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2019年高中物理 第5章《核能與社會》綜合檢測 滬科版選修3-5 一、選擇題(本題包括10小題，每小題4分，共40分，在每小題給出的四個選項中，至少有一項是符合題目要求的．全部選對的得4分，選對但不全的得2分，選錯或不選的得0分) 1．(xx上海單科)現(xiàn)已建成的核電站發(fā)電的能量來自于(　　) 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能量 C．重核裂變放出的能量 D．化學(xué)反應(yīng)放出的能量 【解析】　現(xiàn)在核電站所用原料主要是鈾，利用鈾裂變放出的核能發(fā)電，故C項正確． 【答案】　C 2．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(yīng)方程 C.U→Th＋He是核裂變反應(yīng)方程 D.He＋Al→P＋n是原子核的人工轉(zhuǎn)變方程 【解析】　A選項中N在質(zhì)子的轟擊下發(fā)生的核反應(yīng)，屬于人工轉(zhuǎn)變，故選項A錯誤；C選項是α衰變，不是裂變，即選項C錯誤． 【答案】　BD 3．關(guān)于核能的利用，下列說法正確的是(　　) A．現(xiàn)在的核電站既有裂變反應(yīng)堆也有聚變反應(yīng)堆 B．在地球上，人類還無法實現(xiàn)聚變反應(yīng) C．當(dāng)人類實現(xiàn)了受控核聚變，穩(wěn)定輸出核能時，世界就會克服“能源危機(jī)” D．世界現(xiàn)有核電站能夠進(jìn)行聚變反應(yīng)而輸出核能 【解析】　現(xiàn)有核電站均為重核裂變反應(yīng)釋放能量．而裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)的條件不同，現(xiàn)在的核電站不能進(jìn)行聚變反應(yīng)，故A、D錯誤；雖然人類已經(jīng)掌握了聚變反應(yīng)的技術(shù)．但還不能實現(xiàn)大規(guī)模的受控核聚變，故B錯誤；由于地球上儲備有大量的聚變原料，一旦實現(xiàn)受控核聚變，世界將不再存在“能源危機(jī)”，故C正確． 【答案】　C 4．下列說法中正確的是(　　) A．自由核子結(jié)合成原子核時，一定遵守質(zhì)量守恒 B．發(fā)生核反應(yīng)時，反應(yīng)前物質(zhì)的總質(zhì)量一定等于反應(yīng)后所生成物質(zhì)的總質(zhì)量 C．發(fā)生核反應(yīng)時，如果反應(yīng)前物質(zhì)的總質(zhì)量大于反應(yīng)后的總質(zhì)量，這個反應(yīng)是放能反應(yīng) D．發(fā)生核反應(yīng)時，反應(yīng)前物質(zhì)的總質(zhì)量大于反應(yīng)后的總質(zhì)量，這個反應(yīng)必須吸收能量才能發(fā)生核反應(yīng) 【解析】　自由核子結(jié)合成原子核時放出能量、使原子核具有了結(jié)合能，質(zhì)量一定減少，A錯誤；一般核反應(yīng)中伴隨能量變化，反應(yīng)前后質(zhì)量必定變化，若反應(yīng)過程中質(zhì)量虧損則放出能量，反之吸收能量，由此知B、D錯誤，C正確． 【答案】　C 5．(2011長春檢測)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 H＋C→N＋Q1，H＋N→C＋X＋Q2 方程式中Q1、Q2表示釋放的能量，相關(guān)的原子核質(zhì)量見下表： 原子核 H He He C N N 質(zhì)量/u 1.007 8 3.016 0 4.002 6 12.000 0 13.005 7 15.000 1 以下推斷正確的是(　　) A．X是He，Q2＞Q1 B．X是He，Q2＞Q1 C．X是He，Q2＜Q1 D．X是He，Q2＜Q1 【解析】　H＋C→N中質(zhì)量虧損為Δm1＝1.007 8 u＋12.000 0 u－13.005 7 u＝0.002 1 u，根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可知H＋N→C＋X中X的電荷數(shù)為2、質(zhì)量數(shù)為4，質(zhì)量虧損為Δm2＝1.007 8 u＋15.000 1 u－12.000 0 u－4.002 6 u＝0.005 3 u，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程可知Q1＝Δm1c2、Q2＝Δm2c2，則Q1< Q2. 