5.5核能的利用与环境保护同步练习（含解析）2023——2024学年高物理鲁科版（2019）选择性必修第二册

5.5 核能的利用与环境保护 同步练习
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________
一、单选题
1．近代物理学的发展，催生了一大批新技术，深刻地改变了人们的生活方式和社会形态，有关近代物理学发展的相关叙述错误的是（　　）
A．普朗克通过对黑体辐射规律的研究，提出“能量子”概念，把物理学带入了量子世界
B．α粒子散射实验，揭示了原子的“枣糕”结构模型
C．丹麦物理学家玻尔提出了自己的原子结构假说，解释了氢原子的光谱
D．世界上第一座核反应堆装置的建立，标志着人类首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放
2．日本于2023年8月24日正式开始核污水排海，现已有数万吨核污染水流入太平洋，会造成长时间的核污染。废水中含有铯、锶、氚等多种放射性物质，其中铯137原子核具有较强的放射性，会发生衰变并释放能量，其半衰期长达30年。若铯137原子核的衰变方程为：，下列说法正确的是（ ）
A．福岛核电站利用的是可控热核反应的原理发电
B．铯137衰变时，衰变产物中的为中子
C．速度与热运动速度相当的中子最易引发核裂变
D．排海污水中的铯137经60年就会全部发生衰变
3．关于下列四幅图像的描述，其说法正确的是（　　）
A．甲图是核反应堆示意图，其中镉棒的作用是释放中子以保证核裂变能持续进行
B．乙图中轰击金箔的α粒子只有少数运动方向发生较大偏转，说明原子核体积很小
C．丙图是原子核比结合能随质量数的变化规律，可见16O的平均核子质量要比9Be大
D．丁图说明发生光电效应时，频率大的光对应的遏止电压一定小
4．下列说法正确的是（ ）
A．甲图中，“彩超”利用多普勒效应的原理测定血管中血液的流速
B．乙图中，核电站的核反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏蔽聚变产物放出的各种射线
C．丙图中，光的衍射现象说明光具有波粒二相性
D．丁图中，由氢原子能级图可知能量为1.89eV的光子，有可能使处于能级的氢原子电离
5．2023年4月12日21时，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，对提升核聚变发电具有重要意义。假设“人造太阳”内部持续不断地发生着4个质子（）聚变为氦核（）的热核反应，如果“人造太阳”每秒钟向空间辐射的能量约为，光速。下列说法正确的是（　　）
A．太阳中的热核反应方程为
B．4个质子聚变为氦核的热核反应前后质量守恒
C．太阳中的热核反应使太阳质量每分钟减少约
D．目前世界上的核电站主要是利用热核反应产生的能量来发电
6．核电池又叫“放射性同位素电池”，在航天深空探测、心脏起搏器等方面有着重要的应用。某种核电池常用的放射性同位素是钚238，其半衰期为87.7年，该电池利用α衰变放出的能量转化为电能；还有一种微型核电池，可以把放射性物质镍52衰变时放出的高能β粒子直接转化成电流。下列说法不正确的是（　　）
A．核电池的发电原理与核电站相同，都是将放射性同位素衰变时产生的能量转化为电能
B．与高能β粒子相比，利用同位素钚238的核电池在衰变过程中释放的α粒子质量较大，速度较慢，用一张纸就可以阻挡
C．利用钚238的核电池可以较长时间提供电能，不受阳光、温度、压力、电磁场、化学反应的影响
D．镍52发射的高能β粒子是镍的中子变成质子放出的电子
7．据报道，新一代人造太阳磁约束原理简化为如图所示，在环形区域Ⅱ内存在垂直纸面的匀强磁场，中心区域Ⅰ内为粒子源且无磁场，所有粒子都不会越出环形区域磁场的外边界。已知等离子体中带电粒子的平均动能与等离子体的温度成正比。下列说法正确的是（　　）
