2024-2025學(xué)年高中物理課時(shí)分層作業(yè)16裂變和聚變含解析粵教版選修3-5

PAGE5-課時(shí)分層作業(yè)(十六)(時(shí)間：45分鐘分值：100分)[基礎(chǔ)達(dá)標(biāo)練]一、選擇題(本題共6小題，每小題6分)1．重核裂變和輕核聚變是人類(lèi)獲得核能的兩種主要途徑，下列推斷正確的是()A．裂變和聚變過(guò)程中都有質(zhì)量虧損B．裂變過(guò)程中有質(zhì)量虧損，聚變過(guò)程中質(zhì)量有所增加C．裂變過(guò)程中質(zhì)量有所增加，聚變過(guò)程中有質(zhì)量虧損D．裂變、聚變過(guò)程中質(zhì)量都增加A[依據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程進(jìn)行推斷，人類(lèi)利用原子能的主要途徑是重核裂變和輕核聚變，在這兩個(gè)過(guò)程中有原子能釋放，由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2可知，在獲得能量的同時(shí)，質(zhì)量是削減的，也就是發(fā)生質(zhì)量虧損．所以A選項(xiàng)正確．]2．據(jù)央視報(bào)道，中科院等離子體物理探討所經(jīng)過(guò)八年的艱苦努力，最終領(lǐng)先建成了世界上第一個(gè)全超導(dǎo)的托克馬克試驗(yàn)裝置并調(diào)試勝利，這種裝置被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”(如圖)，它能夠承受上億攝氏度高溫且能夠限制等離子態(tài)的核子發(fā)生聚變并穩(wěn)定持續(xù)地輸出能量，就像太陽(yáng)一樣為人類(lèi)供應(yīng)無(wú)限清潔的能源．在下列核反應(yīng)方程中有可能是該裝置內(nèi)部所進(jìn)行的核反應(yīng)的是()A.eq\o\al(14,)7N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,)8O＋eq\o\al(1,1)HB.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nC.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nB[該裝置承受上億攝氏度高溫且能夠限制等離子態(tài)的核子發(fā)生聚變并穩(wěn)定持續(xù)地輸出能量，內(nèi)部進(jìn)行的是輕核聚變，B選項(xiàng)正確．]3．(多選)科學(xué)家發(fā)覺(jué)在月球上含有豐富的eq\o\al(3,2)He(氦3)，它是一種高效、清潔、平安的核聚變?nèi)剂?，其參加的一種核聚變反應(yīng)方程為eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(3,2)He→2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(4,2)He，關(guān)于eq\o\al(3,2)He聚變下列表述正確的是()A．聚變反應(yīng)會(huì)釋放能量B．聚變反應(yīng)產(chǎn)生了新的原子核C．聚變反應(yīng)沒(méi)有質(zhì)量虧損D．目前核電站都采納eq\o\al(3,2)He聚變反應(yīng)發(fā)電AB[核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生新的原子核，同時(shí)由于發(fā)生了質(zhì)量虧損，會(huì)有核能的釋放，這是人類(lèi)利用核能的途徑之一．目前核電站大多采納重核裂變的方法來(lái)釋放與利用核能發(fā)電．]4．關(guān)于鈾核裂變，下列說(shuō)法正確的是()A．鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，但只能裂變成兩種不同的核B．鈾核裂變時(shí)還能同時(shí)釋放2～3個(gè)中子C．為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)簡(jiǎn)單進(jìn)行，最好用鈾238而不用鈾235D．鈾塊的體積對(duì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無(wú)影響B(tài)[鈾核受到中子的轟擊，會(huì)引起裂變，放出2～3個(gè)中子，裂變的產(chǎn)物是各種各樣的，具有極大的偶然性，只是裂變成兩塊的狀況多，也有的分裂成多塊，A錯(cuò)誤，B錯(cuò)誤．鈾235受慢中子的轟擊時(shí)，裂變的概率大，而鈾238只有俘獲能量在1MeV以上的中子才能引起裂變，且裂變的幾率小，C錯(cuò)誤．而要引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需使鈾塊體積超過(guò)臨界體積，故D錯(cuò)誤．]5．已知太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行激烈的熱核反應(yīng)，每秒鐘輻射的能量為3.8×1025J，則可算出()A．太陽(yáng)的質(zhì)量約為4.22×105tB．太陽(yáng)的質(zhì)量約為8.44×105tC．太陽(yáng)的質(zhì)量每秒削減4.22×105tD．太陽(yáng)的質(zhì)量每秒削減8.44×105tC[由質(zhì)能方程知太陽(yáng)每秒鐘內(nèi)因輻射能量而失去的質(zhì)量為：Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(3.8×1025,3.0×1082)＝4.22×108kg＝4.22×105t.該方法不能確定太陽(yáng)的質(zhì)量．所以選項(xiàng)A、B、D錯(cuò)誤，C正確．]6．我國(guó)自行研制了可控?zé)岷朔磻?yīng)試驗(yàn)裝置“超導(dǎo)托卡馬克”(英文名稱(chēng)：EAST，稱(chēng)“人造太陽(yáng)”)．設(shè)可控?zé)岷嗽囼?yàn)反應(yīng)前氘核(eq\o\al(2,1)H)的質(zhì)量為m1，氚核(eq\o\al(3,1)H)的質(zhì)量為m2，反應(yīng)后氦核(eq\o\al(4,2)He)的質(zhì)量為m3，中子(eq\o\al(1,0)n)的質(zhì)量為m4，已知光速為c.