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人教版 (2019)选择性必修 第三册3 核力与结合能教案设计
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这是一份人教版 (2019)选择性必修 第三册3 核力与结合能教案设计，共9页。教案主要包含了核力，结合能，质量亏损，公式ΔE=Δm·c2的单位问题等内容，欢迎下载使用。
课题
核力与结合能
单元
5
学科
物理
年级
高二
学习
目标
物理观念：知道四种基本相互作用与核力的特点，了解结合能、比结合能和质量亏损的基本观念和相关实验。
科学思维：理解核力是短程力，掌握比结合能和质量亏损，能用质能方程进行计算，提高分析、解决问题的能力。
科学探究：通过教材上的科学推理，掌握其实质，培养科学推理的能力。
科学态度与责任：学习科学家们严谨的科学态度，坚持实事求是，培养学习、探索科学的兴趣和责任。
重点
理解核力是短程力，掌握比结合能和质量亏损，能用质能方程进行计算，提高分析、解决问题的能力。
难点
理解核力是短程力，掌握比结合能和质量亏损，能用质能方程进行计算，提高分析、解决问题的能力。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
原子核的组成
原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子．
电荷数=质子数
质量数=质子数+中子数=核子数
核子靠什么力结合成原子核？
原子核的半径约为10-15m , 只相当原子半径的万分之一。在这么小的空间里带正电的质子与质子间的库仑斥力是很大，万有引力太小，只有库仑力的10-36。而通常原子核是稳定的，于是核内还应有另一种力把各种核子紧紧拉在一起，此力称为核力。
回顾原子核的组成，思考核子为什么能结合成原子核。
由旧知识引发学生思考，引出新知识。
同时让学生明白新旧知识的关联。
讲授新课
一、核力
1、核力：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力．
思考：核力具有怎样的特点呢？
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 10-15m量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力, 距离为10×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m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。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。
要真正了解核子间的相互作用还要考虑核子的组成物—夸克的相互作用。
2、四种相互作用
(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。
课堂练习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
二、结合能
思考讨论：如图氦原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，需要吸收能量。反过来，4个核子结合成氦原子核要放出能量。
思考：那么，把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系?
由于核子间存在着强大的核力，所以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．
可见，当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量．这个能量叫做原子核的结合能．
思考：结合能是原子核具有的能量吗？
结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量。
比结合能：结合能与核子数之比，称做为比结合能。也叫平均结合能。
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。
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。
课堂练习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
三、质量亏损
1、质量亏损：
原子分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，叫做质量亏损。
核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，正表明它们在互相结合过程中放出了能量
ΔE=Δm·c2
爱因斯坦质能方程 E=mc2
式中c是真空中的光速，m是物体的质量，E是物体的能量。
例题：已知中子的质量mn为1.6749x10-27 kg,质子的质量mp为1.6726 x10-27 kg,氘核的质量mD为3.343 6x 10-27 kg，求氘核的比结合能。
解：单个的质子 与中子的质量之和为
这个数值与氘核质量之差
与这个质量差相对应的能量为
在核物理中，能量单位常常使用电子伏特(eV),即
所以，氘核的结合能是
氘核的比结合能为
2、有关问题的理解和注意事项
第一、 核反应过程中:
核子结合成原子核时，新核质量小于核子的质量(质量亏损)，同时以光子形式释放核能；原子核分解为核子时，需要吸收一定能量，核子的总质量大于原原子核的质量。
第二、 核反应过程中，质量亏损时，核子个数不亏损(即质量数守恒)，可理解为组成原子核后，核内每个核子仿佛“瘦了”一些。
第三、质量亏损并非质量消失，而是减少的质量m以能量形式辐射(动质量，因此质量守恒定律不被破坏。
第四、公式ΔE=Δm·c2的单位问题
国际单位:m用“kg” C用“m/s” ΔE用“J”
常用单位: m用“u(原子质量单位)”
1u=1.660566×10-27kg
ΔE用“uc2” 1uc2=931MeV
(表示1u 的质量变化相当于931Me V的能量改变)
课堂练习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)
思考问题，并给出答案。
明确核力的特点和四种相互作用的特点。
完成课堂练习。
完成思考题。
理解结合能的概念。
学习结合能和比结合能的特点。
完成课堂练习。
学习质量亏损的概念。
完成例题。
理解质量亏损不表示质量减少。
完成课堂练习。
思考的形式，让学生明确核力的特点。
通过练习加强学生对核力特点、四种相互作用的特点的理解。
让学生从能量守恒的角度思考问题，培养学生正确的思考物理问题的方式。
学生完成思考题，通过与同学之间的讨论，让学生能正确理解结合能的概念。
结合能和比结合能的概念较为抽象，通过阐述比结合能和原子核稳定之间的关系，让学生能更好的理解记忆。
展示标准的解题过程，在平时规范学生的解题步骤。
通过练习，巩固基础知识。
拓展提高
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
完成拓展提高。
通过练习，巩固基础知识。
课堂小结
一、核力
二、结合能；比结合能