A．核聚变的原理已成功应用于工业核发电
B．核能是可再生能源
C．若带电粒子比荷为，最大速度为，环形磁场的宽度为d，则磁感应强度至少为
D．若等离子体的温度变为原来的2倍，则所需的磁感应强度也变为原来的2倍
8．核电站常用的一种原料是钍，钍吸收一个中子后会变成钍233，钍233不稳定，会变成易裂变的铀，反应堆工作原理如图所示，下列说法正确的是（　　）

A．此类核电站通过核聚变获得电能
B．变成要吸收能量
C．吸收一个中子变成的过程中总质量不变
D．变成的核反应方程式是
二、多选题
9．下列对于原子及原子核结构规律的研究，正确的是（　　）
A．图①中射线2的穿透能力最强
B．图②中镉棒的作用是吸收中子以控制反应速度
C．图③中的实验现象可得出原子核具有复杂的结构
D．图④中的核反应属于原子核的人工转变
10．图为核电站的反应堆示意图，下列说法正确的是（　　）
A．水泥防护层主要起保温作用
B．镉棒的作用是吸收中子控制反应速度
C．反应堆放出的热量可直接全部转化为电能
D．核反应堆中的核废料需要装入特定的容器深埋地下
11．下列四幅图涉及到不同的物理知识，其中说法正确的是（　　）

A．卢瑟福通过分析甲图中的α粒子散射实验结果，提出了原子的核式结构模型
B．乙图为布朗运动实验，图中显示的是花粉颗粒的运动轨迹
C．丙图表示磁场对α、β和γ射线的作用情况，其中①是α射线，②是γ射线，③是β射线
D．丁图表示的核反应属于重核裂变，是目前人工无法控制的核反应
12．下列说法正确的是（　　）
A．甲图中干簧管是一种能够感知电场的传感器
B．乙图中LC电磁振荡电路此时刻电容器正在充电，螺线管产生的磁场正在减弱
C．丙图中核电站的反应堆外面修建厚厚的水泥墙，用来屏蔽聚变产物放出的射线
D．丁图中彩超根据反射波的频率变化知道血流速度，利用的是超声波的多普勒效应
三、填空题
13．100年前，卢瑟福用α粒子轰击氮核打出了质子。后来，人们用α粒子轰击60Ni核也打出了质子：，该反应中的X是 （选填“电子”、“正电子”或“中子”）。此后，对原子核反应的持续研究为核能利用提供了可能。目前人类获得核能的主要方式是 （选填“核衰变”、“核裂变”或“核聚变”）。
14．核电站的核心是原子核反应堆，核燃料（如铀）释放出大量的核能，是和平利用核能的重要途径。我国的核电事业发展迅速，已经建成几座核电站，其中广东大亚湾核电站每年发电量约，其中的电力供应香港，30%的电力供应广东电网。据专家估计，通过核能发电，使得广东和香港两地每年减少燃煤消耗。核能作为一种新型能源有着广阔的前景。
（1）原子核是由 组成的。在反应堆中，核燃料（如铀）发生 释出大量的核能。
（2）已知煤的热值，则煤完全燃烧时放出的热量是多少 ？
（3）向大气中排放过量的二氧化碳等温室气体是造成“温室效应”的主要原因，大亚湾核电站与同等供电量的火力发电站相比，每年将少排放二氧化碳排放，已知通常情况下二氧化碳气体的密度为.则这些气体通常情况下的体积约为多少 ？
（4）设火力发电站在单位时间内产生的电能为E，它在这段时间内所消耗的燃料完全燃烧产生的热量为Q，则火力发电站的效率根据上述资料，可估算出通常的火力发电站的效率约为多少 ？
四、解答题
“绿色、低碳、节能”
采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费，有效、合理地利用能源。
15．广泛应用且属于清洁能源的是 （选涂：A．太阳能 B．煤炭 C．天然气）。
16．核电站发电的能量来自于 （选涂：A．核裂变 B．核聚变 C．化学变化）。
17．下列做法不符合节能要求的是（　　）
A．电脑使用完毕后关机并切断电源 B．长时间外出需要切断热水器电源
C．电视机长时间处于待机状态 D．手机充电结束后拔掉充电器
18．电动车正在逐步取代燃油车，下列关于电动车说法正确的是（　　）