下列說(shuō)法中正確的是()A．核反應(yīng)放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2B．由核反應(yīng)過(guò)程質(zhì)量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C．這種熱核試驗(yàn)反應(yīng)是α衰變D．這種裝置與我國(guó)大亞灣核電站所運(yùn)用核裝置的核反應(yīng)原理相同A[可控?zé)岷朔磻?yīng)裝置中發(fā)生的核反應(yīng)方程式是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n，核反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量數(shù)守恒，但質(zhì)量不守恒，核反應(yīng)過(guò)程中存在質(zhì)量虧損，因此m1＋m2＞m3＋m4，核反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量虧損Δm＝m1＋m2－m3－m4，釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故A正確，B錯(cuò)誤；這種熱核試驗(yàn)反應(yīng)是核聚變，故C錯(cuò)誤．這種裝置的核反應(yīng)是核聚變，我國(guó)大亞灣核電站所運(yùn)用核裝置是核裂變，它們的核反應(yīng)原理不相同，故D錯(cuò)誤．]二、非選擇題(14分)7．1個(gè)鈾235核汲取1個(gè)中子發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，大約放出196MeV的能量，則1g純鈾235完全發(fā)生核反應(yīng)放出的能量是多少？[解析]1g純鈾235有eq\f(1,235)×NA個(gè)鈾235核．因此1g純鈾235汲取中子完全發(fā)生核反應(yīng)可以釋放出eq\f(NA,235)×196MeV能量＝5.0×1023MeV.[答案]5.0×1023MeV[實(shí)力提升練]一、選擇題(本題共4小題，每小題6分)1.eq\o\al(3,2)He與eq\o\al(2,1)H的核聚變發(fā)電不產(chǎn)生溫室氣體，不產(chǎn)生放射性物質(zhì)，是一種非常清潔、平安和環(huán)保的能源，開(kāi)發(fā)月球土壤中隱藏豐富的氦3資源，對(duì)人類(lèi)社會(huì)今后的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義．該核反應(yīng)可表示為eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,3)Li＋X(X表示某種粒子)，若eq\o\al(3,2)He、eq\o\al(2,1)H和eq\o\al(4,3)Li的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，則下列選項(xiàng)正確的是()A．X為中子B．這種核反應(yīng)在月球上可自發(fā)進(jìn)行C．高速的X粒子可以用來(lái)工業(yè)探傷D．該反應(yīng)釋放的核能ΔE＞(m1＋m2－m3)c2A[依據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒知，X的電荷數(shù)為0，質(zhì)量數(shù)為1，可知X為中子，故A正確．該反應(yīng)為聚變反應(yīng)，不能自發(fā)進(jìn)行，故B錯(cuò)誤．高速的中子不能用來(lái)工業(yè)探傷，故C錯(cuò)誤．依據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程得，釋放的能量為：ΔE＝(m1＋m2－m3－mX)c2＜(m1＋m2－m3)c2，故D錯(cuò)誤．]2．2024年量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”首席科學(xué)家潘建偉獲得“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”．對(duì)于有關(guān)粒子的探討，下列說(shuō)法正確的是()A．在鈾核的裂變中，當(dāng)鈾塊的體積小于“臨界體積”時(shí)，不能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)B．鈾元素的半衰期為T(mén)，當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，鈾元素的半衰期也發(fā)生改變C．輕核聚變的過(guò)程質(zhì)量增大，重核裂變的過(guò)程有質(zhì)量虧損D．比結(jié)合能小的原子核結(jié)合成(或分裂成)比結(jié)合能大的原子核時(shí)肯定汲取能量A[在鈾核的裂變中，當(dāng)鈾塊的體積小于“臨界體積”時(shí)，不能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，A選項(xiàng)正確；半衰期的大小與溫度無(wú)關(guān)，由原子核內(nèi)部因素確定，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；輕核聚變和重核裂變都有質(zhì)量虧損，都向外輻射能量，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；比結(jié)合能小的原子核結(jié)合成(或分裂成)比結(jié)合能大的原子核時(shí)有質(zhì)量虧損，釋放核能，D選項(xiàng)錯(cuò)誤．]3．(多選)據(jù)新華社報(bào)道，由我國(guó)自行設(shè)計(jì)、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變?cè)囼?yàn)裝置(又稱(chēng)“人造太陽(yáng)”)已完成了首次工程調(diào)試．下列關(guān)于“人造太陽(yáng)”的說(shuō)法正確的是()A．“人造太陽(yáng)”的核反應(yīng)方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB．