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2019-2020年高中物理 第19章 第7、8節(jié) 核聚變 粒子和宇宙同步練習 新人教版選修3-5 一、選擇題(1～4題為單選題，5、6題為多選題) 1．(青州市一中xx～xx學年高二下學期檢測)質子、中子和氘核的質量分別為m1、m2和m3，當一個質子和一個中子結合成氘核時，釋放的能量是(c表示真空中的光速)(　　) A．(m1＋m2－m3)c B．(m1－m2－m3)c C．(m1＋m2－m3)c2 D．(m1 － m2 －m3)c2 答案：C 解析：質量虧損Δm＝(m1＋m2－m3)，由E＝Δmc2可知C選項正確。 2．(福建師大附中xx～xx學年高二下學期檢測)關于粒子，下列說法中不正確的是(　　) A．質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子 B．質子、中子本身也有復雜的結構 C．質子是帶電的強子 D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位 答案：A 解析：質子和中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，故選項A錯誤，選項B對；不同的夸克組成強子，有的強子帶電，有的強子不帶電，質子是最早發(fā)現(xiàn)的帶正電的強子，故選項C正確；夸克模型是研究強子的理論，不同夸克帶的電荷不同，分別為元電荷的＋或－，這說明電子電荷不再是電荷的最小單位，故選項D正確。 3．2010年3月31日歐洲大型強子對撞機實現(xiàn)首次質子束對撞成功?？茖W家希望以接近光速飛行的質子在發(fā)生撞擊之后，能模擬宇宙大爆炸的能量，并產(chǎn)生新的粒子，幫助人類理解暗物質、反物質、以及其他超對稱現(xiàn)象，從根本上加深了解宇宙本質，揭示宇宙形成之謎。歐洲科研機構宣布他們已經(jīng)制造出9個反氫原子。請推測反氫原子的結構是(　　) A．由1個帶正電荷的質子和1個帶負電荷的電子構成 B．由1個帶負電荷的反質子和1個帶正電荷的正電子構成 C．由1個帶負電荷的反質子和1個帶負電荷的電子構成 D．由1個不帶電荷的中子和1個帶正電荷的正電子構成 答案：B 解析：根據(jù)反粒子定義，“反粒子”與“正粒子”具有相同的質量，但帶有等量的異性電荷。 因此“反氫原子”應該具有與氫原子相同的質量，相反的電荷符號且等量的電荷量。所以反氫原子是由H核和e構成的。 4．2002年，美國《科學》雜志評出的《2001年世界十大科技突破》中，有一次是加拿大薩德伯里中微子觀測站的結果，該站揭示了中微子失蹤的部分中微子在運動過程中轉化為一個μ子和一個τ子。在上述研究中有以下說法，正確的是(　　) ①若發(fā)現(xiàn)μ子和中微子的運動方向一致，則τ子的運動方向與中微子的運動方向一定相反 ②若發(fā)現(xiàn)μ子和中微子的運動方向一致，則τ子的運動方向與中微子的運動方向可能一致 ③若發(fā)現(xiàn)μ子和中微子的運動方向相反，則τ子的運動方向與中微子的運動方向一定一致 ④若發(fā)現(xiàn)μ子和中微子的運動方向相反，則τ子的運動方向與中微子的運動方向可能相反 A．①③　 B．②③　 C.③④　 D．①② 答案：B 解析：中微子在轉化為μ子和τ子的前后過程中滿足動量守恒定律。 5．下列說法正確的是(　　) A.N＋H→C＋He是α衰變方程 B.H＋H→He＋γ是核聚變反應方程 C.U→Th＋He是核裂變反應方程 D.He＋Al→P＋n是原子核的人工轉變方程 答案：BD 解析：本題主要考查核反應方程問題，A中方程為人工轉變方程，A錯。B為核聚變方程，B正確。C為α衰變方程，C錯。D為原子核的人工轉變方程，D正確，正確答案BD。 6．國家國防科技工業(yè)局首次發(fā)布“嫦娥三號”月面虹灣局部影像圖，如圖所示?？茖W家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的He(氦3)。它是一種高效、清潔、安全的核聚變燃料，其參與的一種核聚變反應的方程式為He＋He→2H＋He。關于He聚變下列表述正確的是(　　) A．聚變反應不會釋放能量 B．聚變反應產(chǎn)生了新的原子核 C．聚變反應會有質量虧損 D．目前核電站都采用He聚變反應發(fā)電 答案：BC 解析：聚變反應是將質量較小的輕核聚變成質量較大的核，聚變過程會有質量虧損，要放出大量的能量。但目前核電站都采用鈾核的裂變反應。綜上所述，選項BC正確。 二、非選擇題 7．產(chǎn)生聚變的條件是________，我們往往采用________的方法來滿足上述條件，這種反應叫做________，太陽每秒鐘輻射出來的能量約為3.81026J，就是從________反應中產(chǎn)生的，太陽內部時刻進行著4個質子結合成一個氦核的反應，試寫出核反應方程____________。 答案：使輕核之間的距離減小到10－15m　把它們的溫度加熱到很高　熱核反應　熱核　4H―→He＋2e 8．(湛江市xx～xx學年高二下學期期末)把氫核聚變反應簡化為4個氫核(H)聚變成氦核(He)，同時放出2個正電子(e)和2個中微子(ν0)，已知質子質量mp＝1.0073u，氦核質量mα＝4.0015u，電子質量me＝0.00055u，原子質量單位：1u＝1.66056610－27kg，真空中光速c＝3.0108m/s。 (1)寫出該氫核聚變反應的方程； (2)計算一次核反應釋放多少焦耳的能量。 答案：(1)4H→He＋2e＋2ν0　(2)410－12J 解析：(1)聚變反應方程為：4H→He＋2e＋2ν0 質量虧損為：Δm＝4mp－mα－2me 釋放的能量為ΔE＝Δmc2＝410－12J 能力提升 一、選擇題(1～3題為單選題，4～6題為多選題) 1．