A．噪音小、无尾气排放，更环保 B．效率更高可达到100%
C．充电时将电能转化为化学能 D．工作原理是电磁感应
19．“动能回收”是指电动车在刹车或下坡过程中把机械能转化为电能的装置。电动车以的初动能沿倾角为15°的平直斜坡运动。第一次关闭发动机，让车自由滑行，其动能—位移关系如图直线①所示；第二次关闭发动机同时开启“动能回收”装置，其动能—位移关系如图线②所示。假设机械能回收效率为90%，求电动车开启动能回收装置行驶200m的过程中：（简答）
（1）所受的合力的变化规律；
（2）共回收了多少电能；
（3）若电动车质量为2吨，行驶到150m处电能的回收功率。
20．2017年5月25日，“华龙一号”全球首堆示范工程——福清核电5号机组顺利完成穹顶吊装，工程正式由土建阶段进入安装阶段。在核电站中，核反应堆释放的核能转化为电能，核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核轴发生裂变反应，释放出大量核能。已知一个核裂变时能释放200MeV的能量，燃烧1kg煤所放出的能量为，请从数量级上感受铀完全裂变释放的能量与燃烧煤释放的能量的差异。
21．在用铀235作燃料的反应堆中，铀235核吸收一个动能约为0.025eV的慢中子后，可发生裂变反应，放出能量和2~3个快中子，而快中子不利于铀235的裂变。为了能使裂变反应继续下去，需要将快中子减速，有一种减速的方法是用石墨（碳12）作减速剂。设中子与碳原子的碰撞是对心弹性碰撞，没有机械能损失。
(1)求快中子与碳原子发生一次碰撞后的速度v与原来的速度的比值。
(2)一个动能为的快中子需要与静止的碳原子碰撞多少次，才能减速成为0.25eV的慢中子？
附部分常用对数
N 1.1 1.2 1.3 1.4
0.0414 0.0792 0.1139 0.1461
22．碰撞在宏观、微观世界中都是十分普遍的现象。
(1)如图1所示，在水平光滑的桌面上有两个大小相同的小球A、B，质量分别是m1、m2，A球以v1的速度与静止的B球相碰。碰撞后A、B的速度分别是v1'、v2'。如果碰撞过程中机械能守恒，这样的碰撞叫做弹性碰撞；如果碰撞过程中机械能不守恒，这样的碰撞叫做非弹性碰撞。若m1=2kg、m2=1kg，某次碰撞满足v1=2m/s、v2'=2m/s。通过计算碰撞前后的机械能说明该次碰撞属于弹性碰撞还是非弹性碰撞。
(2)裂变反应可以在人工控制下进行，用慢化剂中的原子核跟中子发生碰撞，使中子的速率降下来，从而影响裂变反应的反应速度。如图2所示，一个中子以速度v与慢化剂中静止的原子核发生弹性正碰，中子的质量为m，慢化剂中静止的原子核的质量为M，而且M＞m。为把中子的速率更好地降下来，现有原子核质量M大小各不相同的几种材料可以作为慢化剂，通过计算碰撞后中子速度的大小，说明慢化剂中的原子核M应该选用质量较大的还是质量较小的。
第1页 共4页 ◎ 第2页 共4页
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参考答案：
1．B
【详解】A．普朗克通过对黑体辐射规律的研究，提出“能量子”概念，把物理学带入了量子世界，故A正确，不符合题意；
B．α粒子散射实验，揭示了原子的核式结构模型，故B错误，符合题意；
C．丹麦物理学家玻尔提出了自己的原子结构假说，解释了氢原子的光谱，故C正确，不符合题意；
D．世界上第一座核反应堆装置的建立，标志着人类首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放，故D正确，不符合题意。
故选B。
2．C
【详解】A．福岛核电站利用的是重核裂变的原理发电，故A错误；
B．铯137衰变时，衰变产物中的为电子，故B错误；
C．速度与热运动速度相当的中子最易引发核裂变，故C正确；
