2024-2025學年高中物理第十九章原子核第七節(jié)核聚變第八節(jié)粒子和宇宙課時作業(yè)含解析新人教版選修3-5

PAGE5-第八節(jié)粒子和宇宙基礎夯實一、選擇題(1～3題為單選題，4、5題為多選題)1．國家國防科技工業(yè)局首次發(fā)布“嫦娥三號”月面虹灣局部影像圖，如圖所示。科學家發(fā)覺在月球上含有豐富的eq\o\al(3,2)He(氦3)。它是一種高效、清潔、平安的核聚變?nèi)剂希鋮⒓拥囊环N核聚變反應的方程式為eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(3,2)He→2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(4,2)He。關于eq\o\al(3,2)He聚變下列表述正確的是(B)A．聚變反應不會釋放能量B．聚變反應產(chǎn)生了新的原子核C．聚變反應沒有質量虧損D．目前核電站都采納eq\o\al(3,2)He聚變反應發(fā)電解析：聚變反應是將質量較小的輕核聚變成質量較大的核，聚變過程會有質量虧損，要放出大量的能量。但目前核電站都采納鈾核的裂變反應。綜上所述，選項B正確。2．2010年3月31日歐洲大型強子對撞機實現(xiàn)首次質子束對撞勝利?？茖W家希望以接近光速飛行的質子在發(fā)生撞擊之后，能模擬宇宙大爆炸的能量，并產(chǎn)生新的粒子，幫助人類理解暗物質、反物質以及其他超對稱現(xiàn)象，從根本上加深了解宇宙本質，揭示宇宙形成之謎。歐洲科研機構宣布他們已經(jīng)制造出9個反氫原子。請推想反氫原子的結構是(B)A．由1個帶正電荷的質子和1個帶負電荷的電子構成B．由1個帶負電荷的反質子和1個帶正電荷的正電子構成C．由1個帶負電荷的反質子和1個帶負電荷的電子構成D．由1個不帶電荷的中子和1個帶正電荷的正電子構成解析：依據(jù)反粒子定義，“反粒子”與“正粒子”具有相同的質量，但帶有等量的異性電荷。因此“反氫原子”應當具有與氫原子相同的質量，相反的電荷符號且等量的電荷量。所以反氫原子是由eq\o\al(1,－1)H核和eq\o\al(0,1)e構成的。3．2002年，美國《科學》雜志評出的《2001年世界十大科技突破》中，有一次是加拿大薩德伯里中微子觀測站的結果，該站揭示了中微子失蹤的部分中微子在運動過程中轉化為一個μ子和一個τ子。在上述探討中有以下說法，正確的是(B)①若發(fā)覺μ子和中微子的運動方向一樣，則τ子的運動方向與中微子的運動方向肯定相反②若發(fā)覺μ子和中微子的運動方向一樣，則τ子的運動方向與中微子的運動方向可能一樣③若發(fā)覺μ子和中微子的運動方向相反，則τ子的運動方向與中微子的運動方向肯定一樣④若發(fā)覺μ子和中微子的運動方向相反，則τ子的運動方向與中微子的運動方向可能相反A．①③ B．②③C．③④ D．①②解析：中微子在轉化為μ子和τ子的前后過程中滿意動量守恒定律。4．(2024·吉林省試驗中學高二下學期期中)關于聚變和裂變，以下說法正確的是(BD)A．聚變反應的條件是聚變物質的體積達到臨界體積B．太陽不斷地向外輻射能量，仍保持1000萬度以上的高溫，其主要緣由是太陽內(nèi)部進行著猛烈的熱核反應C．鈾核裂變時肯定同時放出3個中子D．為了使裂變的鏈式反應簡單進行，最好用純鈾235解析：裂變反應的條件是裂變物質的體積達到臨界體積，選項A錯誤；太陽不斷地向外輻射能量，仍保持1千萬度以上的高溫，其主要緣由是太陽內(nèi)部進行著猛烈的熱核反應，選項B正確；重核裂變時用中子轟擊重核，產(chǎn)生多個中子，中子又會撞擊重核，產(chǎn)生更多的中子，使裂變不斷進行下去，這就是鏈式反應，鈾核裂變時能同時釋放2～3個中子，故C錯誤；鈾235越純，越簡單發(fā)生鏈式反應，故D正確。5．(2024·安徽省明光中學高二下學期期中)已知氘核的比結合能是1.09MeV，氚核的比結合能是2.78MeV，氦核的比結合能是7.03MeV。某次核反應中，1個氘核和1個氚核結合生成1個氦核，則下列說法中正確的是(BC)A．這是一個裂變反應B．核反應方程式為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nC．核反應過程中釋放的核能是17.6MeVD．