2020-2021高中物理3-5配套學(xué)案：第十九章 第七節(jié)核聚變 第八節(jié)粒子和宇宙含解析

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精2020-2021學(xué)年高中物理人教版選修3-5配套學(xué)案：第十九章第七節(jié)核聚變第八節(jié)粒子和宇宙含解析第七節(jié)核聚變第八節(jié)粒子和宇宙【素養(yǎng)目標(biāo)定位】※知道聚變反應(yīng)的特點(diǎn)※能寫出聚變方程并計(jì)算聚變能量※了解可控?zé)岷朔磻?yīng)※知道粒子的分類及其作用※了解宇宙起源的大爆炸說及恒星的演化【素養(yǎng)思維脈絡(luò)】課前預(yù)習(xí)反饋教材梳理·夯基固本·落實(shí)新知知識點(diǎn)1核聚變1．定義輕核結(jié)合成__質(zhì)量較大__的原子核的反應(yīng)叫聚變。例如eq\o\al(2,1）H＋eq\o\al（3,1）H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al（1，0）n2．聚變發(fā)生的條件要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達(dá)到__10－15__m以內(nèi)，核力才能起作用.由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的__庫侖斥力__,這就要求原子核具有足夠的動能,有一種方法就是把它們加熱到很高的溫度，溫度高達(dá)__幾百萬__開爾文，因此聚變又叫__熱核反應(yīng)__。3．應(yīng)用目前,熱核反應(yīng)主要用在核武器上,那就是__氫彈__，需要用__原子彈__爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核爆炸。4．太陽能太陽的主要成分是__氫__，太陽中心溫度可達(dá)1。5×107K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進(jìn)行著,太陽能就來自于太陽內(nèi)部__聚變__釋放的核能.知識點(diǎn)2受控?zé)岷朔磻?yīng)1．聚變與裂變相比有很多優(yōu)點(diǎn)(1）輕核聚變產(chǎn)能__效率高_(dá)_；（2）地球上聚變?nèi)剂系膬α縚_豐富__；(3）輕核聚變更為__安全、清潔__。2．聚變的難點(diǎn)地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應(yīng)的高溫.3．控制方法(1)磁約束：利用磁場約束參加反應(yīng)的物質(zhì)，目前最好的一種磁約束裝置是__環(huán)流器__.(2）慣性約束：聚變物質(zhì)因自身的慣性,在極短時間內(nèi)來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng),在慣性約束下，用__激光__從各個方向照射反應(yīng)物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。知識點(diǎn)3“基本粒子”不基本1．“基本"粒子19世紀(jì)末,許多人認(rèn)為光子、電子、__質(zhì)子__和__中子__是組成物質(zhì)的不可再分的最基本粒子。2．發(fā)現(xiàn)新粒子（1)從20世紀(jì)起科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了400多種不同種類的新粒子，它們不是由__質(zhì)子__、__中子__、__電子__組成。（2）科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也是復(fù)合粒子，且還有著__復(fù)雜__的結(jié)構(gòu).3．探測工具粒子__加速器__和粒子__探測器__是研究粒子物理的主要工具。知識點(diǎn)4發(fā)現(xiàn)新粒子1．新粒子1932年發(fā)現(xiàn)了__正電子__，1937年發(fā)現(xiàn)了__μ子__,1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和π介子及以后的超子等.2．粒子的分類按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，可將粒子分為三大類：__強(qiáng)子__、__輕子__和__媒介子__。知識點(diǎn)5夸克模型組成強(qiáng)子的粒子有六種夸克，分為上夸克和下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克，所帶電荷分別為元電荷的__±eq\f（2,3)__或__±eq\f（1，3）__，每種夸克都有對應(yīng)的反夸克，夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn).知識點(diǎn)6宇宙與恒量的演化1．宇宙的演化經(jīng)歷了①__強(qiáng)子__時代②__輕子__時代③__核合成__時代④10萬年之后,隨著溫度降低逐步組成__恒星__和星系。2．恒星的演化宇宙塵埃eq\o(→，\s\up7（萬有引力))__星云團(tuán)__eq\o(→,\s\up7(凝聚）)恒星?eq\b\lc\｛（\a\vs4\al\co1（m<1。4m日白矮星,m＝1。4～2m日中子星,m〉2m日黑洞))思考辨析『判一判』(1）核聚變時吸收能量。(×)（2)核聚變平均每個核子放出的能量，比裂變反應(yīng)中平均每個核子放出的能量大。(√)（3）實(shí)現(xiàn)核聚變的難點(diǎn)是地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。（√)(4)質(zhì)子、中子不能再分。(×)(5）夸克的帶電量是電子電荷的整數(shù)倍。(×)(6）太陽目前正處于氫通過熱核反應(yīng)成為氦,以電磁波的形式向外輻射核能.(√)『選一選』（多選)我國科學(xué)家研制“兩彈”所涉及的基本核反應(yīng)有：(1）eq\o\al（235,92）U＋eq\o\al（1,0)n→eq\o\al（90，38）Sr＋eq\o\al(136,54）Xe＋keq\o\al(1,0)n(2)eq\o\al（2，1）H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2）He＋deq\o\al(1,0）n關(guān)于這兩個方程，下列說法正確的是（BC）A．方程(1)屬于α衰變B．方程(2)屬于輕核聚變C．方程（1)中k＝10，方程（2）中d＝1D．方程(1)中k＝6，方程(2)中d＝1解析：方程（1）屬于重核裂變，方程(2）屬于輕核聚變，選項(xiàng)A錯誤而B正確;由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒得，k＝10，d＝1，選項(xiàng)C正確而D錯誤。『想一想』萬物生長靠太陽(如圖),太陽在我們?nèi)粘Ｉ钪惺遣豢商娲?