【金版新学案】2013-2014学年高中物理同步配套辅导与检测（粤教版，选修3-5）：第四章 第六节　核 能 利 用 第七节　小粒子与大宇宙（36张ppt）

课件38张PPT。第六节　核 能 利 用
第七节　小粒子与大宇宙1．知道核反应堆和核电站．
2．了解裂变反应堆的工作原理，了解常用裂变反应堆的类型．
3．知道核电站的工作模式．了解核能的发展前景．
4．初步了解恒星的演化和粒子物理学的知识．能源问题已经成为影响和制约当今世界发展的主要因素，尤其是随着石油等常规能源的不断减少和环境污染的不断加剧，寻找新的高能无污染的能源已成为当务之急．在利用核能时，如何使用核能发电和获得核动力，以及如何防止核能利用时的危害性？ 一、反应堆
1．原子反应堆的示意图(如下图所示)2．构造
(1)铀棒由________或________制成，作为核燃料．
(2)控制棒由________做成，用来控制反应速度．
(3)减速剂由________、重水或________(有时叫轻水)做成，用来跟快中子碰撞，使快中子能量减少，变成慢中子，以便让U235俘获．
(4)冷却剂由________或液态的________等流体做成，在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出，确保反应堆的安全．
(5)水泥防护层用来屏蔽裂变产物放出的___________，防止核辐射．普通水天然铀浓缩铀镉石墨水　 金属钠　各种射线二、核电站　核能利用
核发电站是利用核能发电，它的核心设施是________．利用________工作时释放出的热量能使水汽化以推动汽轮发电机发电的装置就是核电站．
三、小粒子与大宇宙
1．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度为空间跨度，约从________ m到________ m，共跨越了约________个数量级．
2．物质世界的时间尺度为时间跨度，约从________ s到________ s，也跨越了将近________个数量级．反应堆核反应堆　4210－15　1027　1018 　 4310－25 核电站及核能的利用反应堆是人工控制链式反应的装置，核发电站利用反应堆工作时释放出的热量能使水汽化以推动汽轮发电机发电的装置．核能发电的优点是：①污染小；②可采储量大；③比较经济．缺点是：①一旦核泄漏会造成严重的核污染；②核废料处理困难．
核能的利用在核武器(如原子弹、氢弹)、核电站(除发电外，反应堆还可提供大量中子用来进行各种物理实验，制造各种放射性同位素)、核动力(如核动力潜艇、核动力破冰船、核动力航空母舰、核动力太空探测器等)． 原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成(　　)
A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C．原子燃料、减速剂、碰撞系统和传热系统
D．原子燃料、中子源、原子能聚存系统和输送系统
解析：核反应堆的构成分四部分：原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统．
答案：A课堂训练1．核反应堆中的镉棒的作用是(　　)
A．减小中子的能量，使快中子变成慢中子
B．调节中子的数目，控制反应速度
C．屏蔽射线，以防伤害人体
D．控制反应堆的温度解析：用镉来吸收中子，控制裂变速度．
答案：B小粒子与大宇宙20世纪40年代，在大量天文观测的基础上，物理学家提出了宇宙演化的大爆炸假说：宇宙是由一个超高温、超密度的“原始火球”发生大爆炸开始的，然后经历了从热到冷的演化过程，在这个时期里宇宙不断地膨胀，宇宙物质从密到稀，当温度下降几千度时，宇宙间主要是气态物质，后来逐渐凝聚成气云，并进一步收缩形成各种各样的恒星系统，成为我们今天的宇宙天体．具体过程如下：宇宙大爆炸后，“粒子家族” 形成(宇宙形成之初)，10－44秒后，温度为1032 K，产生夸克、轻子、胶子等→10－6秒后温度为1013 K，夸克构成了质子和中子等(强子时代)→温度为1011 K时，少量夸克，光子、大量中微子和电子存在(轻子时代)→温度109 K时进入核合成时代→温度降到3000 K 时，电子与质子复合成氢原子→冷却，出现了宇宙尘埃万有引力作用,密集尘埃→星云团温度升高,开始发光→一颗恒星诞生．
恒星收缩升温→热核反应成氦→氢大部分聚变为氦→收缩→氦聚合成碳→…(类似)直到产生铁元素．
