2013-2014學(xué)年高二物理粵教版選修3-5同步課件：第4章-第6節(jié)-核能利用-第7節(jié)-小粒子與大宇宙(36張)

2013-2014學(xué)年高二物理(wùlǐ)粵教版選修3-5同步課件：第4章-第6節(jié)-核能利用-第7節(jié)-小粒子與大宇宙(36張)第一頁，共40頁。1．知道核反響堆和核電站．2．了解裂變反響堆的工作原理，了解常用裂變反響堆的類型．3．知道核電站的工作模式．了解核能的開展前景．4．初步(chūbù)了解恒星的演化和粒子物理學(xué)的知識．第二頁，共40頁。能源問題已經(jīng)成為(chéngwéi)影響和制約當(dāng)今世界開展的主要因素，尤其是隨著石油等常規(guī)能源的不斷減少和環(huán)境污染的不斷加劇，尋找新的高能無污染的能源已成為(chéngwéi)當(dāng)務(wù)之急．在利用核能時(shí)，如何使用核能發(fā)電和獲得核動力，以及如何防止核能利用時(shí)的危害性？第三頁，共40頁。一、反響(fǎnxiǎng)堆1．原子反響(fǎnxiǎng)堆的示意圖(如以下圖所示)第四頁，共40頁。2．構(gòu)造(1)鈾棒由________或________制成，作為核燃料．(2)控制棒由________做成，用來控制反響速度．(3)減速劑由________、重水(zhònɡshuǐ)或________(有時(shí)叫輕水)做成，用來跟快中子碰撞，使快中子能量減少，變成慢中子，以便讓U235俘獲．(4)冷卻劑由________或液態(tài)的________等流體做成，在反響堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反響堆內(nèi)的熱量傳輸出，確保反響堆的平安．(5)水泥防護(hù)層用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的___________，防止核輻射．普通(pǔtōng)水天然(tiānrán)鈾濃縮鈾鎘石墨水金屬鈉各種射線第五頁，共40頁。二、核電站核能利用核發(fā)電站是利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是________．利用________工作時(shí)釋放出的熱量能使水汽化以推動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電的裝置就是核電站．三、小粒子與大宇宙1．人類目前(mùqián)所能研究的物質(zhì)世界的空間尺度為空間跨度，約從________m到________m，共跨越了約________個(gè)數(shù)量級．2．物質(zhì)世界的時(shí)間尺度為時(shí)間跨度，約從________s到________s，也跨越了將近________個(gè)數(shù)量級．反響(fǎnxiǎng)堆核反響(fǎnxiǎng)堆

