2020版高中物理 19.7.8 核聚变 粒子和宇宙分层达标训练 新人教版选修3-5

2020版高中物理 19.7.8 核聚变 粒子和宇宙分层达标训练 新人教版选修3-5

‎2020版高中物理 ‎19.7.8‎ 核聚变 粒子和宇宙分层达标训练 新人教版选修3-5 ‎ ‎【课堂训练】‎ ‎1.(2020·广东高考)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一,下列释放核能的反应方程,表述正确的有( )‎ A.是核聚变反应 B.是β衰变 C.是核裂变反应 D.是α衰变 ‎2.下列关于聚变的说法中，正确的是( )‎ A.要使聚变发生，必须克服库仑斥力做功 B.轻核聚变需要几百万度的高温，因此轻核聚变又叫做热核反应 C.原子弹爆炸能产生几百万度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应 D.太阳和许多恒星内部都在进行着剧烈的热核反应 ‎3.(2020·台州高二检测)月球土壤里大量存在着一种叫做“氦3()”的化学元素，是热核聚变的重要原料。科学家初步估计月球上至少有100万吨氦3，如果相关技术研究成功，将为地球带来取之不尽的能源。关于氦3与氘核聚变，下列说法中正确的是( )‎ A.核反应方程为 B.核反应生成物的质量将大于参加反应物质的质量 C.氦3()一个核子的结合能大于氦4()一个核子的结合能 D.氦3()与氘核发生聚变反应将放出能量 ‎4.已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为 2 e/3，下夸克带电为-e/3，e为电子所带电量的大小。如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l=1.5×10‎-15 m。试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力(库仑力)。‎ ‎【课后巩固】‎ ‎1.(2020·丰台高二检测)太阳内部持续不断地发生着热核反应, 质量减少，核反应方程是这个核反应释放出大量核能。已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c。下列说法中正确的是( )‎ A.方程中的X表示中子()‎ B.方程中的X表示电子()‎ C.这个核反应中质量亏损Δm=‎4 m1－m2‎ D.这个核反应中释放的核能ΔE=(‎4 m1－m2－‎2 m3‎)c2‎ ‎2.发生轻核聚变的方法是( )‎ A.用中子轰击 B.保持室温环境，增大压强 C.把参与反应的物质加热到几百万度以上的高温 D.用γ光子照射 ‎3.下列所述正确的是( )‎ A.强子是参与强相互作用的粒子 B.轻子是不参与强相互作用的粒子 C.目前发现的轻子只有8种 D.夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的+或-‎ ‎4.关于粒子，下列说法中正确的是( )‎ A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子 B.强子都是带电的粒子 C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论 D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位 ‎5.根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )‎ A.夸克、轻子、胶子等粒子 B.质子和中子等强子 C.光子、中微子和电子等轻子 D.氢核、氘核、氦核等轻核 ‎6.我国自行研制了可控热核反应装置“超导托卡马克”。设可控热核反应前氘核的质量为m1，氚核的质量为m2，反应后氦核的质量为m3，中子的质量为m4。已知光速为c。下列说法正确的是( )‎ A.这种装置中发生的反应方程式是 B.由核反应过程质量守恒可知m1+m2=m3+m4‎ C.核反应释放的能量为(m1+m2-m3-m4)c2‎ D.这种装置与我国大亚湾核电站所使用的核装置的核反应原理是相同的 ‎7.试求在氢弹中合成‎1 kg的氦时所释放出的能量。氘核的质量为2.014 1 u，氚核的质量为3.016 0 u，氦核的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u。‎ ‎8.(2020·江北区高二检测)两个氘核聚变产生一个中子和氦核(氦的同位素)。已知氘核的质量mD=2.013 60 u,氦核的质量mHe=3.015 0 u，中子的质量mn=‎ ‎1.008 7 u。‎ ‎(1)写出聚变方程并计算两个氘核聚变释放的核能。‎ ‎(2)若反应前两个氘核的动能均为0.35 MeV。它们正面对撞发生聚变，且反应后释放的核能全部转化为动能，则产生的氦核和中子的动能各为多大？‎ 答案解析 ‎【课堂训练】‎ ‎1.【解析】‎ 选A、C。两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应，故A对B错。重核被中子轰击后分裂成二个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，故C对。原子核放出α或β粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变。