恒星最后的归宿：恒星质量小于太阳1.4倍→白矮星
恒星质量是太阳1.4～2倍→中子星
恒星质量更大时(无法抵抗)→黑洞微观粒子：(1)强子：主要参与强相互作用，有质子、中子、介子、超子等；
(2)轻子：不参与强相互作用，有电子、中微子、π子、τ子等；
(3)媒介子：参与各种相互作用，有光子、玻色子、胶子等．
从小粒子到大宇宙——空间跨度：人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约10－15～1027 m，共跨越了约42个数量级．
从粒子生命至宇宙年龄——时间跨度：物质世界的时间尺度，约10－25～1018 s，也跨越了将近43个数量级． 科学家发现太空中的γ射线一般都是从很远的星体放射出来的．当γ射线爆发时，在数秒钟内所产生的能量相当于太阳在过去100亿年所产生的能量总和的1 000倍左右，大致相当于将太阳的全部质量转变为能量的总和．科学家利用超级计算机对γ射线的状态进行了模拟．经模拟发现γ射线爆发是起源于一个垂死的星球的“坍缩”过程，只有星球“坍缩”时，才可以发出这么巨大的能量．已知太阳光照射到地球上大约需要8分20秒，由此来估算：在宇宙中，一次γ射线爆发所放出的能量．(万有引力常量G＝6.67×10－11N·m2/kg2,1年时间约为3.15×107 s)解析：r＝ct＝3×108×500 m＝1.5×1011 m，地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力：
＝
太阳质量为：
M＝ ＝ kg
≈2.0×1030 kg
γ射线爆发所发出的能量：
E＝Mc2＝2.0×1030×(3×108)2 J＝1.8×1047 J.课堂训练2．在某恒星内部发生如下一系列核反应： 其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，ν为中微子，已知质子的质量为mp＝1.672648×10－27 kg，α粒子的质量为mα＝6.644929×10－27 kg，正电子的质量为me＝9.11×10－31 kg，中微子的质量可忽略不计，真空中的光速c＝3.00×108 m/s，试计算该系列核反应完成后释放的能量．解析：为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的诸核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系统反应最终等效为：
4p→α＋2e＋＋2ν
设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得：
4mPc2＝mαc2＋2mec2＋Q
代入数值可得
Q＝3.95×10－12 J.
答案：3.95×10－12 J1．关于我国已建成的秦山和大亚湾核电站，下列说法中正确的是(　　)
A．它们都是利用核聚变释放原子能的
B．它们都是利用核裂变释放原子能的
C．两者的核燃料都是纯铀235
D．一座是利用核裂变释放原子能，一座是利用核聚变释放原子能基础达标解析：现在我们和平利用的核能只能通过核裂变产生，还没有实现可控热核反应，核燃料是天然铀或浓缩铀．
答案：B2．现已建成的核电站的能量来自于(　　)
A．天然放射性元素衰变放出的能量
B．人工放射性同位素放出的的能量
C．重核裂变放出的能量
D．化学反应放出的能量解析：现在我们和平利用的核能只能通过核裂变产生
答案：C3.（双选）下列关于铀裂变和核电站的说法中正确的是(　　)
A．铀238只要俘获中子就能进行链式反应
B．铀235裂变后的生成物是多种多样的，但这些裂变都要发生质量亏损
C．核电站中镉棒是起减速剂的作用
D．核电站使用后的核废料必须装入特制容器，深埋地下解析：铀238只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，A错误．铀235裂变后的生成物是多种多样的如 Ba、 Kr等，并发生质量亏损释放能量，B正确；核电站中镉棒起减速剂作用的是石墨、重水，镉棒是控制棒，C错误．核废料处理必须将其装入特制容器，深埋地下，D正确．
答案：BD4.（2012·天津卷）下列说法中正确的是（?B?）?
A?.采用物理或化学方法可以有效地改变放射性元素的半衰期?
B?.由波尔理论知道氢原子从激发态跃迁到基态时会放出光子?
C?.从高空对地面进行遥感摄影是利用紫外线良好的穿透能力?
