2024-2025學(xué)年高中物理第十九章原子核78核聚變粒子和宇宙課后作業(yè)含解析新人教版選修3-5

PAGEPAGE4核聚變粒子和宇宙時間：45分鐘一、選擇題(1～6題為單選，7～10題為多選)1．關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是(B)A．一次聚變反應(yīng)肯定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多B．聚變反應(yīng)每個核子釋放的平均能量肯定比裂變反應(yīng)大C．聚變反應(yīng)中粒子的比結(jié)合能變小D．聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量增大解析：在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不肯定比裂變反應(yīng)多，故A錯誤；由于聚變反應(yīng)中釋放出巨大的能量，則比結(jié)合能肯定增加，質(zhì)量發(fā)生虧損，故C、D錯誤．2．目前普遍認為，質(zhì)子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成的．u夸克帶電荷量為eq\f(2,3)e，d夸克的帶電荷量為－eq\f(1,3)e，e為元電荷，下列說法中可能正確的是(B)A．質(zhì)子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成B．質(zhì)子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成C．質(zhì)子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由2個u夸克和1個d夸克組成D．質(zhì)子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由2個u夸克和1個d夸克組成解析：質(zhì)子eq\o\al(1,1)H帶電荷量為2×eq\f(2,3)e＋(－eq\f(1,3)e)＝e，中子eq\o\al(1,0)n帶電荷量為eq\f(2,3)e＋2×(－eq\f(1,3)e)＝0.可見B正確．3．當兩個中子和兩個質(zhì)子結(jié)合成一個α粒子時，放出28.30MeV的能量，當三個α粒子結(jié)合成一個碳(C)核時，放出7.26MeV的能量，則當6個中子和6個質(zhì)子結(jié)合成一個碳(C)核時，釋放的能量約為(D)A．21.04MeV B．35.56MeVC．77.64MeV D．92.16MeV解析：6個中子和6個質(zhì)子可結(jié)合成3個α粒子，放出能量3×28.30MeV＝84.90MeV，3個α粒子再結(jié)合成一個碳核，放出7.26MeV能量，故6個中子和6個質(zhì)子結(jié)合成一個碳核時，釋放能量為84.90MeV＋7.26MeV＝92.16MeV.4．正電子是電子的反粒子，它跟一般電子的電荷量相等，而電性相反，科學(xué)家設(shè)想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)——反物質(zhì).1997年年初和年底，歐洲和美國的科學(xué)探討機構(gòu)先后宣布，他們分別制造出9個和7個反氫原子，這是人類探究反物質(zhì)的一大進步，你推想反氫原子的結(jié)構(gòu)是(B)A．由一個帶正電荷的質(zhì)子與一個帶負電荷的電子構(gòu)成B．由一個帶負電荷的質(zhì)子與一個帶正電荷的電子構(gòu)成C．由一個不帶電的中子與一個帶負電荷的電子構(gòu)成D．由一個帶負電荷的質(zhì)子與一個帶負電荷的電子構(gòu)成解析：依據(jù)反物質(zhì)的定義可推斷B正確．5．“軌道電子俘獲”也是放射性同位素衰變的一種形式，它是指原子核(稱為母核)俘獲一個核外電子，其內(nèi)部一個質(zhì)子變?yōu)橹凶?，從而變成一個新核(稱為子核)，并且放出一個中微子的過程，中微子的質(zhì)量微小，不帶電，很難被探測到，人們最早是通過子核的反沖而間接證明中微子的存在的．關(guān)于一個靜止的母核發(fā)生“軌道電子俘獲”，衰變?yōu)樽雍瞬⒎懦鲋形⒆樱旅娴恼f法中正確的是(C)A．子核的動量與中微子的動量相同B．母核的電荷數(shù)小于子核的電荷數(shù)C．母核的質(zhì)量數(shù)等于子核的質(zhì)量數(shù)D．