5.3核力与结合能 课时练（含解析）-2024春高中物理选择性必修3（人教版2019）

3　核力与结合能
考点一　核力
1．物理学上的四种基本相互作用是(　　)
A．引力相互作用、相互作用力、电磁力、强相互作用
B．重力、弹力、摩擦力、其他力
C．作用力、反作用力、电磁力、强相互作用
D．引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用
2．氦原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则3种力从大到小的排列顺序是(　　)
A．核力、万有引力、库仑力
B．万有引力、库仑力、核力
C．库仑力、核力、万有引力
D．核力、库仑力、万有引力
考点二　结合能
3．关于原子核的结合能和比结合能，下列说法正确的是(　　)
A．组成原子核的核子越多，它的比结合能越大
B．比结合能越大，原子核越不稳定
C．比结合能小的原子核拆分成比结合能大的原子核时会释放能量
D．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和必小于原来重核的结合能
4.钚的一种同位素Pu衰变时释放巨大能量，如图所示，其衰变方程为Pu→U＋He＋γ，则(　　)
A．核反应中γ的能量就是Pu的结合能
B．核燃料总是利用平均结合能大的核
C.U核比Pu核更稳定，说明U的结合能大
D．该衰变过程是α衰变
5．(2022·泰州市高二期末)核能具有高效、清洁等优点，利用核能是当今世界解决能源问题的一个重要方向。原子核的比结合能随质量数变化的曲线如图所示，根据该曲线判断正确的是(　　)
A.Li核比He核更稳定
B.H核的结合能约为1 MeV
C．两个H核结合成He核时释放能量约为24 MeV
D.H核和He核的平均核子质量相等
考点三　质量亏损与质能方程
6．关于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2和ΔE＝Δmc2，下列说法不正确的是(　　)
A．E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比
B．E＝mc2中的E是发生核反应时释放的核能
C．根据ΔE＝Δmc2，可以计算核反应中释放的核能
D．两个质子和两个中子结合成一个氦核时，释放出核能，说明此过程中出现了质量亏损
7．(2023·全国乙卷)2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为1048 J 。假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108 m/s)(　　)
A．1019 kg B．1024 kg
C．1029 kg D．1034 kg
8．(2022·南通市高二期末)已知中子的质量为mn，质子的质量为mp，氦核(He)的质量为m，真空中光速为c，则氦核的比结合能为(　　)
A. B.
C. D.
9．(2022·南通市高二期中)某行星内部含有氦核(He)，在一定条件下氦核经过核反应会生成碳核(C)。已知1个质子的质量为mp,1个中子的质量为mn,1个氦核(He)的质量为m1、1个碳核(C)的质量为m2，真空中的光速为c，下列说法正确的是(　　)
A.He转变为C的核反应方程为2He→C
B.He转变为C的核反应中质量亏损为6mp＋6mn－m2；
C．碳核(C)的比结合能为
D.C的同位素C中有6个中子，14个核子
10．(2022·镇江市高二期末)中子n、质子p、氘核D的质量分别为mn、mP、mD。现用光子能量为E的γ射线照射静止氘核使之分解，反应的方程为γ＋D→p＋n，若分解后中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是(　　)
A.[(mD－mp－mn)c2＋E]
B.[(mD＋mn－mp)c2＋E]
C.[(mD－mp－mn)c2－E]
D.[(mD＋mn－mp)c2－E]
11．(2022·南京市高二期末)如图是原子核的比结合能与质量数的关系图，通过该图像可以得出一些原子核的比结合能，如C的核子比结合能约为7.6 MeV，He的核子比结合能约为7 MeV，下列说法正确的是(　　)
A．随着原子质量数的增加，原子核的比结合能增大
B.Fe核的结合能最大
C．把O分成8个质子和8个中子，会发生质量亏损
D．3个He核合成1个C核，释放约7.2 MeV的能量
12．用中子轰击锂核(Li)发生核反应，产生氚核和α粒子并放出4.8 MeV的能量，e＝1.6×
10－19 C，c＝3×108 m/s。
(1)写出核反应方程式；
(2)求上述反应中放出的能量对应的质量(保留2位有效数字)；
(3)若中子与锂核是以等大反向的动量相碰，则α粒子和氚核的动能之比是多少？
