高中物理人教版选修3-5 作业题 19.7 核聚变+粒子和宇宙 Word版含解析
文档属性
| 名称 | 高中物理人教版选修3-5 作业题 19.7 核聚变+粒子和宇宙 Word版含解析 |  | |
| 格式 | DOC | ||
| 文件大小 | 710.5KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-10-19 08:47:01 | ||
图片预览
文档简介
核聚变
粒子和宇宙
时间：45分钟
一、选择题(1～3为单选，4～9为多选)
1．1994年3月，中国科技大学研制成功了比较先进的HT－7型超导托卡马克，托卡马克(Tokamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)，kamera(真空室)，magnet(磁)的头两个字母以及katushak(线圈)的第一个字母组成的缩写词，根据以上信息，下列说法错误的是( B )
A．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，与太阳发光的原理类似
B．这种装置同我国秦山核电站、大亚湾核电站所使用的核装置反应原理相同
C．这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定的释放
D．这种装置产生的核聚变对环境的污染比核裂变要轻得多
解析：到目前为止，核聚变还没有得到广泛的应用，不管哪国的核电站都是利用重核的裂变，故B说法是错误的．
2．大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电．氘核聚变反应方程是：H＋H→He＋n.已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u,1 u＝931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为( B )
A．3.7 MeV B．3.3 MeV
C．2.7 MeV D．0.93 MeV
解析：氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.013 6 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931 MeV/c2×c2≈3.3 MeV，选项B正确．
3．2008年9月10日，欧洲核研究组织(CERN)的大型强子对撞器于北京时间10日下午启动，展开历史上最复杂也最激动人心的科学实验，就是模拟宇宙大爆炸．据香港《大公报》等媒体报道，英国物理学家霍金指出，这次实验将是物理学“新黄金时代”，打开了物质和宇宙秘密宝库．但有科学家担忧，实验可能产生微型黑洞，令“世界末日来临”．科学家相信宇宙诞生时正物质和反物质数量一样多，他们要探究之后没有反物质留下的原因．欧洲和美国的科学研究机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子．这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是( B )
A．由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成
B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成
C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成
D．由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成
解析：根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异性电荷．因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量．所以反氢原子是由H核和e构成的．
4．1999年9月18日，中共中央、国务院、中央军委在人民大会堂隆重表彰为研制“两弹一星”作出突出贡献的科技专家，下列核反应方程中属于研究两弹的基本的核反应方程式是( BD )
A.N＋He→O＋H
B.U＋n→Sr＋Xe＋10n
C.U→Th＋He
D.H＋H→He＋n
5．据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是( AC )
A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n
B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n
C．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2
D．“人造太阳”核能大小的计算公式是E＝mc2
解析：“人造太阳”是全超导核聚变实验装置，核反应是轻核聚变而不是重核裂变，故选项A正确，选项B错误．核能大小的计算根据爱因斯坦的质能方程，故选项C正确，选项D错误．
6．下列说法正确的是( BCD )
A．质子、电子、中子都是轻子
B．反粒子的质量与对应粒子的质量相同，二者电性相反
C．质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子
D．目前发现的轻子有6种，其中τ子的质量比核子的质量还大
7．关于反粒子，下列说法正确的是( ABC )
A．电子的反粒子就是正电子，它的电荷量与电子相同，但带的是正电荷
B．质子的反粒子就是反质子，它的电荷量与质子相同，但带的是负电荷
C．粒子与它的反粒子质量相同
D．粒子与它的反粒子的物理性质相反
8．美国费米国家加速器实验室于2008年8月宣布，在对撞实验中发现一种新型粒子——欧米伽b重子，这是迄今为止物理学界发现的质量最大的重子．这一发现也证实夸克模型是成功的．
1961年，理论物理学家提出夸克模型，指出重子是由3个夸克组成的亚原子粒子．现代物理学认为，夸克共分6种3类：上夸克、下夸克；粲夸克，奇异夸克；顶夸克、底夸克(如下表)．质子由两个上夸克加一个下夸克组成，则中子的构成是两个下夸克加一个上夸克，因此人类目前所接触的物质都是由第一类夸克组成的．此次对撞实验发现的新型粒子是由2个奇异夸克和1个底夸克组成的．这是物理学界首次发现由后两类夸克混合组成的重子．注1 G＝109.