子核的動能大于中微子的動能解析：原子核(稱為母核)俘獲電子的過程中動量守恒，初狀態(tài)系統(tǒng)的總動量為0，則子核的動量和中微子的動量大小相等，方向相反，故A錯誤；原子核(稱為母核)俘獲一個核外電子(使其內(nèi)部的一個質(zhì)子變?yōu)橹凶樱⒎懦鲆粋€中微子，從而變成一個新核(稱為子核)的過程，電荷數(shù)少1，質(zhì)量數(shù)不變，故B錯誤，C正確．子核的動量大小和中微子的動量大小相等，由于中微子的質(zhì)量很小，依據(jù)Ek＝eq\f(p2,2m)知，中微子的動能大于子核的動能，故D錯誤．6．一個氘核和一個氚核經(jīng)過核反應(yīng)后生成氦核和中子，同時放出一個γ光子．已知氘核、氚核、中子、氦核的質(zhì)量分別為m1、m2、m3、m4，普朗克常量為h，真空中的光速為c.下列說法正確的是(D)A．這個核反應(yīng)是裂變反應(yīng)B．這個反應(yīng)的核反應(yīng)方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(1,0)n＋γC．輻射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2D．輻射出的γ光子在真空中的波長λ＝eq\f(h,m1＋m2－m3－m4c)解析：一個氘核和一個氚核經(jīng)過核反應(yīng)后生成一個氦核和一個中子，這是核聚變反應(yīng)，A、B選項錯誤．核反應(yīng)的質(zhì)量虧損Δm＝m1＋m2－m3－m4，輻射出的γ光子的能量E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，C選項錯誤．γ光子在真空中的頻率ν＝eq\f(E,h)，波長λ＝eq\f(c,ν)＝eq\f(ch,E)＝eq\f(ch,m1＋m2－m3－m4c2)＝eq\f(h,m1＋m2－m3－m4c)，D選項正確．7．月球土壤里大量存在著一種叫做“氦3(eq\o\al(3,2)He)”的化學(xué)元素，是熱核聚變的重要原料，科學(xué)家初步估計月球上至少有100萬噸氦3，假如相關(guān)技術(shù)開發(fā)勝利，將為地球帶來取之不盡的能源．關(guān)于“氦3(eq\o\al(3,2)He)”與氘核聚變，下列說法中正確的是(AD)A．核反應(yīng)方程為eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,1)HB．核反應(yīng)生成物的質(zhì)量將大于參與反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量C．氦3(eq\o\al(3,2)He)一個核子的結(jié)合能大于氦4(eq\o\al(4,2)He)一個核子的結(jié)合能D．氦3(eq\o\al(3,2)He)的原子核與一個氘核發(fā)生聚變將放出能量解析：氦3(eq\o\al(3,2)He)與氘核聚變的核反應(yīng)符合質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒，且聚變是放能反應(yīng)，有質(zhì)量虧損，新核的結(jié)合能大，故選A、D.8．關(guān)于核聚變，以下說法正確的是(ACD)A．與裂變相比輕核聚變輻射極少，更為平安、清潔B．世界上已經(jīng)有利用核聚變能來發(fā)電的核電站C．要使輕核發(fā)生聚變，必需使它們的距離達到10－15m以內(nèi)，核力才能起作用D．地球聚變?nèi)剂系膬α糠浅ＸS富，從海水中可以提煉出大量核聚變所需的氘核解析：與裂變相比，核聚變有下面的幾個優(yōu)勢：(1)平安、清潔、輻射少；(2)核燃料儲量多；(3)核廢料易處理，但核聚變不易限制其發(fā)電，還沒有投入實際運行，所以B項是不正確的．9．下列說法正確的是(BC)A．聚變是裂變的逆反應(yīng)B．核聚變反應(yīng)須將反應(yīng)物加熱到數(shù)百萬開爾文以上的高溫，反應(yīng)時放出能量C．輕核聚變比裂變更為平安、清潔D．強子是參與強相互作用的粒子，中子是最早發(fā)覺的強子解析：聚變和裂變的反應(yīng)物和生成物完全不同，兩者無干脆關(guān)系，并非互為逆反應(yīng)，故A錯；實現(xiàn)聚變反應(yīng)必需使參與反應(yīng)的輕核充分接近，須要數(shù)百萬開爾文的高溫，但聚變反應(yīng)一旦實現(xiàn)，所釋放的能量遠大于所汲取的能量，所以聚變反應(yīng)還是釋放能量，故B正確；實現(xiàn)聚變須要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應(yīng)就自動終止了，另外，聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)生成的廢物數(shù)量少，簡單處理，故C對；質(zhì)子是最早發(fā)覺的強子，故D錯．