高中物理 第4章 波與粒子 第3節(jié) 核聚變 第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護(hù)學(xué)業(yè)分層測(cè)評(píng) 魯科版選修3-5

《高中物理 第4章 波與粒子 第3節(jié) 核聚變 第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護(hù)學(xué)業(yè)分層測(cè)評(píng) 魯科版選修3-5》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《高中物理 第4章 波與粒子 第3節(jié) 核聚變 第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護(hù)學(xué)業(yè)分層測(cè)評(píng) 魯科版選修3-5（6頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

第3節(jié) 核聚變 第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護(hù) (建議用時(shí)：45分鐘) [學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)] 1．關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多 B．聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)每個(gè)核子釋放的平均能量一定多 C．聚變反應(yīng)中粒子的平均結(jié)合能變大 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)量變多 E．聚變反應(yīng)過(guò)程中釋放核能，故反應(yīng)后質(zhì)量減少 【解析】　在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不一定比裂變反應(yīng)多，但平均每個(gè)核子釋放的能量一定大，故A錯(cuò)誤，B正確；由于聚變反應(yīng)中釋放出巨大能量，則平均結(jié)合能一定增加，質(zhì)量發(fā)生虧損，故C、E正確，D錯(cuò)誤． 【答案】　BCE 2．我國(guó)自行研制了可控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)裝置“超導(dǎo)托卡馬克”(英名稱(chēng)：EAST，俗稱(chēng)“人造太陽(yáng)”)．設(shè)可控?zé)岷藢?shí)驗(yàn)反應(yīng)前氘核(H)的質(zhì)量為m1，氚核(H)的質(zhì)量為m2，反應(yīng)后氦核(He)的質(zhì)量為m3，中子(n)的質(zhì)量為m4，光速為c，正確說(shuō)法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：18850055】 A．這種裝置中發(fā)生的核反應(yīng)方程式是H＋H―→He＋n B．由核反應(yīng)過(guò)程質(zhì)量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4 C．核反應(yīng)放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2 D．這種裝置與我國(guó)大亞灣核電站所使用裝置的核反應(yīng)原理相同 E．可控?zé)岷朔磻?yīng)目前還不能用于核電站實(shí)現(xiàn)發(fā)電 【解析】　核反應(yīng)方程為H＋H―→He＋n，選項(xiàng)A正確；反應(yīng)過(guò)程中向外釋放能量，故質(zhì)量有虧損，且釋放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，選項(xiàng)B錯(cuò)誤，C正確；可控?zé)岷朔磻?yīng)為核聚變，大亞灣核電站所用核裝置反應(yīng)原理為核裂變，可控?zé)岷朔磻?yīng)目前還不能用于核電站實(shí)現(xiàn)發(fā)電，故D錯(cuò)誤，E正確． 【答案】　ACE 3．太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個(gè)質(zhì)子(H)聚變?yōu)?個(gè)氦核(He)的熱核反應(yīng)．核反應(yīng)方程是4H―→He＋2X，這個(gè)核反應(yīng)釋放出大量核能．已知質(zhì)子、氦核、X的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，真空中的光速為c.下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．方程中的X表示中子(n) B．方程中的X表示電子(e) C．這個(gè)核反應(yīng)中質(zhì)量虧損Δm＝4m1－m2 D．這個(gè)核反應(yīng)中釋放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2 E．這個(gè)核反應(yīng)過(guò)程中有兩個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為兩個(gè)中子 【解析】　由質(zhì)量數(shù)守恒和核電荷數(shù)守恒可知，方程中的X表示電子e，A錯(cuò)誤，B正確；這個(gè)核反應(yīng)過(guò)程中，生成物He中含有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，故四個(gè)質(zhì)子中有兩個(gè)轉(zhuǎn)化為中子，同時(shí)放出兩個(gè)正電子，E正確；該反應(yīng)中質(zhì)量虧損Δm＝4m1－m2－2m3，釋放的核能ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，C錯(cuò)誤，D正確． 【答案】　BDE 4．2006年9月28日，我國(guó)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(shí)間達(dá)1 000 s，溫度超過(guò)1億度，這標(biāo)志著我國(guó)磁約束核聚變研究進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平．