热点二 “人造太阳”装置 2021届高考物理热点押题训练 Word版含答案

热点二 “人造太阳”装置
2021届高考物理热点押题训练
热点材料：
中国核聚变发展取得重大突破！澎湃新闻从中核集团获悉，2020年12月4日14时02分，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置（HL—2M）在成都建成并实现首次放电，标志着中国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下坚实基础。中国环流器二号M装置是我国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，是我国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置，采用更先进的结构与控制方式，等离子体体积达到国内现有装置2倍以上，等离子体电流能力提高到2.5兆安培以上，等离子体离子温度可达到1.5亿度，能实现高密度、高比压、高自举电流运行，是实现我国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置，也是我国消化吸收ITER技术不可或缺的重要平台。
考查知识：核聚变、核能、磁场约束
押题训练
1.据新华网2019年6月24日报道，中国科学院空天信息研究院和中国科学技术大学等单位联合研制出高速高精度激光汤姆孙散射仪，为我国未来磁约束聚变能装置的高精度测量奠定了坚实的基础。下列说法正确的是（ ）
A.激光被散射后频率不变 B.激光被散射后频率增大
C.核聚变反应在常温下就可以发生 D.核聚变反应能够释放能量
2.太阳释放的巨大能量来源于核聚变。一个氘核与一个氚核聚变成一个氦核的同时释放出一个中子，若氘核、氚核、氦核和中子的质量分别为和，真空中的光速为c，那么一个氘核和一个氚核发生核聚变时，释放的能量是( )
A. B.
C. D.
3.据报道，新一代国产可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”将于2020年投入运行，使我国在可控核聚变研究方向上向前跨越了一大步。该装置主要是通过磁约束来稳定产生的高温等离子团，使核聚变反应在可控范围内发生。如果该核聚变装置所用的燃料是和，生成物中有。已知的质量分别是，光在真空中的传播速度为c。根据以上信息及所学知识，你认为下列说法正确的是( )
A.表示原子核内有2个质子和1个中子
B.该核聚变反应释放出核能，质量数减少
C.该核聚变反应的方程为
D.该核聚变反应释放出的核能为
4.太阳内部进行的核反应主要是热核反应，其中一种核反应的方程是，其中为核反应释放的能量，已知的比结合能为，的比结合能为，的比结合能为，则的大小等于( )
A. B.
C. D.
5.在超导托卡马克实验装置中，质量为的与质量为的发生核聚变反应，放出质量为的，并生成质量为的新核.若已知真空中的光速为，则下列说法正确的是( )
A.新核的中子数为2，且该新核是的同位素
B.该过程属于衰变
C.该反应释放的核能为
D.核反应前后系统动量不守恒
6.下列说法正确的是( )
A.根据玻尔理论，氢原子的核外电子从低轨道跃迁到高轨道时，电子的动能减小，原子的总能量也减小
B.一个质子和一个中子结合成一个氘核时释放能量，表明此过程出现了质量亏损
C.的半衰期为24天，在经过48天后将全部衰变完毕
D.太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变反应
7.中国科学院空天信息研究院和中国科学技术大学等单位联合研制出高速高精度激光汤姆孙散射仪，为我国未来磁约束聚变能装置的高精度测量奠定了坚实基础。图示为康普顿效应示意图，下列说法正确的是( )
A.碰撞后光子的波长变短 B.该散射效应表明光具有波动性
C.碰撞后光子的频率减小 D.光电效应和康普顿效应都表明光子具有动量
