2024-2025學(xué)年高中物理第十九章原子核7+8粒子和宇宙課時作業(yè)含解析新人教版選修3-5

PAGE5-粒子和宇宙[A組素養(yǎng)達(dá)標(biāo)]1．(多選)下列說法中正確的是()A．目前還未發(fā)覺媒介子、輕子和夸克三類粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)B．自然界存在的能量守恒定律、動量守恒定律及電荷守恒定律，對基本粒子不適用C．反粒子與其對應(yīng)的粒子相遇時，會發(fā)生湮滅現(xiàn)象D．強(qiáng)子是參加強(qiáng)相互作用的粒子，質(zhì)子是最早發(fā)覺的強(qiáng)子解析：媒介子、輕子和夸克在現(xiàn)代試驗中還沒有發(fā)覺其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，故A正確．反粒子帶等量異種電荷，反粒子與其對應(yīng)的粒子相遇時會發(fā)生湮滅現(xiàn)象，故C正確．質(zhì)子是最早發(fā)覺的強(qiáng)子，故D正確．答案：ACD2．依據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時期，那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是()A．夸克、輕子、膠子等粒子B．質(zhì)子和中子等強(qiáng)子C．光子、中微子和電子等輕子D．氘核、氚核、氦核等輕核解析：宇宙形成之初產(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經(jīng)驗了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子時代，再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時代，再之后是中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，并形成氦核的核合成時代，之后電子和質(zhì)子復(fù)合成氫原子，最終形成恒星和星系，因此B、C、D的產(chǎn)生都在A之后，故A正確，B、C、D錯誤．答案：A3．重核裂變和輕核聚變是人類獲得核能的兩種主要途徑，下列推斷正確的是()A．裂變和聚變過程中都有質(zhì)量虧損B．裂變過程中有質(zhì)量虧損，聚變過程中質(zhì)量有所增加C．裂變過程中質(zhì)量有所增加，聚變過程中有質(zhì)量虧損D．裂變、聚變過程中質(zhì)量都增加解析：人類利用原子能的主要途徑是重核裂變和輕核聚變，在這兩個過程中有原子能釋放，由愛因斯坦的質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2可知，在獲得能量的同時，質(zhì)量是削減的，也就是發(fā)生質(zhì)量虧損．所以A選項正確．答案：A4．(多選)核聚變的主要原料氘，在海水中含量極其豐富．已知氘核的質(zhì)量為m1，中子的質(zhì)量為m2，eq\o\al(3,2)He的質(zhì)量為m3，質(zhì)子的質(zhì)量為m4，則下列說法中正確的是()A．兩個氘核聚變成一個eq\o\al(3,2)He所產(chǎn)生的另一個粒子是質(zhì)子B．兩個氘核聚變成一個eq\o\al(3,2)He所產(chǎn)生的另一個粒子是中子C．兩個氘核聚變成一個eq\o\al(3,2)He所釋放的核能為(m1－m3－m4)c2D．與受控核聚變比較，現(xiàn)行的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢物具有放射性解析：由核反應(yīng)方程知2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)X，X應(yīng)為中子，釋放的核能應(yīng)為ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚變反應(yīng)的污染特別小，而現(xiàn)實運行的裂變反應(yīng)的廢料具有很強(qiáng)的放射性，故A、C均錯誤，B、D正確．答案：BD5．(多選)如圖所示，托卡馬克(Tokamak)是探討受控核聚變的一種裝置，這個詞是toroidal(環(huán)形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的頭兩個字母以及katushka(線圈)的第一個字母組成的縮寫詞．依據(jù)以上信息，下述推斷中可能正確的是()A．這種裝置的核反應(yīng)原理是輕核的聚變，同時釋放出大量的能量，和太陽發(fā)光的原理類似B．線圈的作用是通電產(chǎn)生磁場使帶電粒子在磁場中旋轉(zhuǎn)而不溢出C．