13．(2023·南京市高二期中)在火星上太阳能电池板发电能力有限，因此科学家们用放射性材料—PuO2作为发电能源为火星车供电(PuO2中的Pu是Pu)。已知Pu衰变后变为铀核(符号为U)和α粒子。若静止的Pu在匀强磁场中发生衰变，α粒子的动能为E，α粒子的速度方向与匀强磁场的方向垂直，在磁场中做匀速圆周运动的周期为T0，衰变放出的光子的动量可忽略，衰变释放的核能全部转化为铀核和α粒子的动能。已知光在真空中的传播速度为c。
(1)写出衰变方程；
(2)求Pu衰变过程中的质量亏损Δm；
(3)求从开始衰变到U和α粒子再次相遇的最短时间t。
3　核力与结合能
1．D　[到现在为止，物理学家们发现了四种基本的相互作用。它们是引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用。故A、B、C错误，D正确。]
2．D　[核力是强相互作用，它能将核子束缚在原子核内，万有引力最弱，研究核子间相互作用时万有引力可以忽略，故选D。]
3．C　[组成原子核的核子越多，它的结合能越大，比结合能不一定大，A错误；比结合能越大，原子核中的核子结合得越牢固，原子核越稳定，故B错误；比结合能小的原子核拆分成比结合能大的原子核时，这个过程会释放能量，故C正确；一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，要释放能量，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，故D错误。]
4．D　[核反应中γ的能量是Pu的结合能中的一小部分，故A错误；核燃料在衰变过程中要释放巨大能量，所以总是要利用平均结合能小的核，才更容易实现，故B错误；U核比Pu核更稳定，说明U的比结合能大，故C错误；该反应产生He，故该衰变过程是α衰变，故D正确。]
5．C　[比结合能越大的原子核越稳定，Li核的比结合能比He核的比结合能低，因此，He核比Li核更稳定，A错误；H核的比结合能为1 MeV，H核由两个核子组成，因此，H核的结合能为2×1 MeV＝2 MeV，B错误；He的结合能为4×7 MeV＝28 eV
两个H核结合成He核时释放能量约为28 MeV－2×2 MeV＝24 MeV，C正确；两个H核结合成He核时释放能量，发生质量亏损，而反应前后的核子数不变，因此，H核和He核的平均核子质量不相等，D错误。]
6．B　[E＝mc2说明物体具有的能量与其质量成正比，所以A正确；E＝mc2中的E是物体蕴含的能量，不是发生核反应时释放的核能，所以B错误；根据ΔE＝Δmc2，可以计算核反应中释放的核能，所以C正确；两个质子和两个中子结合成一个氦核时，释放出核能，根据爱因斯坦的质能方程，说明此过程中出现了质量亏损，所以D正确。]
7．C　[根据质能方程E＝mc2可知，每秒钟平均减少的质量为Δm＝＝ kg＝ kg，则每秒钟平均减少的质量量级为1029 kg，故选C。]
8．A　[由题可知，氦核由两个质子与一个中子结合而成，且核子结合过程中会释放能量，即产生质量亏损。因此根据爱因斯坦的质能方程可求得氦核的结合能ΔE＝(mn＋2mp－m)c2，比结合能为E＝＝，故选A。]
9．C　[根据质量数和电荷数守恒，核反应方程应为3He→C，故A错误；由上述核反应方程式可得质量亏损为Δm＝3m1－m2，故B错误；由碳核的组成可知，碳核是由6个质子与
6个中子组成，则Δm＝6mp＋6mn－m2，所以比结合能为E比＝，故C正确；C有14－6＝8个中子，故D错误。]
10．A　[因质量亏损放出的能量为ΔE＝(mD－mp－mn)c2
设质子、中子的动能为Ek，根据能量守恒有ΔE＋E＝2Ek
由以上两式联立可得Ek＝[(mD－mp－mn)c2＋E]
故A正确，B、C、D错误。]
11．D　[由题图可知，随着原子质量数的增加，原子核的比结合能先增大后减小，故A错误；Fe核的比结合能最大，结合能的大小还与核子数有关，故B错误；把O分成8个质子和
8个中子，需要吸收能量，不会发生质量亏损，故C错误；He的核子比结合能约为7 MeV,
3个He核的结合能E1＝7 MeV×4×3＝84 MeV，C的核子比结合能约为7.6 MeV，1个C核的结合能E2＝7.6 MeV×12＝91.2 MeV，则ΔE＝E2－E1＝7.2 MeV，故D正确。]
12．(1)Li＋n→H＋He　(2)8.5×10－30 kg　(3)3∶4
解析　(1)核反应方程式Li＋n→H＋He
(2)根据ΔE＝Δmc2
上述反应中放出的能量对应的质量
Δm＝＝ kg≈8.5×10－30 kg
(3)设m1、m2、v1、v2分别为α粒子、氚核的质量和速度，由动量守恒定律得
0＝m1v1＋m2v2
α粒子、氚核的动能之比
Ek1∶Ek2＝∶＝m2∶m1＝3∶4。
13．(1)Pu→U＋He
(2)　(3)117T0
解析　(1) 由质量数守恒、电荷数守恒知衰变方程为
Pu→U＋He
(2)根据动量守恒定律可知α粒子和铀核的动量大小相等，设为p，
α粒子的动能Eα＝
铀核的动能EU＝
则＝＝＝
所以释放能量为ΔE＝Eα＋EU＝E
且ΔE＝Δmc2
解得Δm＝
(3)根据T＝
可得T0＝，TU＝，则TU＝T0
因为想再次相遇，必然是在裂变的切点处，所以每个粒子运动的时间必须为整数周期，两粒子运动周期取最小公倍数，所以再次相遇的最短时间t＝117T0。