8.居里夫人传记电影《放射性物质》已正式上映，电影讲述了玛丽·居里和丈夫之间的情感以及他们对科学的贡献。居里夫人发现了放射性元素钋（），并发现钋（）发生衰变时会产生α粒子和新原子核，使人们对放射性物质有了更深入的认识。如图所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中固定两个相距为d的钋放射源，衰变中产生的α粒子能够沿垂直连线的方向射出，若零时刻放射源P垂直磁场射出一个α粒子，t时刻放射源Q射出另一α粒子，时刻两粒子相遇，假设两个α粒子的速度相同，小于α粒子运动的半个周期，粒子重力不计，以下说法中正确的是( )
A.磁感应强度方向垂直纸面向里 B.粒子的比荷为
C.粒子的速度大小为 D.升高温度可以加快放射性物质的衰变
9.2020年11月27日，华龙一号全球首堆——中核集团福清核电5号机组首次并网成功，标志着中国正式进入核电技术先进国家行列。核电站的产热核心是放射性重元素，通常为铀-235。以下关于华龙一号的说法正确的是( )
A.华龙一号中发生的是核聚变
B.华龙一号中可能发生的一种反应是
C.核反应堆中可采用重水、石墨作为慢化剂
D.核反应过程中遵循质量守恒定律
10.我国著名物理学家于敏院士被誉为“中国氢弹之父”，曾荣获“共和国勋章”。下列关于原子与原子核说法正确的是( )
A.原子弹的反应原理是核裂变，反应方程为
B.氢弹的反应原理是核聚变，反应方程为
C.一个处于能级的氢原子，自发地向低能级跃迁的过程中最多能够辐射5种不同频率的电磁波
D.无论是核聚变还是核裂变，反应后原子核结合能增大，核子结合越牢固，原子核越稳定
11.现代科学研究中常用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场加速电子的设备，电子感应加速器主要由上、下电磁铁磁极和环形真空室组成。当电磁铁绕组通以变化的电流时会产生变化的磁场，穿过真空室所包围区域的磁通量也随时间变化，这时真空室空间内就产生感应涡旋电场，电子将在涡旋电场作用下加速。如图所示（上方为侧视图，下方为真空室的俯视图），若电子(不计重力）被“约束”在半径为R的圆周上沿逆时针方向运动，此时电磁铁绕组通以图中所示的电流，则（ ）
A.此时真空室中的磁场方向是从上往下
B.被加速时，电子运动的半径一定变大
C.电子被加速时，电磁铁绕组中电流增大
D.被加速时，电子做圆周运动的周期保持不变
12.中核集团核工业西南物理研究院2019年建成我国新托卡马克装置一一中国环流器二号M装置，托卡马克装置意在通过可控热核聚变方式，给人类带来几乎无限的清洁能源，俗称“人造太阳”。要实现可控热核聚变，装置中必须有极高的温度，因而带电粒子将没有通常意义上的“容器”可装，而是通过磁约束，使之长时间束缚在某个有限空间内。如图所示，环状磁场的内半径为，外半径为，磁感应强度大小为B，中空区域内带电粒子的质量为m，电荷量为q，具有各个方向的速度。欲保证带电粒子都不会穿出磁场的外边缘而被约束在半径为的区域内，则带电粒子的最大速度为（ ）
A. B. C. D.
13.由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置试用已经成功，标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。设可控热核反应前氘核（）的质量为，氚核（）的质量为，反应后氦核（）的质量为，中子（）的质量为，已知真空中的光速为c。下列说法中正确的是( )
A.核反应放出的能量为
B.上述核反应过程中原子核的比结合能增加
C.这种热核反应释放出氦核，是衰变
D.这种装置的核反应原理与我国大亚湾核电站所使用核装置的原理相同
14.质谱仪又称质谱计，是分离和检测不同同位素的仪器.其示意图如图所示，其中加速电压U恒定，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直纸面向外，氦核和α粒子分别从容器A下方的小孔处从静止开始被电场加速，在小孔处经匀强磁场偏转后，打在水平放置的照相底片上，照相底片感光的两处分别为，、M间的距离为L，不计离子的重力及电、磁场的边缘效应.