D．排海污水中的铯137经60年将有四分之三发生衰变，故D错误。
故选C。
3．B
【详解】A．甲图是核反应堆示意图，利用镉棒对中子吸收能力强的特点，通过改变镉棒的插入深度，从而改变中子的数量来控制反应速度，故A错误：
B．乙图α粒子散射，揭示了原子的核式结构模型，表明原子核体积很小，故B正确；
C．丙图是原子核比结合能随质量数的变化规律，比结合能大的原子核越稳定，平均核子的质量越小，可见16O的平均核子质量要比9Be小，故C错误；
D．图丁说明产生光电效应时，频率大的光对应的遏止电压一定大，故D错误。
故选B。
4．A
【详解】A．“彩超”利用超声波的多普勒效应，根据反射波的频率变化，就能知道血流的速度，故A正确；
B．核电站的核反应堆发生核反应的过程中会放出大量的射线，其产物也有很多的放射性物质，核电站的核反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，故B错误；
C．光的衍射现象说明光具有波动性，故C错误；
D． 处于能级的氢原子发生电离所需要的能量
可知能量为1.89eV的光子，不能使处于能级的氢原子电离，故D错误。
故选A。
5．C
【详解】A．由题意可知，太阳发生热核反应的方程式为
故A项错误；
B．该反应放出热量，由质能方程可知，该反应过程中存在质量亏损，即该反应前后，质量不守恒，故B项错误；
C．太阳每分钟向空间辐射的能量为
由质能方程有
解得
所以太阳中的热核反应使太阳质量每分钟减少约，故C项正确；
D．目前世界上的核电站主要是利用重核裂变反应产生的能量来发电，故D项错误。
故选C。
6．A
【详解】A．核电池的发电原理是将放射性同位素衰变时产生的能量转化为电能，核电站是利用核裂变时产生的能量转化为电能，故A错误；
B．与高能β粒子相比，利用同位素钚238的核电池在衰变过程中释放的α粒子质量较大，速度较慢，用一张纸就可以阻挡，故B正确；
C．利用怀238的核电池可以较长时间提供电能，不受阳光、温度、压力、电磁场、化学反应的影响，故C正确；
D．镍52发射的高能β粒子是镍的中子变成质子放出的电子，故D正确。
本题选错误的，故选A。
7．C
【详解】A．目前核发电的原理是核裂变，而可控核聚变尚未实现工业核发电，故A错误；
B．核能是一种不可再生的能源，故B错误；
C．由图可知
粒子运动的最大半径等于，由
可得半径公式
其中
故
故C正确；
D．由
可知，磁感应强度正比于，而正比于温度，所以正比于，故若等离子体的温度变为原来的2倍，则所需的磁感应强度也变为原来的 倍，故D错误。
故选C。
8．D
【详解】A．核电站通过核裂变将核能转化为电能，故A错误；
B．变成要放出能量，故B错误；
C．吸收一个中子变成的过程中放出能量，总质量要减小，故C错误；
D．根据电荷数守恒和质量数守恒，变成的核反应方程式是
故D正确。
故选D。
9．AB
【详解】A．图①中射线2为电中性，可知射线2为射线，射线2的穿透能力最强，故A正确；
B．图②中镉棒的作用是吸收中子以控制反应速度，故B正确；
C．图③中的实验现象可得出原子核式结构，故C错误；
D．图④中的核反应属于衰变，故D错误。
故选AB。
10．BD
【详解】A．水泥防护层的作用是为了阻隔γ射线，避免放射性危害，故A错误；
B．镉棒的作用是可以吸收中子，以控制反应速度，故B正确；
C．反应堆放出的热量不可以直接全部转化为电能，故C错误；
D．核反应堆中的核废料需要装入特定的容器深埋地下，故D正确。
故选BD。
11．AC
【详解】A．卢瑟福通过分析粒子散射实验结果，提出了原子的核式结构模型，故A正确；
B．布朗运动实验，图中显示的是花粉颗粒的不同时刻的位置，不是运动轨迹，故B错误；
C．根据左手定则可得，丙图射线①是α射线，而图线③是β射线，γ射线不偏转，因此②是γ射线，故C正确；
D．图丁表示的核反应属于重核裂变，是人工可以控制的核反应，故D错误。