符号 中文名称 英文名称 带电荷量(e) 质量(GeV/c2)
u 上夸克 up ＋2/3 0.004
d 下夸克 down －1/3 0.008
c 粲夸克 charm ＋2/3 1.5
s 奇异夸克 strange －1/3 0.15
t 顶夸克 top ＋2/3 176
b 底夸克 bottom －1/3 4.7
根据以上信息可以判定( ACD )
A．欧米伽b重子带的电荷量为－e
B．欧米伽b重子的质量是质子质量的250倍
C．欧米伽b重子的质量是中子质量的250倍
D．质量单位GeV/c2可由质能方程E＝mc2得知1 GeV/c2＝1.78×10－27 kg
解析：由表中信息知，欧米伽b重子带的电荷量为－e×2＋＝－e，A对；欧米伽b重子的质量为(4.7＋0.15×2) GeV/c2＝5 GeV/c2，中子的质量为(0.008×2＋0.004)GeV/c2＝0.02 GeV/c2，C对；质子质量(0.004×2＋0.008)GeV/c2＝0.016 GeV/c2，B错；1 GeV/c2＝1×109×1.6×10－19/(3×108)2 kg＝1.78×10－27 kg，D对．
9．下列说法正确的是( BD )
A.N＋H→C＋He是α衰变方程
B.H＋H→He＋γ是核聚变反应方程
C.U→Th＋He是核裂变反应方程
D.He＋Al→P＋n是原子核的人工转变方程
解析：本题主要考查核反应方程问题，A为人工转变方程，A错误．B为核聚变方程，B正确．C为α衰变方程，C错误．D为原子核的人工转变方程，D正确，答案为B、D.
二、非选择题
10．氘发生热核反应有如下四种情况，而且每种情况几率相同(大量粒子的统计规律)．
H＋H→H＋H＋4 MeV
H＋H→He＋n＋17.6 MeV
H＋H→He＋n＋3.3 MeV
He＋H→He＋H＋18.3 MeV
1 L海水中大约有0.03 g氘，如果这些氘核完全聚变，释放的能量是多少？
答案：1.04×1010 J
解析：由题给条件知，4种情况中共有6个氘核参与反应，平均每个氘核放出的能量是7.2 MeV.1 L海水中的氘核数为×6.02×1023＝9.03×1021个，每升海水可放能E＝1.04×1010 J.
11．核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源．近几年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站．一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子．若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 0 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u,1 u＝1.66×10－27 kg.
(1)写出氘和氚聚变的反应方程；
(2)试计算这个核反应释放出来的能量；
(3)若建一座功率为3.0×105 kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗的氘的质量？(一年按3.2×107 s计算，光速c＝3.0×108 m/s，结果取两位有效数字)
答案：(1)H＋H→He＋n (2)2.8×10－12 J (3)23 kg
解析：(1)H＋H→He＋n.
(2)ΔE＝Δmc2＝(2.014 1＋3.016 0－4.002 6－1.008 7)×1.66×10－27×9×1016 J＝2.8×10－12 J.
(3)M＝×MD
＝ kg
＝23 kg.
12.K－介子衰变的方程为：K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子带负的元电荷，π0介子不带电．一个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其中轨迹为圆弧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，如图所示，它们的半径RK－与Rπ－之比为2?1，π0介子的轨迹未画出．求π－介子的动量大小与π0介子的动量大小之比．
答案：1?3
解析：由题意及图示可知，K－介子在P点处动量方向向下，衰变后生成的π－介子动量方向向上．由在匀强磁场中带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动的半径公式R＝知，在q、B相同的情况下，动量和半径成正比，所以|pK－|?|pπ－|＝RK－?Rπ－＝2?1，若选向下方向为正，则由K－介子衰变过程中动量守恒，得|pK－|＝－|pπ－|＋|pπ0|，整理得|pπ－|?|pπ0|＝1?3.
