第十九章 第七节 核聚变 第八节 粒子和宇宙 Word版含解析

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名称 第十九章 第七节 核聚变 第八节 粒子和宇宙 Word版含解析
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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 2020-10-27 16:38:16

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第七节 核聚变
第八节 粒子和宇宙
『判一判』
(1)核聚变时吸收能量。(×)
(2)核聚变平均每个核子放出的能量,比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。(√)
(3)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。(√)
(4)质子、中子不能再分。(×)
(5)夸克的带电量是电子电荷的整数倍。(×)
(6)太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦,以电磁波的形式向外辐射核能。(√)
『选一选』
(多选)我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应有:
(1)U+n→Sr+Xe+kn
(2)H+H→He+dn
关于这两个方程,下列说法正确的是( BC )
A.方程(1)属于α衰变
B.方程(2)属于轻核聚变
C.方程(1)中k=10,方程(2)中d=1
D.方程(1)中k=6,方程(2)中d=1
解析:方程(1)属于重核裂变,方程(2)属于轻核聚变,选项A错误而B正确;由质量数和电荷数守恒得,k=10,d=1,选项C正确而D错误。
『想一想』
万物生长靠太阳(如图),太阳在我们日常生活中是不可替代的,它提供给地球足够的能源,如果说太阳一旦没有了,那么地球上的一切生物都将随之消失。
你知道太阳的能量来源吗?
答:来源于太阳内部的核聚变反应
课内互动探究
细研深究·破疑解难·萃取精华
探究?
轻核的聚变
┃┃思考讨论1__■
如图为氢弹原理示意图。
(1)核聚变需要满足什么条件?
(2)为什么要用原子弹才能引爆氢弹?
提示:(1)要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15
m。
(2)它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
┃┃归纳总结__■
1.轻核聚变是放能反应
从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。
2.聚变发生的条件
要使轻核聚变,就必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15
m,但是原子核是带正电的,要使它们接近10-15
m就必须克服很大的库仑斥力作用,这就要求原子核应具有足够的动能。方法是给原子核加热,使其达到几百万度的高温。
3.核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。
(2)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
(3)普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。
4.核聚变的应用
(1)核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
(2)可控热核反应:目前处于探索阶段。
┃┃典例剖析__■
 典例1 太阳现在正处于主序星演化阶段,它主要是由电子和质子、氦核等组成,维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应,核反应为两个电子与四个质子聚变为氦。已知太阳的质量为2×1030
kg,太阳向周围空间辐射能量的总功率为3.8×1026
W。
(1)写出上述聚变反应的方程;
(2)已知质子质量mp=1.67×10-27
kg,氦核质量mα=6.645
8×10-27
kg,电子质量me=9.0×10-31
kg,光速c=3.0×108
m/s,求每发生一次上述核反应所释放的能量。
(3)根据题目中数据计算太阳1秒钟减少的质量。太阳还能用多少年?
解题指导:(1)聚变的核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒。
(2)核能计算的关键是求出核反应中的质量亏损,然后根据受因斯坦质能方程求解。
(3)由m=tΔm求时间。
解析:(1)根据聚变反应满足质量数、电荷数守恒得核反应方程为2e+4H―→He
(2)反应中的质量亏损
Δm=2me+4mp-mα=(2×9.0×10-31+4×1.67×10-27-6.6458×10-27)
kg=3.6×10-29
kg
由爱因斯坦质能方程可知核反应释放的能量ΔE=Δmc2=3.6×10-29×(3.0×108)2
J=3.24×10-12
J
(3)太阳每秒释放的能量为3.8×1026
J,则太阳每秒减少的质量
Δm==
kg=4.2×109
kg
太阳还能用t==
s=4.76×1020
s
=1.5×1013年
答案:(1)2e+4H―→He (2)3.24×10-12
J
(3)4.2×109
kg 1.5×1013年
┃┃对点训练__■
1.(2020·广东省佛山一中、顺德一中、石门中学高二下学期期末)太阳内部有多种热核反应,其中的一个反应方程是:H+H→He+x,若已知H的质量为m1,H的质量为m2,He的质量为m3,x的质量为m4,则下列说法中正确的是( C )
A.x是质子
B.x是电子
C.这个反应释放的核能为ΔE=(m1+m2-m3-m4)c2
D.H和H在常温下就能够发生聚变
解析:根据核反应方程质量数和核电荷数守恒,可知x的电荷数是0,质量数是1,所以x是中子,故AB错误;由质能方程可知,这个反应释放的核能为ΔE=(m1+m2-m3-m4)c2;H和H只有在极高温度下才能够发生聚变反应,故D错误。
探究?