三、质量亏损 质能方程E=mc2
总结本节课所学习知识。
帮助学生梳理基础知识，形成知识框架。
板书
课题
核力与结合能
单元
5
学科
物理
年级
高二
学习
目标
物理观念：知道四种基本相互作用与核力的特点，了解结合能、比结合能和质量亏损的基本观念和相关实验。
科学思维：理解核力是短程力，掌握比结合能和质量亏损，能用质能方程进行计算，提高分析、解决问题的能力。
科学探究：通过教材上的科学推理，掌握其实质，培养科学推理的能力。
科学态度与责任：学习科学家们严谨的科学态度，坚持实事求是，培养学习、探索科学的兴趣和责任。
重点
理解核力是短程力，掌握比结合能和质量亏损，能用质能方程进行计算，提高分析、解决问题的能力。
难点
理解核力是短程力，掌握比结合能和质量亏损，能用质能方程进行计算，提高分析、解决问题的能力。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
原子核的组成
原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子．
电荷数=质子数
质量数=质子数+中子数=核子数
核子靠什么力结合成原子核？
原子核的半径约为10-15m , 只相当原子半径的万分之一。在这么小的空间里带正电的质子与质子间的库仑斥力是很大，万有引力太小，只有库仑力的10-36。而通常原子核是稳定的，于是核内还应有另一种力把各种核子紧紧拉在一起，此力称为核力。
回顾原子核的组成，思考核子为什么能结合成原子核。
由旧知识引发学生思考，引出新知识。
同时让学生明白新旧知识的关联。
讲授新课
一、核力
1、核力：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力．
思考：核力具有怎样的特点呢？
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 10-15m量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力, 距离为10×10-15m时核力几乎消失，距离小于0.8×10-15m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。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。
要真正了解核子间的相互作用还要考虑核子的组成物—夸克的相互作用。
2、四种相互作用
(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。
课堂练习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
二、结合能
思考讨论：如图氦原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，需要吸收能量。反过来，4个核子结合成氦原子核要放出能量。
思考：那么，把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系?
由于核子间存在着强大的核力，所以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．
可见，当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量．这个能量叫做原子核的结合能．
思考：结合能是原子核具有的能量吗？
结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量。
比结合能：结合能与核子数之比，称做为比结合能。也叫平均结合能。
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。
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。
课堂练习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
三、质量亏损
1、质量亏损：
原子分解为核子时，质量增加；核子结合成原子核时，质量减少。原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，叫做质量亏损。
核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，正表明它们在互相结合过程中放出了能量
ΔE=Δm·c2
爱因斯坦质能方程 E=mc2
式中c是真空中的光速，m是物体的质量，E是物体的能量。
例题：已知中子的质量mn为1.6749x10-27 kg,质子的质量mp为1.6726 x10-27 kg,氘核的质量mD为3.343 6x 10-27 kg，求氘核的比结合能。
解：单个的质子 与中子的质量之和为
这个数值与氘核质量之差
与这个质量差相对应的能量为
在核物理中，能量单位常常使用电子伏特(eV),即
所以，氘核的结合能是
氘核的比结合能为
2、有关问题的理解和注意事项
第一、 核反应过程中:
核子结合成原子核时，新核质量小于核子的质量(质量亏损)，同时以光子形式释放核能；原子核分解为核子时，需要吸收一定能量，核子的总质量大于原原子核的质量。
第二、 核反应过程中，质量亏损时，核子个数不亏损(即质量数守恒)，可理解为组成原子核后，核内每个核子仿佛“瘦了”一些。
第三、质量亏损并非质量消失，而是减少的质量m以能量形式辐射(动质量，因此质量守恒定律不被破坏。
第四、公式ΔE=Δm·c2的单位问题
国际单位:m用“kg” C用“m/s” ΔE用“J”
常用单位: m用“u(原子质量单位)”
1u=1.660566×10-27kg
ΔE用“uc2” 1uc2=931MeV
(表示1u 的质量变化相当于931Me V的能量改变)
课堂练习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)
思考问题，并给出答案。
明确核力的特点和四种相互作用的特点。
完成课堂练习。
完成思考题。
理解结合能的概念。
学习结合能和比结合能的特点。
完成课堂练习。
学习质量亏损的概念。
完成例题。
理解质量亏损不表示质量减少。
完成课堂练习。
思考的形式，让学生明确核力的特点。
通过练习加强学生对核力特点、四种相互作用的特点的理解。
让学生从能量守恒的角度思考问题，培养学生正确的思考物理问题的方式。
学生完成思考题，通过与同学之间的讨论，让学生能正确理解结合能的概念。
结合能和比结合能的概念较为抽象，通过阐述比结合能和原子核稳定之间的关系，让学生能更好的理解记忆。
展示标准的解题过程，在平时规范学生的解题步骤。
通过练习，巩固基础知识。
拓展提高
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
完成拓展提高。
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课堂小结
一、核力
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三、质量亏损 质能方程E=mc2
总结本节课所学习知识。
帮助学生梳理基础知识，形成知识框架。
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