，它提供給地球足夠的能源，如果說太陽一旦沒有了，那么地球上的一切生物都將隨之消失.你知道太陽的能量來源嗎？答：來源于太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)課內(nèi)互動探究細(xì)研深究·破疑解難·萃取精華探究輕核的聚變┃┃思考討論1__■如圖為氫彈原理示意圖。(1)核聚變需要滿足什么條件？(2）為什么要用原子彈才能引爆氫彈？提示：(1)要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m。(2)它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。┃┃歸納總結(jié)__■1．輕核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng).2．聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，就必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m，但是原子核是帶正電的，要使它們接近10－15m就必須克服很大的庫侖斥力作用,這就要求原子核應(yīng)具有足夠的動能。方法是給原子核加熱，使其達(dá)到幾百萬度的高溫。3．核聚變的特點(diǎn)（1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時,輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。（2）熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量,靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去.（3）普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著，太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆。4．核聚變的應(yīng)用（1)核武器——?dú)鋸?一種不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。（2)可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段。┃┃典例剖析__■典例1太陽現(xiàn)在正處于主序星演化階段，它主要是由電子和質(zhì)子、氦核等組成，維持太陽輻射的是它內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，核反應(yīng)為兩個電子與四個質(zhì)子聚變?yōu)楹?。已知太陽的質(zhì)量為2×1030kg，太陽向周圍空間輻射能量的總功率為3.8×1026W.（1）寫出上述聚變反應(yīng)的方程；(2)已知質(zhì)子質(zhì)量mp＝1.67×10－27kg，氦核質(zhì)量mα＝6。6458×10－27kg，電子質(zhì)量me＝9。0×10－31kg，光速c＝3。0×108m/s，求每發(fā)生一次上述核反應(yīng)所釋放的能量。（3）根據(jù)題目中數(shù)據(jù)計(jì)算太陽1秒鐘減少的質(zhì)量。太陽還能用多少年？解題指導(dǎo)：（1)聚變的核反應(yīng)方程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒.（2）核能計(jì)算的關(guān)鍵是求出核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，然后根據(jù)受因斯坦質(zhì)能方程求解。（3)由m＝tΔm求時間。解析：(1）根據(jù)聚變反應(yīng)滿足質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒得核反應(yīng)方程為2eq\o\al(0，－1）e＋4eq\o\al（1,1)H→eq\o\al(4，2)He（2)反應(yīng)中的質(zhì)量虧損Δm＝2me＋4mp－mα＝(2×9。0×10－31＋4×1。67×10－27－6。6458×10－27)kg＝3。6×10－29kg由愛因斯坦質(zhì)能方程可知核反應(yīng)釋放的能量ΔE＝Δmc2＝3。6×10－29×（3.0×108)2J＝3.24×10－12J(3）太陽每秒釋放的能量為3.8×1026J，則太陽每秒減少的質(zhì)量Δm＝eq\f（ΔE，c2）＝eq\f（3。8×1026，3×1082)kg＝4.2×109kg太陽還能用t＝eq\f(m，Δm）＝eq\f(2×1030，4.2×109)s＝4。76×1020s＝1.5×1013年答案：(1）2eq\o\al(0，－1)e＋4eq\o\al(1，1）H→eq\o\al（4,2）He（2）3。24×10－12J(3)4。2×109kg1。5×1013年┃┃對點(diǎn)訓(xùn)練__■1．（2020·廣東省佛山一中、順德一中、石門中學(xué)高二下學(xué)期期末)太陽內(nèi)部有多種熱核反應(yīng)，其中的一個反應(yīng)方程是：eq\o\al(2,1）H＋eq\o\al（3,1)H→eq\o\al(4,2）He＋x，若已知eq\o\al(2,1）H的質(zhì)量為m1,eq\o\al（3，1）H的質(zhì)量為m2,eq\o\al(4,2)He的質(zhì)量為m3，x的質(zhì)量為m4，則下列說法中正確的是(C)A．x是質(zhì)子B．x是電子C．這個反應(yīng)釋放的核能為ΔE＝(m1＋m2－m3－m4）c2D．eq\o\al(2,1）H和eq\o\al(3，1)H在常溫下就能夠發(fā)生聚變解析：根據(jù)核反應(yīng)方程質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)守恒，可知x的電荷數(shù)是0,質(zhì)量數(shù)是1，所以x是中子,故AB錯誤;由質(zhì)能方程可知，這個反應(yīng)釋放的核能為ΔE＝（m1＋m2－m3－m4）c2；eq\o\al(2,1)H和eq\o\al(3，1）H只有在極高溫度下才能夠發(fā)生聚變反應(yīng)，故D錯誤。探究新粒子的發(fā)現(xiàn)和夸克模型┃┃思考討論2__■如圖所示為粒子發(fā)展示意圖.(1)為什么現(xiàn)在將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子？(2)為什么說夸克模型是物理學(xué)發(fā)展中的一個重大突破？提示:（1）隨著科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子都不是由質(zhì)子、中子、電子組成的，又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。所以現(xiàn)在將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。