這種裝置同我國秦山、大亞灣核電站所運用核裝置的核反應(yīng)原理相同D．這種裝置可以限制熱核反應(yīng)速度，使聚變能緩慢而穩(wěn)定地進(jìn)行解析：聚變反應(yīng)原料在裝置中發(fā)生聚變，放出能量，故A正確；線圈通電時產(chǎn)生磁場，帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用不飛出，故B正確；核電站的原理是裂變，托卡馬克的原理是聚變，故C錯誤；該裝置使人們可以在試驗中限制反應(yīng)速度，平穩(wěn)釋放核能，故D正確．答案：ABD6．大科學(xué)工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電，氘核聚變反應(yīng)方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n，已知eq\o\al(2,1)H的質(zhì)量為2.0136u，eq\o\al(3,2)He的質(zhì)量為3.0150u，eq\o\al(1,0)n的質(zhì)量為1.0087u，1u＝931MeV/c2.氘核聚變反應(yīng)中釋放的核能約為()A．3.7MeV B．3.3MeVC．2.7MeV D．0.93MeV解析：氘核聚變反應(yīng)的質(zhì)量虧損Δm＝2m氘－m氦－mn＝0.0035u，則該反應(yīng)釋放的核能為ΔE＝Δm×931MeV≈3.3MeV，選項B正確．答案：B7．(多選)下列關(guān)于聚變的說法中，正確的是()A．要使聚變產(chǎn)生，必需克服核力做功B．輕核聚變須要幾百萬攝氏度的高溫，因此聚變又叫作熱核反應(yīng)C．原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D．太陽和很多恒星內(nèi)部都在激烈地進(jìn)行著熱核反應(yīng)解析：輕核聚變時，要使輕核之間距離達(dá)到10－15m，所以必需克服庫侖斥力做功，A錯誤；原子核必需有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍，試驗證明，原子核必需處在幾百萬攝氏度的高溫下才有這樣的能量，這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得，故B、C正確；在太陽和其他恒星內(nèi)部都存在著熱核反應(yīng)，D正確．答案：BCD8．歷史上第一次利用加速器實現(xiàn)的核反應(yīng)，是用加速后動能為0.5MeV的質(zhì)子eq\o\al(1,1)H轟出靜止的eq\o\al(A,Z)X，生成兩個動能均為8.9MeV的eq\o\al(4,2)He.(1MeV＝1.6×10－13J)(1)上述核反應(yīng)方程為__________________．(2)質(zhì)量虧損為________kg.解析：(1)據(jù)核電荷數(shù)及質(zhì)量數(shù)守恒，可得eq\o\al(A,Z)X為eq\o\al(7,3)Li，核反應(yīng)方程為eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→2eq\o\al(4,2)He.(2)依據(jù)能量守恒定律，核反應(yīng)釋放的能量即系統(tǒng)動能的增加量，為ΔE＝2×8.9MeV－0.5MeV＝17.3MeV，由愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2，得虧損的質(zhì)量為Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(17.3×1.6×10－13,3.0×1082)kg≈3.08×10－29kg答案：(1)eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→2eq\o\al(4,2)He(2)3.08×10－29[B組素養(yǎng)提升]9.(多選)2018年12月8日在西昌衛(wèi)星放射中心勝利放射的“嫦娥四號”探測器是世界首顆在月球背面軟著陸和巡察探測的航天器，主要任務(wù)是更加全面地科學(xué)探測月球地質(zhì)、資源等信息．月球的表面長期受到宇宙射線的照耀，使得“月壤”中的eq\o\al(3,2)He含量特別豐富，科學(xué)家認(rèn)為，eq\o\al(3,2)He是發(fā)生核聚變的極好原料，將來eq\o\al(3,2)He或許是人類重要的能源，所以探測月球意義特別重大．