新粒子的发现和夸克模型
┃┃思考讨论2__■
如图所示为粒子发展示意图。
(1)为什么现在将“基本”二字去掉,统称为粒子?
(2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破?
提示:(1)随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的,又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。所以现在将“基本”二字去掉,统称为粒子。
(2)夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破,它指出电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷。
┃┃归纳总结__■
1.发现新粒子
发现时间
1932年
1937年
1947年
60年代后
新粒子
反粒子
μ子
K介子与π介子
超子
基本特点
质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反
比质子的质量小
质量介于电子与质子之间
其质量比质子大
按照粒子与各种相互作用的关系,可以将粒子分为三大类:强子、轻子和媒介子。
2.粒子的分类
分类
参与的相互作用
发现的粒子
备注
强子
参与强相互作用
质子、中子、介子、超子
强子有内部结构,由“夸克”构成;强子又可分为介子和重子
轻子
不参与强相互作用
电子、电子中微子、μ子、μ子中微子,τ子、τ子中微子
未发现内部结构
媒介子
传递各种相互作用
光子、中间玻色子、胶子
光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
3.夸克模型
(1)夸克的提出
1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型,认为强子是由夸克构成的。
(2)夸克的种类
上夸克(u)
、下夸克(d)、奇夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。
(3)夸克所带电荷
夸克所带的电荷量是分数电荷量,即其电荷量为元电荷的±或±。例如上夸克带的电荷量为+2e/3,下夸克带的电荷量为-e/3。
特别提醒
粒子具有对称性,有一个粒子,必存在一个反粒子,所以每种夸克都有对应的反夸克。
┃┃典例剖析__■
 典例2 在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别,因此在实验中很难探测。1953年,莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统,利用中微子与水中H的核反应,间接地证实了中微子的存在。
(1)中微子与水中的H发生核反应,产生中子(n)和正电子(e),即:中微子+H→n+e
可以判定,中微子的质量数和电荷数分别是__A__。(填写选项前的字母)
A.0和0       
B.0和1
C.1和0
D.1和1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇,与电子形成几乎静止的整体后,可以转变为两个光子(γ),即e+e→2γ已知正电子和电子的质量都为9.1×10-31
kg,反应中产生的每个光子的能量约为__8.2×10-14__J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子,原因是__此过程遵循动量守恒定律__。
解题指导:(1)由核反应过程质量数和电荷数守恒判断。
(2)根据E=Δmc2和动量守恒求解。
解析:(1)发生核反应前后,粒子的质量数和电荷数均不变,据此可知中微子的质量数和电荷数都是0,A项正确。
(2)产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后,质量变为零,则E=Δmc2,故一个光子的能量为,代入数据得=8.2×10-14
J。正电子与水中的电子相遇,与电子形成几乎静止的整体,故系统总动量为零,所以如果只产生一个光子是不可能的,因为此过程遵循动量守恒定律。
┃┃对点训练__■
2.(多选)(2020·北京临川育人学校高二下学期期中)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(反夸克或反夸克)组成的,它们带电量如下表所示,表中e为元电荷。
π+
π-
u
d
带电量
+e
-e
+e
-e
-e
+e
下列说法正确的是( AD )
A.π+由u和组成 
B.π+由d和组成
C.π-由u和组成
D.π-由d和组成
解析:根据题目所给图表可以知道各种粒子的带电量,由电荷守恒定律可得A、D正确,B、C错误。
核心素养提升
易错警示·以题说法·启智培优
轻核聚变与重核裂变的区别
   反应方式比较项目   
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核放出核能
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3~4倍
核废料处理难度
聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的蕴藏量
核裂变燃料铀在地球上储量有限,尤其用于核裂变的235U在铀矿石中只占0.7%
主要原料是氚,氚在地球上的储量非常丰富。1
L海水中大约有0.03
g氚,如果用来进行热核反应放出的能量约与燃烧300
L汽油相当
可控性
速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用裂变反应释放核能
目前,除氢弹以外,人们还不能控制它
案例 (多选)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.根据公式E=mc2可知,核燃料的质量相同时,聚变反应释放的能量比裂变反应大得多
D.根据公式E=mc2可知,核燃料的质量相同时,聚变反应释放的能量与裂变反应相同
解析:H+H―→He+n是轻核聚变方程,故A正确;选项B的核反应方程是核裂变方程,故B错误;根据轻核聚变特点,聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3~4倍,相同质量的核燃料,轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多,故选项C正确,D错误。
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