(2)夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展中的一個重大突破,它指出電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷。┃┃歸納總結(jié)__■1．發(fā)現(xiàn)新粒子發(fā)現(xiàn)時間1932年1937年1947年60年代后新粒子反粒子μ子K介子與π介子超子基本特點(diǎn)質(zhì)量與相對應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反比質(zhì)子的質(zhì)量小質(zhì)量介于電子與質(zhì)子之間其質(zhì)量比質(zhì)子大按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，可以將粒子分為三大類：強(qiáng)子、輕子和媒介子.2．粒子的分類分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強(qiáng)子參與強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子、介子、超子強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu),由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子輕子不參與強(qiáng)相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子,τ子、τ子中微子未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)媒介子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用3?？淇四Ｐ?1)夸克的提出1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。（2)夸克的種類上夸克（u)、下夸克（d)、奇夸克（s)、粲夸克（c）、底夸克（b）和頂夸克（t）。（3）夸克所帶電荷夸克所帶的電荷量是分?jǐn)?shù)電荷量，即其電荷量為元電荷的±eq\f（1,3)或±eq\f（2，3）。例如上夸克帶的電荷量為＋2e/3,下夸克帶的電荷量為－e/3。特別提醒粒子具有對稱性，有一個粒子，必存在一個反粒子,所以每種夸克都有對應(yīng)的反夸克。┃┃典例剖析__■典例2在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出。中微子的性質(zhì)十分特別，因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測.1953年，萊尼斯和柯文建造了一個由大水槽和探測器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用中微子與水中eq\o\al(1,1)H的核反應(yīng)，間接地證實(shí)了中微子的存在。(1）中微子與水中的eq\o\al（1,1)H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子(eq\o\al(1，0)n)和正電子(eq\o\al(0,＋1）e），即：中微子＋eq\o\al（1,1）H→eq\o\al（1，0）n＋eq\o\al(0，＋1）e可以判定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是__A__。（填寫選項(xiàng)前的字母）A．0和0 B．0和1C．1和0 D．1和1（2）上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子(γ）,即eq\o\al（0，＋1)e＋eq\o\al（0,－1）e→2γ已知正電子和電子的質(zhì)量都為9。1×10－31kg，反應(yīng)中產(chǎn)生的每個光子的能量約為__8。2×10－14__J.正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€光子,原因是__此過程遵循動量守恒定律__。解題指導(dǎo)：（1)由核反應(yīng)過程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒判斷.（2）根據(jù)E＝Δmc2和動量守恒求解。解析：(1）發(fā)生核反應(yīng)前后，粒子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0，A項(xiàng)正確。（2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損。兩個電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱悖瑒tE＝Δmc2,故一個光子的能量為eq\f（E,2），代入數(shù)據(jù)得eq\f（E，2)＝8.2×10－14J。正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動量為零，所以如果只產(chǎn)生一個光子是不可能的,因?yàn)榇诉^程遵循動量守恒定律。┃┃對點(diǎn)訓(xùn)練__■2．(多選）(2020·北京臨川育人學(xué)校高二下學(xué)期期中）已知π＋介子、π－介子都是由一個夸克(夸克u或夸克d）和一個反夸克（反夸克eq\x\to（u)或反夸克eq\x\to（d））組成的,它們帶電量如下表所示,表中e為元電荷。π＋π－udeq\x\to(u）eq\x\to(d)帶電量＋e－e＋eq\f(2，3)e－eq\f（1,3）e－eq\f（2，3）e＋eq\f(1,3)e下列說法正確的是(AD)A．π＋由u和eq\x\to（d)組成 B．π＋由d和eq\x\to（u）組成C．π－由u和eq\x\to(d）組成 D．π－由d和eq\x\to(u）組成解析：根據(jù)題目所給圖表可以知道各種粒子的帶電量，由電荷守恒定律可得A、D正確,B、C錯誤。核心素養(yǎng)提升易錯警示·以題說法·啟智培優(yōu)輕核聚變與重核裂變的區(qū)別反應(yīng)方式比較項(xiàng)目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核放出核能兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量大約要大3~4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡單得多原料的蘊(yùn)藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢?，尤其用于核裂變?35U在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氚,氚在地球上的儲量非常豐富.1L海水中大約有0.03g氚，如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng)放出