4210－15

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4310－25第六頁，共40頁。核電站及核能(hénéng)的利用反響堆是人工控制鏈?zhǔn)椒错懙难b置，核發(fā)電站利用反響堆工作時(shí)釋放出的熱量能使水汽化以推動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電的裝置．核能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是：①污染??；②可采儲量大；③比較經(jīng)濟(jì)．缺點(diǎn)是：①一旦核泄漏會造成嚴(yán)重的核污染；②核廢料處理困難．核能的利用在核武器(如原子彈、氫彈)、核電站(除發(fā)電外，反響堆還可提供(tígōng)大量中子用來進(jìn)行各種物理實(shí)驗(yàn)，制造各種放射性同位素)、核動力(如核動力潛艇、核動力破冰船、核動力航空母艦、核動力太空探測器等)．第七頁，共40頁。原子反響(fǎnxiǎng)堆是實(shí)現(xiàn)可控制的重核裂變鏈?zhǔn)椒错?fǎnxiǎng)的一種裝置，它主要由四局部組成()A．原子燃料、減速劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)B．原子燃料、減速劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)C．原子燃料、減速劑、碰撞系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)D．原子燃料、中子源、原子能聚存系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)解析：核反響(fǎnxiǎng)堆的構(gòu)成分四局部：原子燃料、減速劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)．答案：A第八頁，共40頁。課堂(kètáng)訓(xùn)練1．核反響堆中的鎘棒的作用是()A．減小中子(zhōngzǐ)的能量，使快中子(zhōngzǐ)變成慢中子(zhōngzǐ)B．調(diào)節(jié)中子(zhōngzǐ)的數(shù)目，控制反響速度C．屏蔽射線，以防傷害人體D．控制反響堆的溫度解析：用鎘來吸收中子，控制裂變(lièbiàn)速度．答案：B第九頁，共40頁。小粒子(lìzǐ)與大宇宙20世紀(jì)40年代，在大量天文觀測的根底上，物理學(xué)家提出了宇宙演化的大爆炸假說：宇宙是由一個(gè)超高溫、超密度的“原始火球〞發(fā)生大爆炸開始的，然后經(jīng)歷了從熱到冷的演化過程，在這個(gè)時(shí)期里宇宙不斷地膨脹，宇宙物質(zhì)從密到稀，當(dāng)溫度下降(xiàjiàng)幾千度時(shí)，宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì)，后來逐漸凝聚成氣云，并進(jìn)一步收縮形成各種各樣的恒星系統(tǒng)，成為我們今天的宇宙天體．具體過程如下：第十頁，共40頁。宇宙大爆炸后，“粒子家族〞形成(宇宙形成之初)，10－44秒后，溫度(wēndù)為1032K，產(chǎn)生夸克、輕子、膠子等→10－6秒后溫度(wēndù)為1013K，夸克構(gòu)成了質(zhì)子和中子等(強(qiáng)子時(shí)代)→溫度(wēndù)為1011K時(shí)，少量夸克，光子、大量中微子和電子存在(輕子時(shí)代)→溫度(wēndù)109K時(shí)進(jìn)入核合成時(shí)代→溫度(wēndù)降到3000K時(shí)，電子與質(zhì)子復(fù)合成氫原子→冷卻，出現(xiàn)了宇宙塵埃萬有引力作用,密集塵?！窃茍F(tuán)溫度(wēndù)升高,開始發(fā)光→一顆恒星誕生．恒星收縮升溫→熱核反響成氦→氫大局部聚變?yōu)楹ぁ湛s→氦聚合成碳→…(類似)直到產(chǎn)生鐵元素．恒星最后的歸宿：恒星質(zhì)量小于太陽倍→白矮星恒星質(zhì)量是太陽～2倍→中子星恒星質(zhì)量更大時(shí)(無法抵抗)→黑洞第十一頁，共40頁。微觀粒子：(1)強(qiáng)子：主要參與(cānyù)強(qiáng)相互作用，有質(zhì)子、中子、介子、超子等；(2)輕子：不參與(cānyù)強(qiáng)相互作用，有電子、中微子、π子、τ子等；(3)媒介子：參與(cānyù)各種相互作用，有光子、玻色子、膠子等．從小粒子到大宇宙——空間跨度：人類目前所能研究的物質(zhì)世界的空間尺度，約10－15～1027m，共跨越了約42個(gè)數(shù)量級．從粒子生命至宇宙年齡——時(shí)間跨度：物質(zhì)世界的時(shí)間尺度，約10－25～1018s，也跨越了將近43個(gè)數(shù)量級．第十二頁，共40頁?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)太空中的γ射線一般都是從很遠(yuǎn)的星體放射出來的．當(dāng)γ射線爆發(fā)時(shí)，在數(shù)秒鐘內(nèi)所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于太陽在過去100億年(yìnián)所產(chǎn)生的能量總和的1000倍左右，大致相當(dāng)于將太陽的全部質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰康目偤停茖W(xué)家利用超級計(jì)算機(jī)對γ射線的狀態(tài)進(jìn)行了模擬．經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)γ射線爆發(fā)是起源于一個(gè)垂死的星球的“坍縮〞過程，只有星球“坍縮〞時(shí)，才可以發(fā)出這么巨大的能量．太陽光照射到地球上大約需要8分20秒，由此來估算：在宇宙中，一次γ射線爆發(fā)所放出的能量．