合肥也成為世界上第一個(gè)建成此類(lèi)全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置并能實(shí)際運(yùn)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(zhì)量為m1，中子的質(zhì)量為m2，He的質(zhì)量為m3，質(zhì)子的質(zhì)量為m4，則下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)He所產(chǎn)生的另一個(gè)粒子是質(zhì)子 B．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)He所產(chǎn)生的另一個(gè)粒子是中子 C．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)He所釋放的核能為(2m1－m3－m4)c2 D．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)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(yīng)堆產(chǎn)生的廢物具有放射性 【解析】　由核反應(yīng)方程2H→He＋X知，X應(yīng)為中子，釋放的核能應(yīng)為ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚變反應(yīng)的污染非常小，而現(xiàn)行的裂變反應(yīng)的廢料具有很強(qiáng)的放射性，故A、C錯(cuò)誤，B、D、E正確． 【答案】　BDE 5．據(jù)新華社報(bào)道，由我國(guó)自行設(shè)計(jì)、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(又稱(chēng)“人造太陽(yáng)”)已完成了首次工程調(diào)試．下列關(guān)于“人造太陽(yáng)”的說(shuō)法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：18850056】 A．“人造太陽(yáng)”的核反應(yīng)方程是H＋H→He＋n B．“人造太陽(yáng)”的核反應(yīng)方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n C．根據(jù)公式E＝mc2可知，核燃料的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多 D．根據(jù)公式E＝mc2可知，核燃料的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量與裂變反應(yīng)相同 E．核燃燒的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量虧損比裂變反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量虧損大得多 【解析】　H＋H→He＋n是氫核聚變方程，故A項(xiàng)正確；根據(jù)氫核聚變特點(diǎn)，相同質(zhì)量的核燃料，氫核聚變釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多，氫核聚變反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量虧損比裂變反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量虧損大得多，C、E正確． 【答案】　ACE 6．(2016青島二中檢測(cè))我國(guó)科學(xué)家研制“兩彈”所涉及的基本核反應(yīng)方程有：(1)U＋n→Sr＋Xe＋kn；(2)H＋H→He＋dn；關(guān)于這兩個(gè)方程，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．方程(1)屬于α衰變 B．方程(1)屬于重核裂變 C．方程(2)屬于輕核聚變 D．方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1 E．方程(1)中k＝1，方程(2)中d＝10 【解析】　方程(1)屬于重核裂變，方程(2)屬于輕核聚變，故A錯(cuò)，B、C對(duì)．據(jù)核反應(yīng)中的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可求出k＝10，d＝1，故D對(duì)，E錯(cuò)． 【答案】　BCD 7．某科學(xué)家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個(gè)核反應(yīng)方程為 H＋C―→N＋Q1　①， H＋N―→C＋X＋Q2　②， 方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關(guān)的原子核質(zhì)量如表： 原子核 H H He C N N 質(zhì)量/u 1.007 8 3.016 6 4.002 6 12.000 0 13.005 7 15.000 1 則可以推斷X是________，方程中Q1和Q2的大小關(guān)系是Q1________Q2. 【解析】　由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可判斷X為He，①式的質(zhì)量虧損為Δm1＝1.007 8 u＋12.000 0 u－13.005 7 u＝0.002 1 u．②式的質(zhì)量虧損為Δm2＝1.007 8 u＋15.000 1 u－12.000 0 u－4.002 6 u＝0.005 3 u，所以Δm2>Δm1根據(jù)質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2可求解Q2>Q1. 【答案】　He　< 8．如下一系列核反應(yīng)是在恒星內(nèi)部發(fā)生的： p＋C→N N→C＋e＋＋μ p＋C→N p＋N→O O→N＋e＋＋μ p＋N→C＋α 其中p為質(zhì)子，α為α粒子，e＋為正電子，μ為一種中微子．已知質(zhì)子的質(zhì)量mp＝1.672 64810－27 kg，α粒子的質(zhì)量mα＝6.644 92910－27 kg，正電子的質(zhì)量me＝9.1110－31 kg，中微子的質(zhì)量可忽略不計(jì)．真空中的光速c＝3108 m/s.