原子核的衰变的反应物只有一种，故D错。‎ ‎2.【解析】选A、B、C、D。轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10‎-15 m，故必须克服库仑力做功，A正确；要克服核子间作用力做功，必须使反应的原子核有足够大的动能，方法就是将其加热到几百万度的高温，B正确；热核反应必须在几百万度的高温下进行，这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获得，C正确；在太阳和许多恒星内部都存在热核反应，D正确。‎ ‎3.【解析】选A、D。氦3()与氘核聚变的核反应方程符合质量数与电荷数守恒，故A对；聚变是放能反应，故D对；因为聚变反应放出大量的能量，因此核反应生成物的质量将小于参加反应物质的质量，即质量有亏损，故B错；因为较小的核合并成较大的核，核子的结合能都会增加，故C错。‎ ‎4.【解题指南】解答本题可按以下思路分析：‎ ‎(1)明确三个夸克的分布。‎ ‎(2)知道各种夸克的电量。‎ ‎(3)理解夸克之间的静电力符合库仑定律。‎ ‎【解析】质子带+e的电量，故它是由2个上夸克和1个下夸克组成的。按题意，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，如图。上夸克与上夸克之间的静电力代入数值得，Fuu=46 N，为斥力。上夸克与下夸克之间的静电力代入数值得，Fud=23 N，为引力。‎ 答案：上夸克与上夸克之间的静电力为46 N，为斥力，‎ 上夸克与下夸克之间的静电力为23 N，为引力。‎ ‎【课后巩固】‎ ‎1.【解析】‎ 选D。由质量数和电荷数守恒可知X是正电子，A、B错；根据反应前后的质量变化和质能方程知C错，D正确。‎ ‎2.【解析】选C。轻核聚变反应时核子之间距离达到10‎-15 m， 要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，用中子轰击、γ光子照射和保持室温增大压强都达不到，故A、B、D错；当把物质加热到几百万度以上的高温时，一部分原子核具有足够的动能克服库仑斥力撞到一起发生核聚变反应，故C对。‎ ‎3.【解析】选A、B、D。强子是参与强相互作用的粒子，轻子是不参与强相互作用的粒子，故选项A、B正确。强子由夸克组成，夸克有6种，它们的带电荷量分别为或，故选项D正确。目前能发现的轻子只有6种，故选项C错误。‎ ‎4.【解析】选D。由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不再是基本粒子，不同的夸克构成强子，有的强子带电,有的强子不带电，A、B错；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为和，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错，D对。‎ ‎5.【解析】选A。宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由的光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此A正确，B、C、D的产生都在A之后，故B、C、D错。‎ ‎6.【解析】选A、C。由核反应的反应物、生成物及电荷数和质量数守恒可知A正确；质量数守恒不是质量守恒，这一核聚变反应过程要释放大量的能量，有质量亏损，B错误；由质能方程知C正确；大亚湾核电站所使用的核装置是利用核的裂变反应原理，D错。‎ ‎7.【解析】设氢弹壳内装的是氘核和氚核，它们在高温下聚变生成氦核，核聚变方程为一个氘核与一个氚核H发生反应放出的能量：‎ ΔE=Δmc2=(2.014 1+3.016 0-4.002 6-1.008 7)×931.56 MeV=17.51 MeV ‎1 kg氦中所含的原子数目 N=nNA=×6.02×1023个=1.505×1026个 这样合成‎1 kg氦时所放出的总能量 E=NΔE=1.505×1026×17.51 MeV ‎=2.64×1027 MeV 答案：2.64×1027 MeV ‎8.【解析】(1)聚变的核反应方程：核反应过程中的质量亏损为 Δm=2mD-(mHe+mn)=0.003 5u 释放的核能为ΔE=Δmc2=0.003 5 uc2=3.26 MeV ‎(2)对撞过程动量守恒,由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的动量为0，即0=mHevHe+mnvn,反应前后总能量守恒，得 解得EkHe=0.99 MeV,Ekn=2.97 MeV。‎ 答案：(1) 3.26 MeV ‎(2)0.99 MeV 2.97 MeV ‎【总结提升】三种方法求聚变反应中的质量亏损 在核聚变反应中，释放出核能，聚变后的总质量小于聚变前的总质量，即发生了质量的亏损。在计算质量亏损时往往有以下几种情况:‎ ‎(1)最简单的是已知聚变前后各粒子的质量，则质量亏损=反应前总质量-反应后总质量。‎ ‎(2)复杂一些的是已知聚变反应释放的核能，则可根据质能方程求出聚变反应的质量亏损。‎ ‎(3)最复杂的是不告诉聚变释放的核能而仅告诉聚变前各粒子的速度。这时我们可以先利用动量守恒求出反应后粒子的速度，再根据速度求出聚变反应前后的总动能，然后用反应后总动能减去反应前总动能求出聚变反应释放的核能,最后由质能方程求出质量亏损。‎