ mev.答案17.6解析聚变反应前氘核和氚核的总结合能e1(1.0922.783) mev10.52 mev.反应后生成的氦核的结合能e27.034 mev28.12 mev.由于单个核子无结合能，即中子无结合能，所以聚变过程释放出的能量为ee2e1(28.1210.52) mev17.6 mev.102个质子和1个中子结合可以生成氦3，核反应方程式为：2hnhe，已知每个质子的质量为1.007 277 u，中子的质量为1.008 665 u，氦3的质量为3.002 315 u，试求氦3的结合能答案19.472 1 mev解析粒子结合前后的质量亏损为m2mhmnm21.007 277 u1.008 665 u3.002 315 u0.020 904 u由于1 u相当于931.5 mev，则结合能为e0.020 9049