關(guān)于eq\o\al(3,2)He，下列說法正確的是()A.eq\o\al(3,2)He的原子核內(nèi)有三個中子兩個質(zhì)子B.eq\o\al(3,2)He的原子核內(nèi)有一個中子兩個質(zhì)子C.eq\o\al(3,2)He發(fā)生核聚變，放出能量，肯定會發(fā)生質(zhì)量虧損D.eq\o\al(3,2)He原子核內(nèi)的核子靠萬有引力緊密結(jié)合在一起解析：eq\o\al(3,2)He是氦元素的一種同位素，質(zhì)量數(shù)是3，電荷數(shù)是2，原子核內(nèi)有兩個質(zhì)子一個中子，所以A錯誤，B正確；發(fā)生核聚變放出能量就會有質(zhì)量虧損，C正確；原子核內(nèi)的核子是靠核力緊密結(jié)合在一起的，而不是靠萬有引力緊密結(jié)合在一起的，D錯誤．答案：BC10．某科學(xué)家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個核反應(yīng)方程為eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(12,6)C→eq\o\al(13,7)N＋Q1，eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(15,7)N→eq\o\al(12,6)C＋X＋Q2，方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關(guān)的原子核質(zhì)量見下表，下列推斷正確的是()原子核eq\o\al(1,1)Heq\o\al(3,2)Heeq\o\al(4,2)Heeq\o\al(12,6)Ceq\o\al(13,7)Neq\o\al(15,7)N質(zhì)量/u1.00783.01604.002612.000013.005715.0001A.X是eq\o\al(3,2)He,Q2>Q1 B．X是eq\o\al(4,2)He,Q2>Q1C．X是eq\o\al(3,2)He,Q2<Q1 D．X是eq\o\al(4,2)He,Q2<Q1解析：依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得X是eq\o\al(4,2)He，第一個核反應(yīng)質(zhì)量虧損少，依據(jù)質(zhì)能方程得放出的能量少，故B正確．答案：B11．有一種聚變反應(yīng)是四個氫核聚變成一個氦核，同時放出兩個正電子．(已知煤的燃燒值q＝3.36×107J/kg，氫核質(zhì)量為1.008142u，氦核質(zhì)量為4.001509u，電子的質(zhì)量為0.000549u,1MeV＝1.6×10－13J)求：(1)該聚變反應(yīng)釋放多少能量？(2)若1g氫完全聚變，能釋放多少能量？(3)1g氫完全聚變，釋放的能量相當(dāng)于多少煤完全燃燒放出的熱能？解析：(1)核反應(yīng)方程為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e，所以Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.008142u－4.001509u－2×0.000549u＝0.029961u，ΔE＝Δmc2＝0.029961×931.5MeV≈27.91MeV≈4.47×10－12J.(2)1g氫完全聚變釋放的能量為E＝eq\f(1,4)×6.02×1023×4.47×10－12J≈6.73×1011J.(3)相當(dāng)于煤完全燃燒的質(zhì)量為m＝eq\f(6.73×1011,3.36×107)kg≈2.00×104kg.答案：(1)4.47×10－12J(2)6.73×1011J(3)2.00×10[C組學(xué)霸沖刺]12．已知氘核的質(zhì)量為2.0136u，中子的質(zhì)量為1.0087u，eq\o\al(3,2)He的質(zhì)量為3.0150u.(1)試寫出兩個氘核聚變生成eq\o\al(3,2)He的核反應(yīng)方程；(2)計算上述反應(yīng)中釋放的核能；(3)若兩個氘核以相等的動能0.35MeV做對心碰撞即可發(fā)生上述核反應(yīng)，且釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，則反應(yīng)中生成eq\o\al(3,2)He核和中子的動能各是多少？解析：(1)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)核反應(yīng)中質(zhì)量虧損Δm＝2.0136u×2－(3.0150u＋1.0087u)＝0.0035u釋放的核能ΔE＝Δmc2＝0.0035×931.5MeV≈3.26MeV.(3)設(shè)eq\o\al(3,2)He核和中子的質(zhì)量分別為m1、m2，速度分別為v1、v2，則由動量守恒定律及能量守恒定律得m1v1－m2v2＝0