“人造太陽(yáng)”的核反應(yīng)方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nC．依據(jù)公式E＝mc2可知，核燃料的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量與裂變反應(yīng)相同D．核燃燒的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量虧損比裂變反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量虧損大得多AD[eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是氫核聚變方程，故A項(xiàng)正確；依據(jù)氫核聚變特點(diǎn)，相同質(zhì)量的核燃料，氫核聚變釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多，氫核聚變反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量虧損比裂變反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量虧損大得多，D正確．]4．(多選)1938年哈恩用中子轟擊鈾核，發(fā)覺(jué)產(chǎn)物中有原子核鋇(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射線．下列關(guān)于這個(gè)試驗(yàn)的說(shuō)法中正確的是()A．這個(gè)試驗(yàn)的核反應(yīng)方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nB．這是一個(gè)核裂變過(guò)程，反應(yīng)后粒子質(zhì)量之和大于反應(yīng)前粒子質(zhì)量之和C．這個(gè)反應(yīng)中釋放出的能量可以用愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程來(lái)計(jì)算D．試驗(yàn)中產(chǎn)生的γ射線，其穿透實(shí)力極強(qiáng)AD[依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，鈾核裂變的核反應(yīng)方程應(yīng)為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n，選項(xiàng)A正確；鈾核裂變過(guò)程中，產(chǎn)生γ射線，放出能量，發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放的能量依據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程計(jì)算，選項(xiàng)B、C不正確；核反應(yīng)中產(chǎn)生的γ射線頻率很高，穿透實(shí)力極強(qiáng)，是能量極高的光子，選項(xiàng)D正確．]二、非選擇題(本題共2小題，共26分)5．(13分)已知eq\o\al(235,92)U(質(zhì)量為235.0439u)裂變后生成eq\o\al(141,56)Ba(質(zhì)量為140.9139u)和eq\o\al(92,36)Kr(質(zhì)量為91.8973u)，同時(shí)放出3個(gè)中子(每個(gè)中子質(zhì)量為1.0087u)，則1kg鈾全部裂變所放出的能量相當(dāng)于多少千克優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)放出的能量？(1kg優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)產(chǎn)生3.36×107J的熱量)[解析]核反應(yīng)方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n質(zhì)量虧損為Δm＝(mU＋mn)－(mBa＋mKr＋3mn)＝(235.0439＋1.0087)u－(140.9139＋91.8973＋3×1.0087)u＝0.2153u.釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝0.2153×931.5MeV≈200MeV，已知235g鈾有6.02×1023個(gè)鈾核，那么1kg鈾內(nèi)大約有eq\f(1,0.235)×6.02×1023＝2.56×1024個(gè)鈾核，由此可知1kg鈾全部裂變放出的能量為ΔE＝2.56×1024×200MeV＝5.12×1026MeV＝5.12×1032eV＝8.2×1013J，則相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)煤的質(zhì)量為M＝eq\f(8.2×1013,3.36×107)kg＝2.44×106kg.[答案]2.44×106．(13分)已知氘核質(zhì)量為2.0136u，中子質(zhì)量為1.0087u，eq\o\al(3,2)He核的質(zhì)量為3.0150u．兩個(gè)速率相等的氘核對(duì)心碰撞聚變成eq\o\al(3,2)He并放出一個(gè)中子，釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能．(質(zhì)量虧損為1u時(shí)，釋放的能量為931.5MeV.除了計(jì)算質(zhì)量虧損外，eq\o\al(3,2)He的質(zhì)量可以認(rèn)為是中子的3倍)(1)寫(xiě)出該核反應(yīng)的反應(yīng)方程式．(2)該核反應(yīng)釋放的核能是多少？(3)若測(cè)得反應(yīng)后生成中子的動(dòng)能是3.12MeV，則反應(yīng)前每個(gè)氘核的動(dòng)能是多少M(fèi)eV?[解析](1)核反應(yīng)方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)質(zhì)量虧損為Δm＝2.0136×2u－(3.0150u＋1.0087u)＝0.0035u，釋放的核能ΔE＝Δmc2＝0.0035×931.5MeV＝3.26MeV(3)設(shè)中子和eq\o\al(3,2)He核的質(zhì)量分別為m1、m2，速度分別為v1、