【答案】　B 6．關(guān)于核聚變，以下說法不正確的是(　　) A．與裂變相比輕核聚變輻射極少，更為安全、清潔 B．世界上已經(jīng)有利用核聚變能來發(fā)電的核電站 C．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 D．地球聚變?nèi)剂系膬α渴重S富，從海水中可以提煉出大量核聚變所需的氘核 【解析】　與核變相比，核聚變有下面的幾個優(yōu)勢：(1)安全、清潔、輻射少；(2)核燃料儲量多；(3)核廢料易處理．但核聚變發(fā)電還沒有投入實際運行．所以B項是不正確的． 【答案】　B 7．使兩個氘核發(fā)生聚變，必須使它們之間的距離接近到r0，接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍．溫度很高時，由氘原子構(gòu)成的物質(zhì)將變?yōu)榈入x子體，已知等離子體熱運動的平均動能為Ek＝k1T，式中k1為波爾茲曼常量，T為熱力學(xué)溫度，兩個氘核之間的電勢能為Ep＝k，k為靜電力常量，r為核之間的距離，則使氘核發(fā)生聚變的溫度至少應(yīng)為(　　) A.　　　　　　 B. C. D. 【解析】　聚變時，等離子體由無限遠(yuǎn)靠近到r0的過程，動能轉(zhuǎn)化為氘核之間的電勢能，故2Ek＝Ep，即2k1T＝k，解得T＝，故B正確． 【答案】　B 8．下列說法正確的是(　　) A．聚變反應(yīng)中有質(zhì)量虧損，所以必向外界放出能量 B．使核發(fā)生聚變反應(yīng)必須使核之間的距離接近到110－15 m，也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍內(nèi) C．要使核發(fā)生聚變反應(yīng)，必須克服庫侖斥力做功 D．熱核反應(yīng)只有在人工控制下才能發(fā)生 【解析】　由質(zhì)能方程可知A正確；輕核結(jié)合成質(zhì)量較大核，必須使輕核間的距離達(dá)到能發(fā)生核力的范圍，才能使它們緊密地結(jié)合起來，因此必須克服庫侖斥力做功，B、C正確；熱核反應(yīng)必須在很高的溫度下才能發(fā)生，不一定要人工控制，D錯． 【答案】　ABC 9．(2011福建龍巖檢測)關(guān)于核反應(yīng)方程H＋H→He＋X，以下說法中正確的是(　　) A．X是n，該核反應(yīng)屬于聚變 B．X是H，該核反應(yīng)屬于裂變 C．X是n，該反應(yīng)中的核燃料是當(dāng)前核電站采用的核燃料 D．X是H，該反應(yīng)中的核燃料是當(dāng)前核電站采用的核燃料 【解析】　根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒，可知X是n，該核反應(yīng)屬于聚變，故A正確，B錯誤；當(dāng)前核燃料利用的是U－235，故C、D錯誤． 【答案】　A 10．2006年9月28日，我國最新一代核聚變裝置“EAST”在安徽合肥首次放電，顯示了“EAST”裝置具有良好的整體性能，使等離子體約束時間達(dá)1 000 s溫度超過1億度，標(biāo)志著我國磁約束核聚變研究進(jìn)入國際先進(jìn)水平．合肥也成為世界上第一個建成此類全超導(dǎo)非圓截面核聚變實驗裝置并能實際運行的地方．核聚變的主要原料是氘，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，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He所產(chǎn)生的另一個粒子是中子 C．兩個氘核聚變成一個He所釋放的核能為(2m1－m3－m4)c2 D．與受控核聚變比較，現(xiàn)實運行的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢料具有放射性 【解析】　由核反應(yīng)方程知2H―→He＋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)的污染非常?。