故选AC。
12．BD
【详解】
A．甲图中干簧管是一种能够感知磁场的传感器，故A错误；
B．乙图中LC电磁振荡电路电流流向正极板，此时刻电容器正在充电，电流减小，螺线管产生的磁场正在减弱，故B正确；
C．核电站的核反应堆发生核反应的过程中会放出大量的射线，其产物也有很多的放射性物质，核电站的核反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，故C错误；
D．“彩超”利用超声波的多普勒效应，根据反射波的频率变化，就能知道血流的速度，故D正确。
故选BD。
13． 中子 核裂变
【详解】[1]根据质量数守恒和质子数守恒可知反应中的X质量数为1，电荷数为0，为中子；
[2]目前人类获得核能的主要方式是核裂变。
14． 质子和中子 核裂 31%
【详解】（1）[1][2]．原子核是由质子和中子组成的。在反应堆中，核燃料（如铀）发生核裂变反应释出大量的核能。
（2）[3]．4.0×109kg煤完全燃烧时放出的热量是：
Q=mq=4.0×109kg×2.9×107J/kg=1.16×1017 J。
（3）[4]．据可得
（4）[5]．核电站每年发电量约1010kW h，即
W=1010×3.6×106 J=3.6×1016 J
火力发电站的效率
15．A 16．A 17．C 18．AC 19．（1）合外力逐渐减小；（2）；（3）3600W
【解析】15．1.[1]太阳能属于可再生资源，并且它们的使用也不会对环境及大气造成污染，属于清洁能源，煤炭和天然气燃烧后产生有害气体属于非清洁能源，故选A。
16．2.[2]核电站利用重核裂变，链式反应获得能量，不是化学变化，故选A。
17．3.[3]A．电脑使用完毕后关机并切断电源，有利于节省电能，故A不符合题意；
B．长时间外出需要切断热水器电源，有利于放止热水器反复加热而浪费电能，故B不符合题意；
C．电视机长时间处于待机状态，也会消耗电能，故C符合题意；
D．手机充电结束后拔掉充电器，有利于节省电能，故D不符合题意。
故选C。
18．4[4].A电动车行驶过程中消耗电能，噪音小、无尾气排放，更环保，故A符合题意；
B任何机械的效率都不会达到100%，故B不符合题意；
C充电时将电能转化为化学能储存在电池里，故C符合题意；
D工作原理是电动机原理，线圈在磁场里受到安培力的作用，故D不符合题意。
故选AC。
19．5.（1）[5]根据图线可知速度减小的越来越慢，即加速度逐渐减小到零，根据牛顿第二定律可知，汽车受到的合外力逐渐减小；
（2）[6]在车自由滑行时
开启“动能回收”装置后
则共回收的电能为
（3）[7]根据图线①可知受到的合外力为
可得
F=500N
150m处的速度为
解得
此时回收功率为
代入数据可得
P=3600W
20．
【详解】1kg含有的原子数目
而200MeV相当于，则1kg铀完全裂变释放能量
所释放的能量相当于完全燃烧的煤的质量
21．(1)；(2)56次
【详解】(1)设中子与碳核的质量分别为m和M，碰前中子速度为，碰后中子与碳核的速度分别为v和，碰撞前后动量，机械能均守恒
由得
因，所以
(2)经一次碰撞后中子的能量为
经2，3，…，n次碰撞后中子的能量依次为，，…，，即
故快中子需要与静止的碳原子碰撞56次，才能减速成为0.025eV的慢中子。
22．(1)非弹性碰撞；(2)v；原子核质量应选较小的
【详解】(1)根据动量守恒定律有
m1 v1= m1+m2
解得：
=1m/s
碰前机械能
=4J
碰后机械能
=3J
则
有机械能损失，是非弹性碰撞
(2)令碰撞后中子速度为，某原子核速度为，根据动量守恒定律有
m v= m+M
由能量关系
解得碰撞后中子速度
因为M>m，所以
可见，M越小，越小，为了使中子速率更好降下来，慢化剂中的原子核质量应选较小的
答案第1页，共2页
答案第1页，共2页