目前核電站都采納上述核反應發(fā)電解析：1個氘核和1個氚核結合生成1個氦核，這是兩個比較輕的核轉化成中等質量的核，所以屬于聚變反應，A錯誤；依據(jù)質量數(shù)和質子數(shù)守恒，可以知道當1個氘核和1個氚核結合生成1個氦核時會有一個中子生成，B正確；原子核的結合能與核子數(shù)之比，稱做比結合能。依據(jù)題意可知，核反應過程中釋放的核能是ΔE＝(7.03×4－2.78×3－1.09×2)MeV＝17.6MeV，C正確；目前核電站都是采納核裂變技術，D錯誤。二、非選擇題6．科學探討發(fā)覺太陽發(fā)光是由于其內(nèi)部不斷發(fā)生從氫核到氦核的核聚變反應，即在太陽內(nèi)部4個氫核(eq\o\al(1,1)H)轉化成一個氦核(eq\o\al(4,2)He)和兩個正電子(eq\o\al(0,1)e)并放出能量，已知質子質量mp＝1.0073u，α粒子的質量mα＝4.0015u，正電子的質量me＝0.0005u,1u質量相當于931MeV的能量。寫出該熱核反應方程__4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e__；一次這樣的熱核反應過程中釋放出__24.86__MeV的能量。(結果保留四位有效數(shù)字)。解析：Δm＝4mp－mα－2me＝4×1.0073u－4.0015u－2×0.0005u＝0.0267uΔE＝Δmc2＝0.0267u×931MeV＝24.86MeV7．太陽的能量來自氫核聚變：即四個質子(氫核)聚變一個α粒子，同時放射兩個正電子和兩個沒有靜止質量的中微子。假如太陽輻射能量的功率為P，質子eq\o\al(1,1)H、氦核eq\o\al(4,2)He、正電子eq\o\al(0,1)e的質量分別為mP、ma、me，真空的光速為c，則(1)寫出上述核反應方程式；(2)計算每一次聚變所釋放的能量ΔE；(3)計算t時間內(nèi)因聚變生成的α粒子數(shù)n。答案：(1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e(2)ΔE＝(4mP－ma－me)c2(3)eq\f(Pt,4mp－ma－2mec2)解析：(1)核反應方程式為：4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e；(2)核反應過程中的質量虧損Δm＝(4mP－ma－me)，依據(jù)愛因斯坦質能方程：ΔE＝Δmc2可知，核反應釋放的能量，ΔE＝(4mP－ma－me)c2。(3)設t時間內(nèi)因聚變生成的α粒子數(shù)為n，依據(jù)能量關系Pt＝nΔE有，n＝eq\f(Pt,ΔE)＝eq\f(Pt,4mp－ma－2mec2)實力提升一、選擇題(1～3題為單選題，4題為多選題)1．(2024·北京市房山區(qū)高三上學期期末)我國自行研制了可控熱核反應試驗裝置“超導托卡馬克”(英文名稱：EAST，稱“人造太陽”)。設可控熱核試驗反應前氘核(eq\o\al(2,1)H)的質量為m1，氚核(eq\o\al(3,1)H)的質量為m2，反應后氦核(eq\o\al(4,2)He)的質量為m3，中子(eq\o\al(1,0)n)的質量為m4，已知光速為c。下列說法中正確的是(A)A．核反應放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2B．由核反應過程質量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C．這種熱核試驗反應是α衰變D．這種裝置與我國大亞灣核電站所運用核裝置的核反應原理相同解析：核反應過程中的質量虧損Δm＝m1＋m2－m3－m4，釋放的核能ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故A正確；核反應過程中質量數(shù)守恒，但質量不守恒，核反應過程中存在質量虧損，因此m1＋m2≠m3＋m4，故B錯誤；這種裝置的核反應是核聚變，我國大亞灣核電站所運用核裝置是核裂變，它們的核反應原理不相同，故CD錯誤。2．一個質子和一個中子聚變結合成一個氘核，同時輻射一個γ光子。已知質子、中子、氘核的質量分別為m1、m2、m3，普朗克常量為h，真空中的光速為c。下列說法正確的是(B)A．