(萬有引力常量G＝×10－11N·m2/kg2,1年時(shí)間約為×107s)第十三頁，共40頁。解析：r＝ct＝3×108×500m＝1.5×1011m，地球做勻速圓周運(yùn)動，萬有引力提供向心力：＝太陽質(zhì)量為：M＝＝kg≈2.0×1030kgγ射線爆發(fā)所發(fā)出的能量：E＝Mc2＝2.0×1030×(3×108)2J＝1.8×1047J.第十四頁，共40頁。課堂(kètáng)訓(xùn)練2．在某恒星內(nèi)部發(fā)生(fāshēng)如下一系列核反響：第十五頁，共40頁。其中p為質(zhì)子，α為α粒子(lìzǐ)，e＋為正電子，ν為中微子，質(zhì)子的質(zhì)量為mp＝×10－27kg，α粒子(lìzǐ)的質(zhì)量為mα＝×10－27kg，正電子的質(zhì)量為me＝×10－31kg，中微子的質(zhì)量可忽略不計(jì)，真空中的光速c＝×108m/s，試計(jì)算該系列核反響完成后釋放的能量．第十六頁，共40頁。解析：為求出系列反響后釋放的能量，將題中所給的諸核反響方程左右兩側(cè)分別相加，消去兩側(cè)相同的項(xiàng)，系統(tǒng)(xìtǒng)反響最終等效為：4p→α＋2e＋＋2ν設(shè)反響后釋放的能量為Q，根據(jù)質(zhì)能關(guān)系和能量守恒得：4mPc2＝mαc2＋2mec2＋Q代入數(shù)值可得Q＝×10－12J.答案：×10－12J第十七頁，共40頁。1．關(guān)于(guānyú)我國已建成的秦山和大亞灣核電站，以下說法中正確的選項(xiàng)是()A．它們都是利用核聚變釋放原子能的B．它們都是利用核裂變釋放原子能的C．兩者的核燃料都是純鈾235D．一座是利用核裂變釋放原子能，一座是利用核聚變釋放原子能根底(gēndǐ)達(dá)標(biāo)第十八頁，共40頁。解析：現(xiàn)在我們和平利用的核能只能通過核裂變產(chǎn)生，還沒有(méiyǒu)實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷朔错?，核燃料是天然鈾或濃縮鈾．答案：B第十九頁，共40頁。2．現(xiàn)已建成的核電站的能量來自(láizì)于()A．天然放射性元素衰變放出的能量B．人工放射性同位素放出的的能量C．重核裂變放出的能量D．化學(xué)反響放出的能量解析：現(xiàn)在我們和平利用的核能只能通過(tōngguò)核裂變產(chǎn)生答案：C第二十頁，共40頁。3.〔雙選〕以下關(guān)于鈾裂變和核電站的說法中正確的選項(xiàng)是()A．鈾238只要俘獲中子(zhōngzǐ)就能進(jìn)行鏈?zhǔn)椒错態(tài)．鈾235裂變后的生成物是多種多樣的，但這些裂變都要發(fā)生質(zhì)量虧損C．核電站中鎘棒是起減速劑的作用D．核電站使用后的核廢料必須裝入特制容器，深埋地下第二十一頁，共40頁。解析：鈾238只有俘獲能量大于1MeV的中子才能發(fā)生裂變，A錯(cuò)誤．鈾235裂變后的生成物是多種多樣的如Ba、Kr等，并發(fā)生質(zhì)量虧損釋放能量，B正確；核電站中鎘棒起減速劑作用的是石墨、重水，鎘棒是控制棒，C錯(cuò)誤．核廢料處理必須將其裝入特制容器，深埋地下，D正確．答案：BD第二十二頁，共40頁。4.〔2012·天津卷〕以下說法中正確的選項(xiàng)是〔B〕A.采用物理或化學(xué)方法可以有效地改變放射性元素的半衰期B.由波爾理論知道氫原子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)(jītài)時(shí)會放出光子C.從高空對地面進(jìn)行遙感攝影是利用紫外線良好的穿透能力D.原子核所含核子單獨(dú)存在時(shí)的總質(zhì)量小于該原子核的質(zhì)量第二十三頁，共40頁。解析：半衰期是原子的物理屬性，不能采用物理或化學(xué)方法改變,A項(xiàng)錯(cuò)誤；高空(gāokōng)遙感是利用紅外線技術(shù)，C項(xiàng)錯(cuò)誤；由于核子結(jié)合為原子核時(shí)能量增加必然存在質(zhì)量虧損,D項(xiàng)錯(cuò)誤；氫原子從高能量的激發(fā)態(tài)躍遷到低能量的基態(tài)時(shí)放出能量，所以放出光子，B項(xiàng)正確.答案：B第二十四頁，共40頁。5.K－介子(jièzǐ)衰變方程為：K－→π－＋π0其中K－介子(jièzǐ)和π－介子(jièzǐ)帶負(fù)的基元電荷，π0介子(jièzǐ)不帶電，如下圖，一個(gè)K－介子(jièzǐ)沿垂直于磁場的方向射入勻強(qiáng)磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產(chǎn)生的π－介子(jièzǐ)的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點(diǎn)相切，它們半徑RK－與Rπ－之比為2:1(π0介子(jièzǐ)的軌跡未畫出)由此可知π－的動量大小與π0的動量大小之比為()第二十五頁，共40頁。A．1:1B．1:2C．1:3D．1:6解析：由R＝(K－介子與π－介子電荷量相同)和半徑RK－與Rπ－之比為2:1可知K－介子的動量是π－介子的2倍．設(shè)K－介子的動量為2P，則π－介子的動量為－P，若π0介子的動量為p0，由動量守恒有2P＝－P＋p0求得p0＝3P.答案：C第二十六頁，共40頁。6．我國秦山核電站笫三期工程中有兩個(gè)60萬千瓦的發(fā)電機(jī)組，發(fā)電站的核能(hénéng)來源于U的裂變，現(xiàn)有四種說法：①U原子核中有92個(gè)質(zhì)子，有143個(gè)中子②U的一種可能裂變是變成兩個(gè)中等質(zhì)量的原子核，反響方程式為：③U是天然放射性元素，常溫下它的半衰期約為45億年，升高溫度，半衰期縮短④一個(gè)U裂變能放出200MeV的能量，合×10－11J以上說法中完全正確的選項(xiàng)是()能力(nénglì)提升第二十七頁，共40頁。A．①②③

