2024-2025学年高中物理课时分层作业12核聚变粒子物理学简介选学含解析教科版选修3-5

PAGE4-课时分层作业(十二)核聚变粒子物理学简介(时间：40分钟分值：100分)[基础达标练]一、选择题(本题共6小题，每小题6分，共36分)1．(多选)关于人们发觉的新粒子，下列说法正确的是()A．很多粒子都有自己的反粒子B．把粒子分为强子、轻子、媒介子，依据是粒子与各种相互作用的关系C．质子属于强子D．光子属于轻子ABC[依据粒子的分类、粒子与反粒子描述知A、B、C正确；光子属媒介子，D错误．]2．(多选)下列说法正确的是()A．聚变是裂变的逆反应B．核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，反应时放出能量C．轻核聚变比裂变更为平安、清洁D．强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发觉的强子BC[聚变和裂变的反应物和生成物完全不同，两者无干脆关系，并非互为逆反应，故A错误；实现聚变反应必需使参与反应的轻核充分接近，须要数百万开尔文的高温，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所汲取的能量，所以聚变反应还是释放能量，故B正确；实现聚变须要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了，另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，简单处理，故C正确；质子是最早发觉的强子，故D错误．]3．(多选)重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是()A．裂变过程质量增加B．裂变过程质量亏损C．裂变过程和聚变过程都有质量增加D．聚变过程有质量亏损BD[重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过程均会有质量亏损．]4．下列所述正确的是()A．强子是参与强相互作用的粒子B．轻子是参与强相互作用的粒子C．目前发觉的轻子只有8种D．光子是传递弱相互作用的粒子A[由三类粒子的特性可知A正确，B、D错误；而目前发觉的轻子只有6种，C错误．]5．关于核聚变，以下说法正确的是()A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为平安、清洁B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站C．要使轻核发生聚变，必需使它们的距离达到10－10m以内，核力才能起作用D．核聚变比核裂变更易限制A[与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)平安、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多；(3)核废料易处理．但核聚变不易限制，其发电还没有投入实际运行，B、C、D错误，A正确．]6．(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的是()A.eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是核聚变反应B.eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是β衰变C.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n是核裂变反应D.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n是α衰变AC[eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是轻核聚变反应，A正确，B错误；eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n和eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n均为重核裂变反应，C正确，D错误．]二、非选择题(14分)7．已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克eq\x\to(u)或反夸克eq\x\to(d))组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷．粒子π＋π－udeq\x\to(u)eq\x\to(d)带电荷量＋e－e＋eq\f(2e,3)－eq\f(e,3)－eq\f(2e,3)＋eq\f(e,3)由此可知π＋由________和________组成，π－由________和________组成．[解析]因π＋介子带有＋e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u带＋eq\f(2,3)e和反夸克eq\x\to(d)带＋eq\f(1,3)e合成电荷量为e，那么π＋介子就是由夸克u和反夸克eq\x\to(d)组成的；同理，π－介子由夸克d和反夸克eq\x\to(u)组成．[答案]ueq\x\to(d)deq\x\to(u)[实力提升练]一、选择题(本题共4小题，每小题6分，共24分)1．(多选)我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了EAST装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1000s，温度超过1亿摄氏度，这标记着我国磁约束核聚变探讨进入国际先进水平．合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变试验装置并能实际运行的地方．核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，eq\o\al(3,2)He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是()A．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所产生的另一个粒子是质子B．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所产生的另一个粒子是中子C．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2D．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所释放的核能为(2m1－m3－m2)c2BD[由核反应方程2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)X知X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，故A、C错误，B、D正确．]2．20世纪30年头以来，人们在对宇宙射线的探讨中，接连发觉了一些新的粒子，K介子和π介子就是科学家在1947年发觉的．K－介子的衰变方程为K－→π0＋π－，其中K－介子和π－介子带负电，电荷量等于元电荷的电荷量，π0介子不带电．如图所示，一个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线，K－介子衰变后，π0介子和π－介子的轨迹可能是()ABCDA[π0介子不带电，在磁场中不偏转，π－介子带负电，在磁场中洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，再依据动量守恒判定知A正确．]3．雷蒙德·戴维斯因探讨来自太阳的电子中微子(νe)而获得了2002年度诺贝尔物理学奖．他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶．电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为νe＋eq\o\al(37,17)Cl→eq\o\al(37,18)Ar＋eq\o\al(0,－1)e.已知eq\o\al(37,17)Cl核的质量为36.95658u，eq\o\al(37,18)Ar核的质量为36.95691u，eq\o\al(0,－1)e的质量为0.00055u,1u质量对应的能量为931.5MeV.依据以上数据，可得参与上述反应的电子中微子的最小能量为()A．0.82MeV B．0.31MeVC．1.33MeV D．0.51MeVA[反应后不释放能量时对应电子中微子的能量最小，为E＝(36.95691＋0.00055－36.95658)×931.5MeV＝0.82MeV，选项A正确．]4．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子，同时放出一个γ光子．已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c.下列说法正确的是()A．这个核反应是裂变反应B．这个反应的核反应方程是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．辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2D．辐射出的γ光子在真空中的波长λ＝eq\f(h,m1＋m2－m3－m4c)D[一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，这是核聚变反应，A、B选项错误．核反应的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3－m4，辐射出的γ光子的能量E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，C选项错误，γ光子在真空中的频率ν＝eq\f(E,h)，波长λ＝eq\f(c,ν)＝eq\f(ch,E)＝eq\f(ch,m1＋m2－m3－m4c2)＝eq\f(h,m1＋m2－m3－m4c)，D选项正确．]二、非选择题(本大题共2小题，共26分)5．(12分)已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u，eq\o\al(3,2)He核的质量为3.0150u．两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成eq\o\al(3,2)He并放出一个中子，释放的核能全部转化为机械能．(质量亏损为1u时，释放的能量为931.5MeV.除了计算质量亏损外，eq\o\al(3,2)He的质量可以认为是中子的3倍)(1)写出该核反应的反应方程式；(2)该核反应释放的核能是多少？(3)若测得反应后生成中子的动能是3.12MeV，则反应前每个氘核的动能是多少MeV?[解析](1)核反应方程为：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)质量亏损为：Δm＝2.0136×2u－(3.0150u＋1.0087u)＝0.0035u，释放的核能为：ΔE＝0.0035×931.5MeV＝3.26MeV.(3)设中子和eq\o\al(3,2)He核的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2.反应前每个氘核的动能是E0，反应后中子和eq\o\al(3,2)He核动能分别为E1、E2，依据动量守恒定律，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由能量的转化和守恒定律，得E1＋E2＝2E0＋ΔE，E0＝0.45MeV.[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)0.45MeV6．(14分)有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子．求：(1)该聚变反应释放多少能量？(2)若1g氢完全聚变，能释放多少能量？(3)1g氢完全聚变，释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能？(已知煤的热值q＝3.36×107J/kg，氢核质量为1.008142u，氦核质量为4.001509u，电子的质量为0.000549u)[解析](1)核反应方程为：4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e，所以Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.008142u－4.0