D?.原子核所含核子单独存在时的总质量小于该原子核的质量?解析：半衰期是原子的物理属性，不能采用物理或化学方法改变,A项错误；高空遥感是利用红外线技术，C项错误；由于核子结合为原子核时能量增加必然存在质量亏损,D项错误；氢原子从高能量的激发态跃迁到低能量的基态时放出能量，所以放出光子，B项正确.
答案：B5. K－介子衰变方程为：K－→π－＋π0其中K－介子和π－介子带负的基元电荷，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，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们半径RK－与Rπ－之比为2:1(π0介子的轨迹未画出)由此可知π－的动量大小与π0的动量大小之比为(　　)A．1:1 B．1:2
C．1:3 D．1:6解析：由R＝ (K－介子与π－介子电荷量相同)和半径RK－与Rπ－之比为2:1可知K－介子的动量是π－介子的2倍．设K－介子的动量为2P，则π－介子的动量为－P，若π0介子的动量为p0，由动量守恒有2P＝ －P＋ p0求得p0＝3P.
答案：C6．我国秦山核电站笫三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于 U的裂变，现有四种说法：
① U原子核中有92个质子，有143个中子
② U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为：
③ U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度，半衰期缩短
④一个 U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J
以上说法中完全正确的是(　　)能力提升A．①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②④解析：由 U的质量数和电荷数关系易知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰．故③错误；通过计算知④正确．
答案：D7．(2012.海南高考）2011年3月11日，日本发生九级大地震，造成福岛第一核电站严重的核泄漏事故．在泄漏的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素，它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射．在下列四个式子中，有两个能分别反映131I和137Cs的衰变过程，它们分别是______和______(填入正确选项前的字母).131I和137Cs原子核中的中子数分别是________和________．解析：衰变的种类有α衰变和β衰变两类，衰变中放出的粒子是氦核或电子而不会是质子或中子，故A、D不会是131I和137Cs的衰变．
由质量数守恒和电荷数守恒可知X2、X3分别是 ，而中子数等于质量数与核电荷数的差值，故他们的中子数分别为78、82.
答案：B　C　78　828．在所有能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．
(1)核反应方程式 U＋ n→ Ba＋ Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝________.以mU、mBa、mKr分别表 示 核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE＝________.(2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率μ＝40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，核的质量mU＝3.90×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的 U的质量．解析： (1)由核反应方程可知：X为 n，a为3，释放的能量为ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.(2)因电站发电效率为40%，故电站消耗 的功率为
P′＝ ＝2.5×106 kW，电站每年消耗 的能量为
W＝Pt＝2.5×109×3.15×107 J
≈7.875×1016 J，
每年消耗的U235的质量为
M＝ mU＝
≈10.921 kg.
答案：(1) n　3　(mU－mBa－mKr－2mn)c2
(2)10.921 kg9．天文学家测得银河系中氦的含量约为：25%，有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙诞生后二分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部的氢核聚变反应生成的．
(1)把氢核聚变反应简化为4个氢核( H)聚变成氦核( He)，同时放出2个正电子( e)和2个中微子(νe)，请写出该氢核聚变反应的方程，并计算一次反应释放的能量；
(2)研究表明，银河系的年龄约为t＝3.8×1017 s，每秒钟银河系产生的能量约为1×1037 J(即P＝1×1037 J/s)．现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中氦的含量(最后结果保留一位有效数字)；(3)根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断．
(可能用到的数据：银河系质量约为M＝3×1041 kg，原子质量单位1 u＝1.66×10－27 kg,1 u相当于1.5×10－10 J的能量，电子质量me＝0.0005 u，氦核质量mα＝4.0026 u，氢核质量mp＝1.0078 u，中微子νe质量为零)解析：核反应方程为：
其质量亏损：Δm＝4mp－mα－2me
其释放的能量：ΔE＝Δmc2＝4.14×10－12J
(2)m＝ mα＝6.1×1039 kg
氦的含量k＝ ≈2%
(3)由估算结果可知，k＝2%远小于25%的实际值，所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的．答案：(1)
(2)2%　(3)银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的感谢您的使用，退出请按ESC键本小节结束