高中物理 第19章 原子核 7 核聚變 8 粒子和宇宙學業(yè)分層測評 新人教選修3-5

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7 核聚變 8 粒子和宇宙 (建議用時：45分鐘) [學業(yè)達標] 1．關于人們發(fā)現(xiàn)的新粒子，下列說法正確的是 (　　) A．許多粒子都有自己的反粒子 B．把粒子分為強子、輕子、媒介子，根據(jù)是粒子與各種相互作用的關系 C．質子屬于強子 D．光子屬于輕子 E．τ子的質量比核子的質量大，因此它屬于強子 【解析】　根據(jù)粒子的分類、粒子與反粒子描述知A、B、C正確；光子屬媒介子，τ子屬于輕子． 【答案】　ABC 2．下列說法正確的是 (　　) A．聚變是裂變的逆反應 B．核聚變反應須將反應物加熱到數(shù)百萬開爾文以上的高溫，反應時放出能量 C．輕核聚變比裂變更為安全、清潔 D．強子是參與強相互作用的粒子，中子是最早發(fā)現(xiàn)的強子 E．媒介子是傳遞各種相互作用的粒子，膠子傳遞強相互作用 【解析】　聚變和裂變的反應物和生成物完全不同，兩者無直接關系，并非互為逆反應，故A錯；實現(xiàn)聚變反應必須使參加反應的輕核充分接近，需要數(shù)百萬開爾文的高溫，但聚變反應一旦實現(xiàn)，所釋放的能量遠大于所吸收的能量，所以聚變反應還是釋放能量，故B正確；實現(xiàn)聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應就自動終止了，另外，聚變反應比裂變反應生成的廢物數(shù)量少，容易處理，故C對；質子是最早發(fā)現(xiàn)的強子，故D錯．根據(jù)粒子相互作用的關系知E是正確的． 【答案】　BCE 3．重核裂變和輕核聚變是人們獲得核能的兩個途徑，下列說法中正確的是 (　　) A．裂變過程質量增加 B．裂變過程質量虧損 C．裂變過程和聚變過程都有質量增加 D．聚變過程有質量虧損 E．兩種核反應都釋放出巨大的能量 【解析】　重核裂變和輕核聚變都能釋放巨大的能量，由愛因斯坦質能方程知兩過程均會有質量虧損． 【答案】　BDE 4．下列所述正確的是(　　) A．強子是參與強相互作用的粒子 B．輕子是不參與強相互作用的粒子 C．目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有8種 D．夸克有6種，它們帶的電荷量分別為元電荷的＋或－ E．光子是傳遞弱相互作用的粒子 【解析】　由三類粒子的特性可知A、B正確E錯誤；而目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有6種，C錯誤；夸克模型經過幾十年的發(fā)展，已知夸克有6種，它們帶的電荷分別為元電荷的＋或－，D正確． 【答案】　ABD 5．關于核聚變，以下說法正確的是(　　) A．與裂變相比輕核聚變輻射極少，更為安全、清潔 B．世界上已經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，必須使它們的距離達到10－15 m以內，核力才能起作用 D．地球聚變燃料的儲量十分豐富，從海水中可以提煉出大量核聚變所需的氘核 E．核聚變比核裂變更易控制 【解析】　與裂變相比，核聚變有下面的幾個優(yōu)勢：(1)安全、清潔、輻射少；(2)核燃料儲量多；(3)核廢料易處理．但核聚變不易控制其發(fā)電還沒有投入實際運行，所以B、E項是不正確的． 【答案】　ACD 6．如圖1971所示，托卡馬克(Tokamak) 是研究受控核聚變的一種裝置，這個詞是toroidal(環(huán)形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的頭兩個字母以及katushka(線圈)的第一個字母組成的縮寫詞．根據(jù)以上信息，下述判斷中可能正確的是(　　) 圖1971 A．這種裝置的核反應原理是輕核的聚變，同時釋放出大量的能量，和太陽發(fā)光的原理類似 B．線圈的作用是通電產生磁場使帶電粒子在磁場中旋轉而不溢出 C．這種裝置同我國秦山、大亞灣核電站所使用核裝置的核反應原理相同 D．這種裝置可以控制熱核反應速度，使聚變能緩慢而穩(wěn)定地進行 E．這種裝置是利用電場來約束帶電粒子的 【解析】　聚變反應原料在裝置中發(fā)生聚變，放出能量，故A正確；線圈通電時產生磁場，帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用不飛出，故B正確，E錯誤；核電站的原理是裂變，托卡馬克的原理是聚變，故C錯誤；該裝置使人們可以在實驗中控制反應速度，平穩(wěn)釋放核能，故D正確． 【答案】　ABD 7．“反物質”是由“反粒子”構成的，“反粒子”與其對應的正粒子具有相同的質量和相同的電荷量，但電荷符號相反，則反氫原子是由1個帶負電荷的________和1個帶正電荷的________構成． 【解析】　根據(jù)反粒子定義，“反粒子”與“正粒子”具有相同質量，但帶有等量的異種電荷．因此反氫原子是由H核和e構成的． 【答案】　反質子　正電子 8．如下一系列核反應是恒星內部發(fā)生的． p＋1C―→1N　　　 1N―→1C＋e＋＋ν p＋1C―→1N p＋1N―→1O 1O―→1N＋e＋＋ν p＋1N―→1C＋α 其中p為質子，α為α粒子，e＋為正電子，ν為一種中微子．