粒子和宇宙
时间：45分钟
一、选择题(1～3为单选，4～9为多选)
1．1994年3月，中国科技大学研制成功了比较先进的HT－7型超导托卡马克，托卡马克(Tokamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)，kamera(真空室)，magnet(磁)的头两个字母以及katushak(线圈)的第一个字母组成的缩写词，根据以上信息，下列说法错误的是( B )
A．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，与太阳发光的原理类似
B．这种装置同我国秦山核电站、大亚湾核电站所使用的核装置反应原理相同
C．这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定的释放
D．这种装置产生的核聚变对环境的污染比核裂变要轻得多
解析：到目前为止，核聚变还没有得到广泛的应用，不管哪国的核电站都是利用重核的裂变，故B说法是错误的．
2．大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电．氘核聚变反应方程是：H＋H→He＋n.已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u,1 u＝931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为( B )
A．3.7 MeV B．3.3 MeV
C．2.7 MeV D．0.93 MeV
解析：氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.013 6 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931 MeV/c2×c2≈3.3 MeV，选项B正确．
3．2008年9月10日，欧洲核研究组织(CERN)的大型强子对撞器于北京时间10日下午启动，展开历史上最复杂也最激动人心的科学实验，就是模拟宇宙大爆炸．据香港《大公报》等媒体报道，英国物理学家霍金指出，这次实验将是物理学“新黄金时代”，打开了物质和宇宙秘密宝库．但有科学家担忧，实验可能产生微型黑洞，令“世界末日来临”．科学家相信宇宙诞生时正物质和反物质数量一样多，他们要探究之后没有反物质留下的原因．欧洲和美国的科学研究机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子．这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是( B )
A．由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成
B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成
C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成
D．由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成
解析：根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异性电荷．因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量．所以反氢原子是由H核和e构成的．
4．1999年9月18日，中共中央、国务院、中央军委在人民大会堂隆重表彰为研制“两弹一星”作出突出贡献的科技专家，下列核反应方程中属于研究两弹的基本的核反应方程式是( BD )
A.N＋He→O＋H
B.U＋n→Sr＋Xe＋10n
C.U→Th＋He
D.H＋H→He＋n
5．据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是( AC )
A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n
B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n
C．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2
D．“人造太阳”核能大小的计算公式是E＝mc2
解析：“人造太阳”是全超导核聚变实验装置，核反应是轻核聚变而不是重核裂变，故选项A正确，选项B错误．核能大小的计算根据爱因斯坦的质能方程，故选项C正确，选项D错误．
6．下列说法正确的是( BCD )
A．质子、电子、中子都是轻子
B．反粒子的质量与对应粒子的质量相同，二者电性相反
C．质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子
D．目前发现的轻子有6种，其中τ子的质量比核子的质量还大
7．关于反粒子，下列说法正确的是( ABC )
A．电子的反粒子就是正电子，它的电荷量与电子相同，但带的是正电荷
B．质子的反粒子就是反质子，它的电荷量与质子相同，但带的是负电荷
C．粒子与它的反粒子质量相同
D．粒子与它的反粒子的物理性质相反
8．美国费米国家加速器实验室于2008年8月宣布，在对撞实验中发现一种新型粒子——欧米伽b重子，这是迄今为止物理学界发现的质量最大的重子．这一发现也证实夸克模型是成功的．
1961年，理论物理学家提出夸克模型，指出重子是由3个夸克组成的亚原子粒子．现代物理学认为，夸克共分6种3类：上夸克、下夸克；粲夸克，奇异夸克；顶夸克、底夸克(如下表)．质子由两个上夸克加一个下夸克组成，则中子的构成是两个下夸克加一个上夸克，因此人类目前所接触的物质都是由第一类夸克组成的．此次对撞实验发现的新型粒子是由2个奇异夸克和1个底夸克组成的．这是物理学界首次发现由后两类夸克混合组成的重子．注1 G＝109.
