2017_2018学年高中物理第5章核能与社会5.1核能来自何方学案沪科版.docx

51核能来自何方学习目标 1.知道核力的概念、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一、核力导学探究1.有的同学认为：“原子核内质子间的库仑斥力，与质子、中子间的万有引力平衡而使原子达到稳定状态”，这种说法正确吗？答案不正确在相同的距离上，质子之间的库仑力的大小大约比万有引力强1035倍，两者相差悬殊，不可能平衡2是什么力克服质子之间的库仑斥力，使核子结合成一个稳固的原子核的？答案核子间(质子与质子、中子与中子、质子与中子)存在着一种比库仑力大得多的核力知识梳理核力及特点1核力：组成原子核的核子之间存在着一种特殊的力2核力特点：(1)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(2)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(3)核力与核子是否带电无关，质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间都可以有核力作用即学即用判断下列说法的正误(1)原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的()(2)核力是强相互作用力，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多()二、结合能导学探究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？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释放能量？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)释放能量知识梳理1结合能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平均结合能核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量叫做平均结合能，它等于核的结合能跟核子数的比值平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定3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，平均结合能较大当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会释放核能即学即用判断下列说法的正误(1)一切原子核均具有结合能()(2)组成原子核的核子越多，它的结合能就越高()(3)结合能越大，核子结合得越牢固，原子越稳定()(4)自由核子结合为原子核时，可能吸收能量()三、质量亏损和核能的计算导学探究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.知识梳理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Emc2.一、对结合能和平均结合能的理解1中等质量原子核的平均结合能最大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小2平均结合能与原子核稳定的关系(1)平均结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，平均结合能越大，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，平均结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，平均结合能较大，表示原子核较稳定(3)当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，就能释放核能例如，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例1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选项正确针对训练一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，其核反应方程为_，该反应放出的能量为Q，则氘核的平均结合能为_答案nHH解析核反应方程nHH，核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能，它的结合能与核子数之比称做平均结合能，由题意知氘核的核子数为2，所以平均结合能为.1核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分开成核子时一定吸收能量，吸收或释放的能量越大，表明原子核的结合能越大2平均结合能越大表明原子核越稳定一般情况下，中等质量的原子核比轻核和重核的平均结合能大二、质量亏损和核能的计算1根据质量亏损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 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2下列说法中，正确的是()A爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化B由Emc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体质量作为它所蕴藏的能量的量度C核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变为能量D因为在核反应中能产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒答案B解析Emc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系，故A错误，B正确；核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，故C错误；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，故D错误例3H的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子的质量为1.008 665 u求：(质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量)(1)一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？(2)氚核的结合能和平均结合能各是多少？答案(1)放出7.97 MeV(2)7.97 MeV2.66 MeV解析(1)一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是H2nH，反应前各核子总质量为mp2mn(1.007 27721.008 665) u3.024 607 u，反应后新核的质量为mH3.016 050 u，质量亏损为m(3.024 6073.016 050) u0.008 557 u.因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应放出能量释放的核能为E0.008 557931.5 MeV7.97 MeV.(2)氚核的结合能即为E7.97 MeV，它的平均结合能为2.66 MeV.1下列关于核力的说法正确的是()A核力同万有引力没有区别，都是物体间的相互作用B核力就是电磁力C核力是短程力，作用范围在1015 m之内D核力与电荷有关答案C解析核力是短程力，超过1015 m，核力急剧下降几乎消失，故选项C正确；核力与万有引力、电磁力不同，故选项A、B错误；核力与电荷无关，故选项D错误2(多选)关于原子核中质子和中子的比例，下列说法正确的是()A原子核中质子和中子的个数一定相等B稳定的重原子核里，中子数要比质子数多C原子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了D质子和中子可以组合成任意稳定的核答案BC3(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是()A原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B一重原子核衰变成粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能C铯原子核(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能D自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能答案ABC解析结合能是把核子分开所需的最小能量，选项A正确；一重原子核衰变成粒子和另一原子核，存在质量亏损，核子平均结合能增大，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B正确；核子数越多，结合能越大，选项C正确；自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，选项D错误4一个锂核(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答案(1)LiH2He(2)2.7811012 J解析(1)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 J2.7811012 J一、选择题(18题为单选题，910题为多选题)1下列对核力的认识正确的是()A任何物体之间均存在核力B核力广泛存在于自然界中的核子之间C核力只存在于质子之间D核力只发生在相距1.51015 m内的核子之间，大于0.81015 m为吸引力，而小于0.81015 m为斥力答案D解析由核力的特点知道，只有相距1.51015 m内的核子之间才存在核力，核力发生在质子与质子、质子与中子及中子与中子之间，由此知D正确，A、B、C错误2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核子间存在着复杂磁力答案C解析核子之间存在核力作用，核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都有核力作用，故伴随着巨大的能量变化，故选C.3原子质量单位为u,1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1和m2的原子核结合为质量为M的原子核时释放出的能量是()A(Mm1m2) uc2B(m1m2M) u931.5 JC(m1m2M)cD(m1m2M)931.5 MeV答案D4太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减小太阳每秒钟辐射出的能量约为41026 J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近()A1036 kg B1018 kgC1013 kg D109 kg答案D解析根据Emc2得：m kg4.4109 kg，故D正确，A、B、C错误5某核反应方程为HHHeX.已知H的质量为2.013 6 u，H的质量为3.018 0 u，He的质量为4.002 6 u，X的质量为1.008 7 u则下列说法中正确的是()AX是质子，该反应释放能量BX是中子，该反应释放能量CX是质子，该反应吸收能量DX是中子，该反应吸收能量答案B解析根据核反应过程质量数、电荷数守恒，可得HHHeX，X为中子，在该反应发生前反应物的总质量m12.013 6 u3.018 0 u5.031 6 u，反应后产物总质量m24.002 6 u1.008 7 u5.011 3 u总质量减少，出现了质量亏损，故该反应释放能量6当两个中子和两个质子结合成一个粒子时，放出28.30 MeV的能量，当三个粒子结合成一个碳核时，放出7.26 MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量为()A21.04 MeV B35.56 MeVC92.16 MeV D77.64 MeV答案C解析设中子的质量为mn，质子的质量为mp，粒子的质量为m，碳原子核的质量为mC.根据质能方程：E128.30 MeV2(mnmp)mc2E27.26 MeV3mmCc2E36mn6mpmCc2由以上各式得E392.16 MeV.7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核子平均质量小于A的核子平均质量，故A分解为B、C时，会出现质量亏损，故放出核能，故A错误，同理可得B、D错误，C正确8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的能量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.9一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出光子，核反应方程是HnH，以下说法中正确的是()A反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和B反应前后的质量数不变，因而质量不变C光子的能量mc2，m为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度D因存在质量亏损m，所以“物质不灭”的说法不正确答案AC解析核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，且能量守恒，释放的能量会以光子的形式向外释放，故正确答案为A、C.10中子和质子结合成氘核时，质量亏损为m，相应的能量Emc22.2 MeV是氘核的结合能下列说法正确的是()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用能量小于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，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零答案AD解析用能量小于结合