2019-2020学年高中物理第十九章原子核第78节核聚变粒子和宇宙课时分层训练含解析 人教版选修3-5

2019-2020学年高中物理第十九章原子核第78节核聚变粒子和宇宙课时分层训练含解析 人教版选修3-5

第7节　核聚变 第8节　粒子和宇宙 ‎「基础达标练」‎ ‎1．一颗恒星的寿命取决于它的(　　)‎ A．温度　　　　　　　 B．体积 C．质量 D．颜色 解析：选C　恒星的寿命和它的质量有关，质量越大的恒星寿命越短，这是因为质量越大压力就越大，这种情况下恒星内部的核反应就更加剧烈，故C正确，A、B、D错误．‎ ‎2．恒星的颜色取决于恒星的(　　)‎ A．体积 B．温度 C．质量 D．体积和温度以及它与地球的距离 解析：选B　恒星的表面颜色取决于它的表面温度，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝，B正确，A、C、D错误．‎ ‎3．有关宇宙的理解，下列说法中正确的是(　　)‎ A．质量越大的恒星寿命越长 B．太阳发出的光和热来自于碳、氧等物质的燃烧 C．在天空中呈现暗红色的恒星的温度比呈现白色的恒星的温度高 D．由于光速有限，因此观察遥远的天体就相当于观察宇宙的过去 解析：选D　质量越大的恒星寿命越短，故A错误；太阳发出的光和热来自于在太阳内部进行着的大规模核聚变释放的能量，故B错误；恒星的颜色是由温度决定的，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝．故在天空中呈现暗红色的恒星的温度比呈现白色的恒星的温度低，故C错误；由于光速有限，遥远的天体发出的光线到达我们时，我们看到的是过去的宇宙射线；故因此观察遥远的天体就等于在观察宇宙的过去，故D正确．‎ ‎4．关于天体及其演化，下列说法中正确的是(　　)‎ A．红色的恒星温度最高 B．恒星的寿命随其质量的增大而增大 C．红巨星最终一定会变成中子星 D．超新星爆发后会形成中子星 解析：选D　恒星的颜色是由温度决定的，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝，故A错误；恒星的寿命和它的质量有关，质量越大的恒星寿命越短，故B错误；小质量恒星的演化过程是：原始星云→恒星→红巨星→白矮星，故C错误；超新星爆发后会形成中子星，故D正确．‎ ‎5．科学家发现在月球上含有丰富的 6‎ He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为He＋He→2H＋He，关于He聚变下列表述正确的是(　　)‎ A．聚变反应不会释放能量 B．聚变反应产生了新的原子核 C．聚变反应没有质量亏损 D．目前核电站都采用He聚变反应发电 解析：选B　核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，B正确，A、C错误；目前核裂变是人类利用核能的途径之一．目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电，D错误．‎ ‎6．(多选)下列说法正确的是(　　)‎ A．汤姆孙发现了电子，并提出了原子的枣糕模型 B．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应 C．一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，是因为该束光的强度小 D．将放射性元素掺杂到其他稳定元素中，并降低其温度，该元素的半衰期将增大 解析：选AB　汤姆孙发现了电子，并提出了原子的枣糕模型，故A正确；太阳辐射的能量主要来自太阳内部氢核的聚变，聚变又叫热核反应，故B正确；光照射到某种金属上不能发生光电效应，是因为该束光的频率小于极限频率，故C错误；放射性元素的半衰期是由核内部自身因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系，故D错误．‎ ‎7．我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英文名称：EAST，称“人造太阳”)．设可控热核实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，已知光速为c.下列说法中正确的是(　　)‎ A．核反应放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2‎ B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4‎ C．这种热核实验反应是α衰变 D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同 解析：选A　可控热核反应装置中发生的核反应方程式是H＋H→He＋n，核反应过程中质量数守恒，但质量不守恒，核反应过程中存在质量亏损，因此m1＋m2>m3＋m4，核反应过程中的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3－m4，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故A正确，B错误；这种热核实验反应是核聚变，故C错误；这种装置的核反应是核聚变，我国大亚湾核电站所使用核装置是核裂变，它们的核反应原理不相同，故D错误．‎ ‎8．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)，并释放3.26 MeV的核能，请完成下列问题：‎ ‎(1)写出聚变方程式并计算质量亏损；(已知1 u＝931.5 MeV)‎ ‎(2)若反应前氘核的动能均为Ek0＝0.35‎ 6‎ ‎ MeV，它们正面对撞发生核聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的中子的动能为多大？‎ 解析：(1)根据电荷数守恒、质量数守恒写出核反应方程，2H→He＋n，根据爱因斯坦质能方程可知，ΔE＝Δmc2，即Δm＝＝ u＝0.003 5 u.