已知質子的質量為mp＝1.672 64810－27 kg，α粒子的質量為mα＝6.644 92910－27 kg，正電子的質量為me＝9.1110－31kg，中微子的質量可忽略不計．真空中的光速c＝3.00108 m/s，試計算該系列反應完成后釋放的能量． 【解析】　為求出系列反應后釋放的能量，將題中所給的諸核反應方程左右兩側分別相加，消去兩側相同的項，系列反應最終等效為 4p―→α＋2e＋＋2ν 設反應后釋放的能量為Q，根據(jù)質能關系和能量守恒得 4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q 代入數(shù)值可得 Q＝3.9510－12 J. 【答案】　3.9510－12 J [能力提升] 9．我國最新一代核聚變裝置“EAST”在安徽合肥首次放電，顯示了EAST裝置具有良好的整體性能，使等離子體約束時間達1 000 s，溫度超過1億攝氏度，這標志著我國磁約束核聚變研究進入國際先進水平．合肥也成為世界上第一個建成此類全超導非圓截面核聚變實驗裝置并能實際運行的地方．核聚變的主要原料是氘，在海水中含量極其豐富．已知氘核的質量為m1，中子的質量為m2，He的質量為m3，質子的質量為m4，則下列說法中正確的是 (　　) A．兩個氘核聚變成一個He所產生的另一個粒子是質子 B．兩個氘核聚變成一個He所產生的另一個粒子是中子 C．兩個氘核聚變成一個He所釋放的核能為(2m1－m3－m4)c2 D．兩個氘核聚變成一個He所釋放的核能為(2m1－m3－m2)c2 E．與受控核聚變比較，現(xiàn)行的核反應堆產生的廢物具有放射性 【解析】　由核反應方程2H→He＋X知X應為中子，釋放的核能應為ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚變反應的污染非常小，而現(xiàn)行的裂變反應的廢料具有很強的放射性，故A、C錯誤，B、D、E正確． 【答案】　BDE 10．K－介子衰變的方程為K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子所帶負電的電荷量為元電荷，π0介子不帶電．如圖1981所示的1個K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產生的π－介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點相切，它的半徑R與R之比為2∶1，π0介子的軌跡未畫出，由此可知，π－的動量大小與π0的動量大小之比為________． 圖1981 【解析】　根據(jù)洛倫茲力提供向心力知，qvB＝mv2/R，故有p＝mv＝qBR，所以K－與π－的動量大小之比為2∶1，規(guī)定K－的方向為正方向，由動量守恒定律得：p＝－pπ－＋pπ0，所以pπ0＝3pπ－. 【答案】　1∶3 11．已知氘核質量為2.013 6 u，中子質量為1.008 7 u，He核的質量為3.015 0 u．兩個速率相等的氘核對心碰撞聚變成He并放出一個中子，釋放的核能全部轉化為機械能．(質量虧損為1 u時，釋放的能量為931.5 MeV.除了計算質量虧損外，He的質量可以認為是中子的3倍) (1)寫出該核反應的反應方程式． (2)該核反應釋放的核能是多少？ (3)若測得反應后生成中子的動能是3.12 MeV，則反 應前每個氘核的動能是多少MeV? 【導學號：66390059】 【解析】　(1)核反應方程為：H＋H→He＋n (2)質量虧損為：Δm＝2.013 62 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，釋放的核能為： ΔE＝Δmc2＝0.003 5931.5 MeV＝3.26 MeV (3)設中子和He核的質量分別為m1、m2，速度分別為v1、v2.反應前每個氘核的動能是E0，反應后中子和He核動能分別為E1、E2，根據(jù)動量守恒定律，得m1v1－m2v2＝0，＝∶＝＝3，E2＝＝1.04 MeV 由能量的轉化和守恒定律，得 E1＋E2＝2E0＋ΔE，E0＝0.45 MeV. 【答案】　(1)H＋H→He＋n (2)3.26 MeV　(3)0.45 MeV 12．有一種聚變反應是四個氫核聚變成一個氦核，同時放出兩個正電子．求： (1)該聚變反應釋放多少能量？ (2)若1 g氫完全聚變，能釋放多少能量？ (3)1 g氫完全聚變，釋放的能量相當于多少煤完全燃燒放出的熱能？(已知煤的熱值q＝3.36107 J/kg，氫核質量為1.008 142 u，氦核質量為4.001 509 u，電子的質量為0.000 549 u) 【導學號：66390060】 【解析】　(1)核反應方程為：4H―→He＋2e，所以Δm＝4mH－mHe－2me＝41.008 142 u－4.001 509 u－20.000 549 u＝0.029 961 u ΔE＝0.029 961931.5 MeV＝27.91 MeV＝4.4710－12 J. (2)1 g氫完全聚變釋放的能量為 E＝6.0210234.4710－12 J＝6.731011 J (3)相當于煤完全燃燒的質量為： m＝ kg＝2.00104 kg. 【答案】　(1)4.4710－12 J　(2)6.731011 J (3)2.00104 kg