如圖所示，托卡馬克(tokamak)是研究受控核聚變的一種裝置，這個詞是toroidal(環(huán)形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的頭兩個字母以及kotushka(線圈)的第一個字母組成的縮寫詞。根據(jù)以上信息，下列判斷中錯誤的是(　　) A．這種裝置的核反應原理是輕核的聚變，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而不溢出 C．這種裝置是科學家設想的其中一種方案 D．該裝置是利用聚變物質的慣性進行約束 答案：D 解析：聚變反應原料在裝置中發(fā)生聚變，放出能量，故A對；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旋轉而不溢出，故B對，該裝置是科學家設想的其中一種方案是磁約束裝置，另一種方案是利用聚變物質的慣性進行約束，故C對D錯。 2．一個質子和一個中子聚變結合成一個氘核，同時輻射一個γ光子。已知質子、中子、氘核的質量分別為m1、m2、m3，普朗克常量為h，真空中的光速為c。下列說法正確的是(　　) A．核反應方程是H＋n→H＋γ B．聚變反應中的質量虧損Δm＝m1＋m2－m3 C．輻射出的γ光子的能量E＝(m3－m1－m2)c2 D．γ光子的波長λ＝ 答案：B 解析：H＋n→H＋γ，選項A錯誤；由題可知，該反應的質量虧損為Δm＝m1＋m2－m3，選項B正確；根據(jù)愛因斯坦的質能方程E＝mc2得，該反應輻射出的γ光子的能量為E＝(m1＋m2－m3)c2，選項C錯誤；由E＝hν＝h得，λ＝，選項D錯誤。 3.K－介子衰變的方程為：K－―→π－＋π0，其中K－介子π－介子帶負的基本電荷，π0介子不帶電。一個K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產(chǎn)生的π－介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點相切如圖所示，它們的半徑RK－與Rπ－之比為 2∶1，π0介子的軌跡未畫出，由此可知π－的動量大小與π0的動量大小之比為(　　) A．1∶1 B．1∶2 C．1∶3 D．1∶6 答案：C 解析：由帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動規(guī)律知： 軌道半徑R＝＝∝p 所以＝＝ 即pπ－＝pk－ 又由動量守恒定律pk－＝pπ0－pπ－ 得pπ0＝pk－＋pπ－＝pk－ 所以＝ 4．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(反夸克或反夸克)組成的，它們帶電量如下表所示，表中e為元電荷。 π＋ π－ u d 帶電量 ＋e －e ＋e －e －e ＋e 下列說法正確的是(　　) A．π＋由u和組成　　　 B．π＋由d和組成 C．π－由u和組成 D．π－由d和組成 答案：AD 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。 5．在某些恒星內，3個α粒子結合成一個C，C原子的質量是12.000 0u，He原子的質量是4.002 6u，已知1u＝1.6610－27kg，則(　　) A．反應過程中的質量虧損是Δm＝0.007 8u B．反應過程中的質量虧損是Δm＝1.2910－29kg C．反應過程中放出的能量是7.266MeV D．反應過程中放出的能量是1.1610－19J 答案：ABC 解析：其反應方程是3He→C。 其質量虧損為Δm＝(34.0026－12.0000)u＝0.0078u，A項對；Δm＝0.00781.6610－27kg＝1.2910－29kg，B項對；ΔE＝0.0078931.5MeV＝7.266MeV，C項對；ΔE＝7.2661061.610－19J＝1.1610－12J，D項錯。 6．據(jù)新華社報道，由我國自行設計、研制的世界第一套全超導核聚變實驗裝置(又稱“人造太陽”)已完成了首次工程調試。下列關于“人造太陽”的說法正確的是(　　) A．“人造太陽”的核反應方程是H＋H―→He＋n B．“人造太陽”的核反應方程是U＋n―→Ba＋Kr＋3n C．“人造太陽”釋放的能量大小的計算公式是ΔE＝Δmc2 D．“人造太陽”核能大小的計算公式是E＝mc2 答案：AC 解析：“人造太陽”是全超導核聚變實驗裝置，核反應是輕核聚變而不是重核裂變，故選項A正確，選項B錯誤。核能大小的計算根據(jù)愛因斯坦的質能方程，故選項C正確，選項D錯誤。 二、非選擇題 7.如下一系列核反應是在恒星內部發(fā)生的。 p＋C―→N　N―→C＋e＋＋ν p＋C―→N　p＋N―→O O―→N＋e＋＋ν　p＋N―→C＋α 其中p為質子，α為α粒子，e＋為正電子，ν為中微子，已知質子的質量為mp＝1.672 64810－27kg，α粒子的質量為mα＝6.644 92910－27kg, 正電子的質量為me＝9.1110－31kg，中微子的質量可忽略不計，真空中的光速c＝3.00108m/s，試計算該系列核反應完成后釋放的能量。 答案： 3.9510－12J 解析：為求出系列反應后釋放的能量，將題中所給的諸核反應方程左右兩側分別相加，消去兩側相同的項，系統(tǒng)反應最終等效為 4p―→α＋2e＋＋2ν 設反應后釋放的能量為Q，根據(jù)質能關系和能量守恒得 4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q 代入數(shù)值可得 Q＝3.9510－12J