10．下列說法正確的是(ADE)A．氫原子從第一激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷只能輻射特定頻率的光子B．若使放射性物質(zhì)的溫度上升，其半衰期可能變小C．Th核發(fā)生一次α衰變時，新核與原來的原子核相比，中子數(shù)削減了4D．α粒子散射試驗?zāi)芙沂驹泳哂泻耸浇Y(jié)構(gòu)E．太陽輻射的能量主要來自太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)解析：依據(jù)hν＝E1－E2可知，氫原子從第一激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷只能輻射特定頻率的光子，A正確；放射性物質(zhì)的半衰期與元素所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)，溫度上升，其半衰期不變，B錯誤；Th核發(fā)生一次α衰變時，即放出一個α粒子時，新核與原來的原子核相比，中子數(shù)削減了2，C錯誤；盧瑟福通過α粒子散射試驗提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，D正確；太陽輻射的能量主要來自太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)，即輕核聚變，E正確．二、非選擇題11．已知氘核質(zhì)量為2.0136u，中子質(zhì)量為1.0087u，eq\o\al(3,2)He核的質(zhì)量為3.0150u．兩個速率相等的氘核對心碰撞聚變成eq\o\al(3,2)He并放出一個中子，釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機械能．(質(zhì)量虧損為1u時，釋放的能量為931.5MeV.除了計算質(zhì)量虧損外，eq\o\al(3,2)He的質(zhì)量可以認為是中子的3倍)(1)寫出該核反應(yīng)的反應(yīng)方程式．(2)該核反應(yīng)釋放的核能是多少？(3)若測得反應(yīng)后生成中子的動能是3.12MeV，則反應(yīng)前每個氘核的動能是多少？答案：(1)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)3.26MeV(3)0.45MeV解析：(1)核反應(yīng)方程為：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)質(zhì)量虧損為：Δm＝2.0136×2u－(3.0150u＋1.0087u)＝0.0035u，釋放的核能為：ΔE＝Δmc2＝0.0035×931.5MeV≈3.26MeV(3)設(shè)中子和eq\o\al(3,2)He核的質(zhì)量分別為m1、m2，速度分別為v1、v2.反應(yīng)前每個氘核的動能是E0，反應(yīng)后中子和eq\o\al(3,2)He核動能分別為E1、E2，依據(jù)動量守恒定律，得m1v1－m2v2＝0，eq\f(E1,E2)＝eq\f(p2,2m1)∶eq\f(p2,2m2)＝eq\f(m2,m1)＝3，E2＝eq\f(E1,3)＝1.04MeV由能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，得E1＋E2＝2E0＋ΔE，E0＝0.45MeV.12．天文觀測表明，幾乎全部遠處的恒星(或星系)都在以各自的速度背離我們而運動，離我們越遠的星體，背離我們運動的速度(稱為退行速度)越大；也就是說，宇宙在膨脹．不同星體的退行速度v和它們離我們的距離r成正比，即v＝Hr.式中H為一常量，稱為哈勃常數(shù)，已由天文視察測定．為說明上述現(xiàn)象，有人提出一種理論，認為宇宙是從一個大爆炸的火球起先形成的．假定大爆炸后各星體以不同的速度向外勻速運動，并設(shè)想我們就位于其中心，則速度越大的星體現(xiàn)在離我們越遠．這一結(jié)果與上述天文觀測一樣．由上述理論和天文觀測結(jié)果可估算宇宙年齡T，其計算式如何表達？依據(jù)觀測，哈勃常數(shù)H＝3×10－2m/s·光年，其