核反應方程是eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H＋γB．聚變反應中的質量虧損Δm＝m1＋m2－m3C．輻射出的γ光子的能量E＝(m3－m1－m2)c2D．γ光子的波長λ＝eq\f(h,m1＋m2－m3c2)解析：eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ，選項A錯誤；由題可知，該反應的質量虧損為Δm＝m1＋m2－m3，選項B正確；依據(jù)愛因斯坦的質能方程E＝mc2得，該反應輻射出的γ光子的能量為E＝(m1＋m2－m3)c2，選項C錯誤；由E＝hν＝heq\f(c,λ)得，λ＝eq\f(h,m1＋m2－m3c)，選項D錯誤。3．“軌道電子俘獲”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，使其內(nèi)部的一個質子變?yōu)橹凶?，并放出一個中微子，從而變成一個新核(稱為子核)的過程。中微子的質量遠小于質子的質量，且不帶電，很難被探測到，人們最早就是通過核的反沖而間接證明中微子的存在的。一個靜止的原子核發(fā)生“軌道電子俘獲”，衰變?yōu)樽雍瞬⒎懦鲋形⒆?，下列說法正確的是(B)A．母核的質量數(shù)小于子核的質量數(shù)B．母核的電荷數(shù)大于子核的電荷數(shù)C．子核的動量與中微子的動量相同D．子核的動能大于中微子的動能解析：原子核(稱為母核)俘獲一個核外電子，使其內(nèi)部的一個質子變?yōu)橹凶?，并放出一個中微子，從而變成一個新核(稱為子核)的過程。電荷數(shù)少1，質量數(shù)不變，故A錯誤，B正確；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C錯誤；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，故選B。4．K－介子衰變的方程為K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子帶負的元電荷e，π0介子不帶電，π－介子的質量為m。如圖所示，兩勻強磁場方向相同，以虛線MN為志向邊界，磁感應強度分別為B1、B2。今有一個K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場B1中，其軌跡為圓弧AP，P在MN上，K－在P點時的速度為v，方向與MN垂直。在P點該介子發(fā)生了上述衰變。衰變后產(chǎn)生的π－介子沿v反方向射出，其運動軌跡為如圖虛線所示的“心”形圖線。則以下說法正確的是(AD)A．π0介子做勻速直線運動B．π－介子的運行軌跡為PENCMDPC．π－介子運行一周回到P用時為t＝eq\f(2πm,eR1)D．B1＝2B2解析：π0介子不帶電，不受洛倫茲力作用，故做勻速直線運動，A正確；依據(jù)左手定則可知：π－介子從P點沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場B1時，受到的洛倫茲力方向向上，所以π－介子的運行軌跡為PDMCNEP，故B錯誤；π－介子在整個過程中，在勻強磁場B1中運動兩個半圓，即運動一個周期，在勻強磁場B2中運動半個周期，所以T＝eq\f(2πm,B1e)＋eq\f(πm,B2e)，故C錯誤；由圖像可知，π－在勻強磁場B1中運動半徑是勻強磁場B2中運動半徑的一半，依據(jù)r＝eq\f(mv,qB)可知，B1＝2B2，故D正確。二、非選擇題5．如下一系列核反應是在恒星內(nèi)部發(fā)生的。p＋eq\o\al(12,6)C→eq\o\al(13,7)Neq\o\al(13,7)N→eq\o\al(13,6)C＋e＋＋νp＋eq\o\al(13,6)C→eq\o\al(14,7)Np＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(15,8)Oeq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,7)N＋e＋＋νp＋eq\o\al(15,7)N→eq\o\al(12,6)C＋α其中p為質子，α為α粒子，e＋為正電子，ν為中微子，已知質子的質量為mp＝1.67