F(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錯誤，B、D正確． 【答案】　BD 二、填空題(本題2小題，共12分) 11．(4分)(2011浙江高考)在核反應(yīng)堆中，鈾核吸收中子會發(fā)生裂變，裂變的產(chǎn)物是多樣的，所生成的核往往還會衰變，其中一個衰變過程可表述為I→Xe＋________＋ΔE.試問式中空格應(yīng)為何種粒子？ 【解析】　由核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)和核電核數(shù)守恒，得該粒子質(zhì)量數(shù)為0，核電荷數(shù)為－1，核反應(yīng)方程為I→Xe＋e＋ΔE，空格中粒子為電子． 【答案】　e　電子 12．(8分)(2011高二檢測)雷蒙德戴維斯因研究來自太陽的電子中微子(νe)而獲得了xx年度諾貝爾物理學(xué)獎．他探測中微子所用的探測器的主體是一個貯滿615 t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶．電子中微子可以將一個氯核轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€氬核，其核反應(yīng)方程為νe＋Cl→Ar＋e 已知Cl的質(zhì)量為36.956 58 u，Ar的質(zhì)量為36.956 91 u，e的質(zhì)量為0.000 55 u,1 u質(zhì)量對應(yīng)的能量為931.5 MeV.根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以判斷參與上述反應(yīng)的電子中微子的最小能量為________． 【解析】　上面核反應(yīng)過程增加的質(zhì)量： Δm＝36.956 91 u＋0.000 55 u－36.956 58 u ＝0.000 88 u 應(yīng)吸收的能量： ΔE＝Δmc2＝0.000 88931.5 MeV＝0.82 MeV. 【答案】　0.82 MeV 三、計算題(本題包括4個小題，共48分，解答時要寫出必要的文字說明、主要的解題步驟，有數(shù)值計算的要注明單位) 13．(8分)1993年，中國科學(xué)院上海原子核研究所制得了一種新的鉑元素的同位素Pt，制取過程如下：(1)用質(zhì)子轟擊鈹靶Be產(chǎn)生快中子；(2)用快中子轟擊汞Hg，反應(yīng)過程可能有兩種：①生成Pt，放出氦原子核；②生成Pt，同時放出質(zhì)子、中子．(3)生成的鉑Pt發(fā)生兩次衰變，變成穩(wěn)定的原子核汞0Hg.寫出上述核反應(yīng)方程． 【解析】　由題目可知制得Pt的過程，可根據(jù)每個過程中已知的原子核、粒子，依據(jù)電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)守恒的原則寫出核反應(yīng)方程． 根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，確定新生核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)，然后寫出核反應(yīng)方程．如下： (1)Be＋H―→B＋n (2)① Hg＋n―→ Pt＋He； ② Hg＋n―→Pt＋2H＋n (3)Pt―→ Au＋　0－1e；Au―→ Hg＋　e. 【答案】　見解析 14．(10分)在原子反應(yīng)堆中，常用石墨(碳)作減速劑使快中子減速．已知碳核的質(zhì)量是中子的12倍，假設(shè)中子與碳核的碰撞是彈性的(即碰撞中不損失動能)，而且碰撞前碳核是靜止的，設(shè)碰撞前中子的動能為E0，問經(jīng)過一次碰撞后，中子的動能損失多少？ 【解析】　(1)設(shè)中子的質(zhì)量為m，速度為v0，碳核的質(zhì)量為M，碰撞后中子、碳核的速度分別為v1、v，則mv0＝mv1＋Mv① mv＝mv＋Mv2② 由①②解得v1＝－v0.碰撞一次，中子損失的動能為：ΔE＝mv－mv＝mv ＝E0. 【答案】　 E0 15．(12分)已知鐳的原子序數(shù)是88，原子核質(zhì)量數(shù)是226.