B．②③④C．①③④

D．①②④解析：由U的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)關(guān)系易知①正確；由核反應(yīng)方程中電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒知②正確；半衰期不受外界因素干擾．故③錯(cuò)誤；通過計(jì)算知④正確．答案：D第二十八頁，共40頁。7．(2012.海南高考〕2011年3月11日，日本發(fā)生九級大地震，造成福島第一核電站嚴(yán)重的核泄漏事故．在泄漏的污染物中含有131I和137Cs兩種放射性核素，它們通過一系列衰變產(chǎn)生對人體有危害的輻射．在以下四個(gè)式子中，有兩個(gè)能分別反映131I和137Cs的衰變過程，它們分別是______和______(填入正確選項(xiàng)前的字母(zìmǔ)).131I和137Cs原子核中的中子數(shù)分別是________和________．第二十九頁，共40頁。解析：衰變的種類有α衰變和β衰變兩類，衰變中放出的粒子是氦核或電子而不會是質(zhì)子或中子，故A、D不會是131I和137Cs的衰變．由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知X2、X3分別是，而中子數(shù)等于質(zhì)量數(shù)與核電荷數(shù)的差值，故他們的中子數(shù)分別為78、82.答案：B

C

78

82第三十頁，共40頁。8．在所有能源中，核能具有能量密度大，地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢，在核電站中，核反響堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能(diànnéng)．核反響堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反響，釋放出大量核能．(1)核反響方程式U＋n→Ba＋Kr＋aX是反響堆中發(fā)生的許多核反響中的一種，n為中子，X為待求粒子，a為X的個(gè)數(shù)，那么X為________，a＝________.以mU、mBa、mKr分別表示核的質(zhì)量，mn、mp分別表示中子、質(zhì)子的質(zhì)量，c為光在真空中傳播的速度，那么在上述核反響過程中放出的核能ΔE＝________.第三十一頁，共40頁。(2)有一座發(fā)電能(diànnéng)力為P＝×106kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能(diànnéng)的效率μ＝40%.假定反響堆中發(fā)生的裂變反響全是此題(1)中的核反響，每次核反響過程放出的核能ΔE＝×10－11J，核的質(zhì)量mU＝×10－27kg，求每年(1年＝×107s)消耗的U的質(zhì)量．解析：

(1)由核反應(yīng)方程可知：X為n，a為3，釋放的能量為ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.第三十二頁，共40頁。(2)因電站發(fā)電效率為40%，故電站消耗的功率為P′＝＝2.5×106kW，電站每年消耗的能量為W＝Pt＝2.5×109×3.15×107J≈7.875×1016J，每年消耗的U235的質(zhì)量為M＝mU＝≈10.921kg.答案：(1)n

3

(mU－mBa－mKr－2mn)c2(2)10.921kg第三十三頁，共40頁。9．天文學(xué)家測得銀河系中氦的含量約為：25%，有關(guān)研究說明，宇宙中氦生成的途徑有兩條：一是在宇宙誕生后二分鐘左右生成的；二是在宇宙演化到恒星誕生后，由恒星內(nèi)部的氫核聚變反響