符号 中文名称 英文名称 带电荷量(e) 质量(GeV/c2)
u 上夸克 up ＋2/3 0.004
d 下夸克 down －1/3 0.008
c 粲夸克 charm ＋2/3 1.5
s 奇异夸克 strange －1/3 0.15
t 顶夸克 top ＋2/3 176
b 底夸克 bottom －1/3 4.7
根据以上信息可以判定( ACD )
A．欧米伽b重子带的电荷量为－e
B．欧米伽b重子的质量是质子质量的250倍
C．欧米伽b重子的质量是中子质量的250倍
D．质量单位GeV/c2可由质能方程E＝mc2得知1 GeV/c2＝1.78×10－27 kg
解析：由表中信息知，欧米伽b重子带的电荷量为－e×2＋＝－e，A对；欧米伽b重子的质量为(4.7＋0.15×2) GeV/c2＝5 GeV/c2，中子的质量为(0.008×2＋0.004)GeV/c2＝0.02 GeV/c2，C对；质子质量(0.004×2＋0.008)GeV/c2＝0.016 GeV/c2，B错；1 GeV/c2＝1×109×1.6×10－19/(3×108)2 kg＝1.78×10－27 kg，D对．
9．下列说法正确的是( BD )
A.N＋H→C＋He是α衰变方程
B.H＋H→He＋γ是核聚变反应方程
C.U→Th＋He是核裂变反应方程
D.He＋Al→P＋n是原子核的人工转变方程
解析：本题主要考查核反应方程问题，A为人工转变方程，A错误．B为核聚变方程，B正确．C为α衰变方程，C错误．D为原子核的人工转变方程，D正确，答案为B、D.
二、非选择题
10．氘发生热核反应有如下四种情况，而且每种情况几率相同(大量粒子的统计规律)．
H＋H→H＋H＋4 MeV
H＋H→He＋n＋17.6 MeV
H＋H→He＋n＋3.3 MeV
He＋H→He＋H＋18.3 MeV
1 L海水中大约有0.03 g氘，如果这些氘核完全聚变，释放的能量是多少？
答案：1.04×1010 J
解析：由题给条件知，4种情况中共有6个氘核参与反应，平均每个氘核放出的能量是7.2 MeV.1 L海水中的氘核数为×6.02×1023＝9.03×1021个，每升海水可放能E＝1.04×1010 J.
11．核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源．近几年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站．一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子．若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 0 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u,1 u＝1.66×10－27 kg.
(1)写出氘和氚聚变的反应方程；
(2)试计算这个核反应释放出来的能量；
(3)若建一座功率为3.0×105 kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗的氘的质量？(一年按3.2×107 s计算，光速c＝3.0×108 m/s，结果取两位有效数字)
答案：(1)H＋H→He＋n (2)2.8×10－12 J (3)23 kg
解析：(1)H＋H→He＋n.
(2)ΔE＝Δmc2＝(2.014 1＋3.016 0－4.002 6－1.008 7)×1.66×10－27×9×1016 J＝2.8×10－12 J.
(3)M＝×MD
＝ kg
＝23 kg.
12.K－介子衰变的方程为：K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子带负的元电荷，π0介子不带电．一个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其中轨迹为圆弧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，如图所示，它们的半径RK－与Rπ－之比为2?1，π0介子的轨迹未画出．求π－介子的动量大小与π0介子的动量大小之比．
答案：1?3
解析：由题意及图示可知，K－介子在P点处动量方向向下，衰变后生成的π－介子动量方向向上．由在匀强磁场中带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动的半径公式R＝知，在q、B相同的情况下，动量和半径成正比，所以|pK－|?|pπ－|＝RK－?Rπ－＝2?1，若选向下方向为正，则由K－介子衰变过程中动量守恒，得|pK－|＝－|pπ－|＋|pπ0|，整理得|pπ－|?|pπ0|＝1?3.