試問： (1)鐳核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)分別是多少？ (2)鐳核的核電荷數(shù)和所帶電荷量是多少？ (3)若鐳原子呈中性，它核外有多少電子？ (4)Ra是鐳的一種同位素，讓Ra和Ra以相同速度垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，它們運動的軌道半徑之比是多少？ 【解析】　因為原子序數(shù)與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)、核電荷數(shù)、中性原子的核外電子數(shù)都是相等的．原子核的質(zhì)量數(shù)等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和．由此可得： (1)鐳核中的質(zhì)子數(shù)等于其原子序數(shù)，故質(zhì)子數(shù)為88，中子數(shù)N等于原子核的質(zhì)量數(shù)A與質(zhì)子數(shù)Z之差，即N＝A－Z＝226－88＝138. (2)鐳核的核電荷數(shù)和所帶電量分別是Z＝88，Q＝Ze＝881.610－19 C＝1.4110－17 C. (3)核外電子數(shù)等于核電荷數(shù)，故核外電子數(shù)為88. (4)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力充當(dāng)向心力，故有 qvB＝m，r＝ 兩種同位素具有相同的核電荷數(shù)，但質(zhì)量數(shù)不同，故＝＝. 【答案】　(1)138　(2)1.4110－17 C　(3)88 (4)113∶114 16．(18分)太陽現(xiàn)正處于主序星演化階段，它主要是由電子和H、He等原子核組成，維持太陽輻射的是它內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，核反應(yīng)方程是2e＋4H→He＋釋放的核能，這些能量最后轉(zhuǎn)化為輻射能，根據(jù)目前關(guān)于恒星演化的理論，若由于聚變反應(yīng)而使太陽中的H核數(shù)目從現(xiàn)有數(shù)減少10%，太陽將離開主序星階段而轉(zhuǎn)入紅巨星的演化階段，為了簡單，假定目前太陽全部由電子和H核組成． (1)為了研究太陽演化進(jìn)程，需知道目前太陽的質(zhì)量M，已知地球半徑R＝6.4106 m．地球質(zhì)量m＝6.01024 kg，日地中心的距離r＝1.51011 m，地球表面處的重力加速度g＝10 m/s2,1年約為3.2107秒，試估算目前太陽的質(zhì)量M； (2)已知質(zhì)子質(zhì)量mp＝1.672610－27 kg，He質(zhì)量mα＝6.645810－27 kg，電子質(zhì)量me＝0.910－30 kg，光速c＝3108 m/s，求每發(fā)生一次題中所述的核聚變反應(yīng)所釋放的核能； (3)又知地球上與太陽光垂直的每平方米截面上，每秒通過的太陽輻射能ω＝1.35103 W/m2，試估算太陽繼續(xù)保持在主序星階段還有多少年的壽命(估算結(jié)果只要求一位有效數(shù)字)． 【解析】　(1)估算太陽的質(zhì)量M 設(shè)T為地球繞日心運動的周期，則由萬有力定律和牛頓定律可知 G＝m()2r，① 地球表面處的重力加速度 g＝G② 由①、②式聯(lián)立解得 M＝m()2③ 以題給數(shù)值代入，得M＝21030 kg.④ (2)根據(jù)質(zhì)量虧損和質(zhì)能公式，該核反應(yīng)發(fā)生一次釋放的核能為 ΔE＝(4mp＋2me－mα)c2，⑤ 代入數(shù)值，解得 ΔE＝4.210－12 J．⑥ (3)根據(jù)題給假定，在太陽繼續(xù)保持在主星序階段的時間內(nèi)，發(fā)生題中所述的核聚變反應(yīng)的次數(shù)為 N＝10%⑦ 因此，太陽總共輻射出的能量為 E＝NΔE 設(shè)太陽輻射是各向同性的，則每秒內(nèi)太陽向外放出的輻射能為 E′＝4πr2ω，⑧ 所以太陽繼續(xù)保持在主星序的時間為 t＝⑨ 由以上各式解得 t＝以題給數(shù)據(jù)代入，并以年為單位，可得t＝11010年． 【答案】　(1)21030 kg　(2)4.210－12 J (3)11010年