（1）通过计算说明氦核打在M处；
（2）求的距离。
15.如图，某种质谱仪由以下几部分构成：粒子源间电压恒为U的加速电场；静电分析器，即中心线半径为R的四分之一圆形通道，通道内有均匀辐射电场，方向沿径向指向圆心O，且与圆心O等距的各点电场强度大小相等，只有沿圆形通道的中心线运动的粒子才能通过静电分析器的小孔；磁感应强度为B的有界匀强磁场，方向垂直纸面向外；胶片M。
（1）求静电分析器中到圆心O的距离为R处的电场强度大小；
（2）若粒子源N发出的两种粒子，分别打到胶片M上的位置，通过演算分析比较它们的比荷大小。
16.如图所示，半径为l的弧形金属薄板，顶部有一直径为的小孔，圆弧圆心O处有一粒子源，粒子源与金属薄板间存在电势差为U的均匀辐向电场，金属薄板上方有一垂直纸面的有界匀强磁场，磁感应强度为B。直线为过小孔圆心且与圆弧相切的水平线。质量为m、电荷量为+q的粒子，从粒子源O处无初速度逸出，经电场加速后从小孔射出，立即进入磁场，从小孔左右两侧射出的粒子，经磁场偏转后以水平方向速度离开磁场。当角很小时取，不计粒子重力及其相互作用。求：
（1）粒子进入磁场的速度大小。
（2）从小孔左右两侧射出的粒子在磁场中运动的时间差。
（3）从小孔左右两侧射出的带电粒子从磁场飞出时位置的竖直高度差。
答案以及解析
1.答案：D
解析：AB. 根据康普顿效应可知，激光与其他粒子碰撞时，把一部分动量转移给对方，根据可知，激光散射后波长变长，根据可知，频率减小，故AB错误；
C. 核聚变反应又称为热核反应，需要高温条件，在常温下不能发生，故C错误；
D. 核聚变反应发生质量亏损，释放能量，故D正确。
2.答案：B
解析：氘核与氚核聚变反应方程为，由知，一个氘核和一个氚核发生核聚变时释放的能量为，B正确，ACD错误。
3.答案：C
解析：表示原子核内有1个质子和1个中子，A错误；由于核反应发生前后质量数守恒和电荷数守恒，可知该核聚变反应的方程为，B错误，C正确；根据该核聚变反应方程可知生成物中有中子，计算质量亏损时要考虑其质量，由此可知，D错误。
4.答案：D
解析：核反应放出的能量即反应后原子核的结合能与反应前原子核的结合能之差，反应后的原子核的结合能更大，根据结合能与比结合能的关系可知，该核反应放出能量，D项正确。
5.答案：A
解析：由质量数守恒和电荷数守恒可知，新核的质量数和电荷数分别为4和2，所以该新核是，是的同位素，中子数为2，A正确；该过程是核聚变反应，不属于衰变，B错误；该反应释放的核能为，C错误；核反应前后系统动量守恒，D错误。
6.答案：B
解析：本题考查玻尔理论、核反应、半衰期和质量亏损。原子核的核外电子从低轨道跃迁到高轨道需要吸收能量，原子的总能量增加，A错误。一个质子和一个中子结合成氘核时释放能量，出现了质量亏损，B正确。经过48天后剩下的质量为，C错误。太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核聚变反应，D错误。
7.答案：C
解析：该散射效应表明光子具有动量，光具有粒子性，不能表明光具有波动性，选项B错误；根据康普顿散射，一个光子与静止的电子发生碰撞后，光子把部分能量转移给电子，光子具有的能量减少，由可知光子的频率减小，波长变长，选项A错误，C正确；光电效应只能表明光子具有能量，不能表明光子具有动量，选项D错误。
8.答案：B
解析：如图所示，由题意知两粒子在半个周期内相遇，只能沿顺时针方向偏转，由左手定则可知，磁感应强度方向垂直纸面向外，A错误；两粒子运动时间分别为t和，可知两个α粒子转过的圆心角满足，相遇点到连线的距离为，解得，同时满足，解得，可知粒子的运动周期为，又因为，可得，B正确；粒子的速度大小为，C错误；衰变是放射性物质中原子核内部发生的一种变化，升高温度不能加快放射性物质的衰变，D错误。