試計(jì)算該系列反應(yīng)完成后釋放的能量. 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：18850057】 【解析】　為求出系列反應(yīng)完成后釋放的能量，將題中所給的各核反應(yīng)方程左右兩側(cè)分別相加，消去兩側(cè)相同的項(xiàng)，系列反應(yīng)最終等效為4p→α＋2e＋＋2μ. 設(shè)反應(yīng)后釋放的能量為Q，根據(jù)質(zhì)能關(guān)系和能量守恒得Q＝(4mp－mα－2me)c2 代入數(shù)據(jù)可得Q≈3.9510－12 J. 【答案】　3.9510－12 J [能力提升] 9．如圖431所示，托卡馬克(tokamak)是研究受控核聚變的一種裝置，這個(gè)詞是toroidal(環(huán)形的)、kamera (真 空 室)、magnet(磁)的頭兩個(gè)字母以及kotushka(線(xiàn)圈)的第一個(gè)字母組成的縮寫(xiě)詞．根據(jù)以上信息，下列判斷中可能正確的是(　　) 圖431 A．這種裝置的核反應(yīng)原理是輕核的聚變，同時(shí)釋放出大量的能量，和太陽(yáng)發(fā)光的原理類(lèi)似 B．線(xiàn)圈的作用是通電產(chǎn)生磁場(chǎng)使帶電粒子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)而不溢出 C．這種裝置同我國(guó)秦山、大亞灣核電站所使用核裝置的核反應(yīng)原理相同 D．這種裝置是科學(xué)家設(shè)想的其中一種方案 E．該裝置是利用聚變物質(zhì)的慣性進(jìn)行約束 【解析】　聚變反應(yīng)原料在裝置中發(fā)生聚變，放出能量，故A對(duì)；線(xiàn)圈通電時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用旋轉(zhuǎn)而不溢出，故B對(duì)；核電站的原理是裂變，托卡馬克的原理是聚變，故C錯(cuò)；該裝置是科學(xué)家設(shè)想的其中一種方案，另一種方案是利用聚變物質(zhì)的慣性進(jìn)行約束，故D對(duì)，E錯(cuò)． 【答案】　ABD 10．我國(guó)自行設(shè)計(jì)并研制的“人造太陽(yáng)”——托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行獲得重大進(jìn)展，這標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)邁入可控?zé)岷朔磻?yīng)領(lǐng)域先進(jìn)國(guó)家行列．該反應(yīng)所進(jìn)行的聚變過(guò)程是H＋H―→He＋n，反應(yīng)原料氘(H)富存于海水中，而氚(H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通過(guò)中子轟擊鋰核(Li)的人工核轉(zhuǎn)變得到． (1)請(qǐng)把下列用中子轟擊鋰核(Li)產(chǎn)生一個(gè)氚核(H)和一個(gè)新核的人工核轉(zhuǎn)變方程填寫(xiě)完整：________＋n―→________＋H. (2)在(1)中，每產(chǎn)生1 g氚的同時(shí)有多少個(gè)Li核實(shí)現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變？(阿伏加德羅常數(shù)NA取6.01023 mol－1) (3)一個(gè)氘核和一個(gè)氚核發(fā)生核聚變時(shí)，平均每個(gè)核子釋放的能量為5.610－13 J，求該核聚變過(guò)程中的質(zhì)量虧損． 【解析】　(1)核反應(yīng)方程為：Li＋n―→He＋H. (2)因?yàn)? g氚為 mol，根據(jù)核反應(yīng)方程，實(shí)現(xiàn)核轉(zhuǎn)變的Li也為mol，所以有2.01023個(gè)Li實(shí)現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變． (3)根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2，核聚變反應(yīng)中有5個(gè)核子參加了反應(yīng)，5個(gè)核子釋放總能量ΔE＝55.610－13J＝2.810－12 J，所以質(zhì)量虧損為Δm＝＝ kg＝3.110－29 kg. 【答案】　(1)Li　He (2)2.01023個(gè) (3)3.110－29 kg 11．核聚變能是一種具有經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越、安全可靠、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)的新能源．近幾年來(lái)，受控核聚變的科學(xué)可行性已得到驗(yàn)證，目前正在突破關(guān)鍵技術(shù)，最終將建成商用核聚變電站．一種常見(jiàn)的核聚變反應(yīng)是由氫的同位素氘(又叫重氫)和氚(又叫超重氫)聚合成氦，并釋放一個(gè)中子．若已知氘原子的質(zhì)量為2.014 1 u，氚原子的質(zhì)量為3.016 0 u，氦原子的質(zhì)量為4.002 6 u，中子的質(zhì)量為1.008 7 u,1 u＝1.6610－27 kg. (1)寫(xiě)出氘和氚聚變的反應(yīng)方程； (2)試計(jì)算這個(gè)核反應(yīng)釋放出來(lái)的能量； (3)若建一座功率為3.0105kW的核聚變電站，假設(shè)聚變所產(chǎn)生的能量有一半轉(zhuǎn)化成了電能，求每年要消耗氘的質(zhì)量？(一年按3.2107 s計(jì)算，光速c＝3.0108 m/s，結(jié)果取兩位有效數(shù)字) 【解析】　(1)氘和氚聚變的反應(yīng)方程為H＋H→He＋n. (2)該反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量虧損Δm＝2.0141 u＋3.0160 u－4.0026 u－1.0087 u＝0.0188 u＝3.120810－29 kg 釋放的核能ΔE＝Δmc2＝3.120810－29(3108)2 J＝2.810－12 J. (3)設(shè)每年要消耗的氘的質(zhì)量為M，氘原子的質(zhì)量為MD 由能量守恒可得：ΔEη＝Pt 可得：M＝＝ kg＝23 kg. 【答案】　(1)H＋H→He＋n　(2)2.810－12 J　(3)23 kg