‎ ‎(2)碰撞过程中，动量守恒，反应前氘核的动能相等，故动量等大反向，0＝mHevHe－mnvn，反应过程中能量守恒，ΔE＋2Ek0＝mHev＋mnv，因为＝，所以＝，解得mHev＝0.99 MeV，mnv＝2.97 MeV.‎ 答案：(1)2H→He＋n　0.003 5 u　(2)2.97 MeV ‎「能力提升练」‎ ‎9．氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为H＋H→He＋x，式中x是某种粒子．已知： H、H、He和粒子x的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u＝931.5 MeV/c2，c是真空中的光速．由上述反应方程和数据可知(　　)‎ A．粒子x是质子 B．该反应释放出的能量约为17.6 MeV C．轻核的聚变反应可以在任何温度下进行 D．自然界不存在热核聚变 解析：选B　由核电荷数守恒可知，x粒子的核电荷数为1＋1－2＝0，由质量数守恒可知，x粒子的质量数为2＋3－4＝1，则x粒子是n，即为中子，故A错误；核反应过程中释放的能量为E＝Δmc2＝17.6 MeV，故B正确；只有将原子核加热到很高的温度，达到几百万摄氏度以上的高温时，聚变才会发生，故C错误；在太阳内部进行着热核反应，故D错误．‎ ‎10．(多选)据新华社报道，由我国自行设计和研制的世界第一套全超导核聚变装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是(　　)‎ A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n C．“人造太阳”的核能的计算式是E＝mc2‎ D．“人造太阳”释放能量的计算式是ΔE＝Δmc2‎ 解析：选AD　“人造太阳”是根据核聚变反应制造的，其核反应方程是H＋H→He＋n，故A正确；B中的核反应是重核的裂变，故B错误；根据爱因斯坦质能方程可知，“人造太阳”释放的能量的计算式是ΔE＝Δmc2，故D正确，C错误．‎ 6‎ ‎11．太阳中所发生的“氢聚变”实际上是借助碳、氮、氧的原子核的“催化作用”进行的，其具体反应过程为如图所示的六步循环，这个循环被称之为“碳循环”，太阳能主要就是由这个“碳循环”产生的．请根据图示，判断下列说法中正确的是(　　)‎ A．X粒子是电子 ‎ B．Y粒子是中子 ‎ C．①处所发生的核反应方程为N＋H→O ‎ D．一个“碳循环”的总核反应方程为4H→He＋2e 解析：选C　由质量数守恒、电荷数守恒，可知两个包含了X的核反应方程为O→N＋e、N→C＋e，包含了Y的核反应方程为N＋H→C＋He，故可知X为正电子(e)，Y为氦原子核(He)，故A、B错误；①处所发生的核反应方程为N＋H→O，故C正确；经过一个“碳循环”，碳、氮、氧的原子核都复原，有4个质子H被吸纳，释放出了1个氦原子核(He)和2个正电子(e)，故全过程的总核反应方程为4H→He＋2e，故D错误．‎ ‎12．(多选)由中国提供永磁体的阿尔法磁谱仪如图所示，它于‎2011年5月16日由奋进2号航天飞机携带升空，安装在国际空间站中，主要使命之一是探索宇宙中的反物质．所谓的反物质即质量与正粒子相等，带电荷量与正粒子相等但电性相反．例如反质子即为H，假若使一束质子、反质子、α粒子和反α粒子组成的射线，通过速度选择器沿OO′，进入匀强磁场形成4条径迹，则(　　)‎ A．1、2是反粒子径迹 B．3、4为反粒子径迹 C．2为反α粒子径迹 D．4为反α粒子径迹 解析：选AC　由题图可知，粒子先通过速度选择器沿OO 6‎ ‎′做匀速直线运动(重力忽略不计)．四种粒子速度均大小相等，方向相同，它们进入同一匀强磁场后受到洛伦兹力作用而做匀速圆周运动．又因电性不同而受力方向相反，根据左手定则可判断反粒子刚进入磁场时受洛伦兹力方向向左，则1、2是反粒子的径迹，轨迹半径r＝，因反α粒子的比荷比反质子的比荷小，则反α粒子的轨迹半径比反质子的大，故2为反α粒子的径迹．‎ ‎13．宇宙射线每时每刻都在地球上引起核反应．自然界的‎14C大部分是宇宙射线中的中子轰击“氮‎14”‎产生的，核反应方程式为N＋n→C＋H，若中子的速度为v1＝8×‎106 m/s，反应前“氮‎14”‎的速度认为等于零，反应后生成的‎14C粒子的速度为v2＝2.0×‎105 m/s，其方向与反应前中子的运动方向相同．‎ ‎(1)求反应中生成的另一粒子的速度；‎ ‎(2)假设此反应中放出的能量为0.9 MeV，求质量亏损．‎ 解析：(1)轰击前后系统动量守恒，选中子速度方向为正方向，由动量守恒定律得：m1v1＝m2v2＋m3v3，‎ 解得氢核速度：v3＝5.2×‎106 m/s，方向：与中子原速度方向相同．‎ ‎(2)由爱因斯坦质能方程得：ΔE＝Δmc2，‎ 解得Δm＝1.6×10－‎30 kg.‎ 答案：(1)5.2×‎106 m/s，与中子原速度方向相同 ‎(2)1.6×10－‎‎30 kg ‎14．太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能量来源．(mp＝1.007 3 u，mHe＝4.002 6 u，me＝0.000 55 u)‎ ‎(1)写出这个核反应方程；‎ ‎(2)这一核反应能释放多少能量？‎ ‎(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少？‎ 解析：(1)核反应方程是4H→He＋2e.‎ ‎(2)反应前的总质量为 m1＝4mp＝4×1.007 3 u＝4.029 2u.‎ 反应后的总质量为 m2＝mHe＋2me＝4.002 6 u＋2×0.000 55 u＝4.003 7 u 质量亏损为Δm＝m1－m2＝0.025 5 u 根据爱因斯坦质能方程得释放的能量为 ΔE＝0.025 5×931.5 MeV≈23.75 MeV.‎ ‎(3)根据爱因斯坦质能方程得太阳每秒减少的质量为 Δm′＝＝ kg≈4.2×‎109 kg.‎ 答案：(1)4H→He＋2e　(2)23.75 MeV　(3)4.2×‎‎109 kg 6‎ 6‎