9.答案：C
解析：目前核电站均采用的是重核裂变的原理，选项A错误；铀-235裂变的一种反应是，需要中子的轰击作为条件，箭头两边不能互约，选项B错误；核反应堆可用普通水、重水、石墨作为慢化剂，选项C正确；核反应过程遵循质量数守恒，因有质量亏损，所以不遵循质量守恒定律，选项D错误。
10.答案：C
解析：原子弹的反应原理是核裂变，反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒，反应方程为，故A选项错误；氢弹的反应原理是核聚变，反应方程为，反应方程应该用“→”连接，故B选项错误；一个处于能级的氢原子，自发地向低能级跃迁的过程中，最多跃迁5次即可到达能级，即最多能辐射5种不同频率的电磁波，故C选项正确；无论是核聚变还是核裂变，反应后原子核比结合能增大，而不是结合能增大，故D选项错误。
11.答案：C
解析：由安培定则可判断出此时真空室中的磁场方向是从下往上，A项错误；电子被加速时，涡旋电场力做功，电子速度增大，由于电子被“约束”在半径为R的圆周上沿逆时针方向运动，电子运动的半径不变，B项错误；由可知，电子被加速时v增大，要使电子运动的半径R不变，则需要磁感应强度B同步增大，所以电磁铁绕组中电流增大，C项正确；由可知，电子被加速时，电子做匀速圆周运动的周期减小，D项错误。
12.答案：B
解析：粒子运动的半径r已确定，要使所有粒子都不能穿出磁场，则：与内圆相切的方向进入磁场的粒子在磁场运动的轨迹刚好与外圆相切，可知2r最大为，如图所示：
从而推知，
根据，解得：，故B正确，ACD错误。
13.答案：AB
解析：本题通过全超导核聚变“人造太阳”实验装置考查核反应方程。可控热核反应装置中发生的核反应方程为，核反应过程中亏损的质量为，释放的核能为，故A正确；该核反应为轻核聚变反应，说明反应后的原子核比反应前的原子核稳定，则核反应过程中原子核的比结合能增加，故B正确；这种热核反应是轻核聚变反应，不是衰变，故C错误；我国大亚湾核电站所使用核装置的原理是重核裂变，与该装置的核反应原理不相同，故D错误。
14.答案：（1）见解析 （2）
解析：（1）设氦核和α粒子的质量分别为，氦核和α粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径分别为，则粒子在电场中加速
粒子在磁场中做匀速圆周运动有
由以上两式可得
氦核和α粒子电荷量相同，，则，
氦核打在M处
（2）的距离为L，
所以
15.答案：（1） （2）见解析
解析：（1）设粒子的质量为m、电荷量为q
粒子在加速电场中运动时，由动能定理有：①
得②
粒子在静电分析器中做匀速圆周运动，有③
联立②③得：④
（2）粒子在磁场中做匀速圆周运动，有⑤
联立②⑤得：⑥
由图可知，故打在a位置的粒子的比荷小于打在b位置的粒子的比荷⑦
16.答案：（1）（2）（3）
解析：（1）带电粒子在电场中运动，根据动能定理可得，
解得。
（2）带电粒子垂直进入匀强磁场，发生偏转，
，，
其周期，
设小孔左右两侧边缘与O连线所成角度为，
当左侧粒子在磁场中水平飞出时，其偏转的圆心角为，
其偏转所需时间为，
则右侧粒子在磁场中水平飞出时，其偏转的圆心角为，
其偏转所需时间为，
又，
故两者在磁场中运动时间差为。
（3）同样设小孔左右两侧边缘与O连线所成角度为，带电粒子在磁场中偏转半径
，
左侧打出粒子在磁场中水平飞出时，其距离小孔的竖直高度为，
且由于小孔直径远小于粒子源到小孔距离
，
右侧打出粒子在磁场中水平飞出时，其距离小孔的竖直高度为
，
故从小孔左右两侧打出的带电粒子从磁场飞出时的竖直高度差
。