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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(xí) 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(xué)年高二下學(xué)期檢測)質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3，當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核時(shí)，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(zhì)量虧損Δm＝(m1＋m2－m3)，由E＝Δmc2可知C選項(xiàng)正確。 2．(福建師大附中xx～xx學(xué)年高二下學(xué)期檢測)關(guān)于粒子，下列說法中不正確的是(　　) A．質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子 B．質(zhì)子、中子本身也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu) C．質(zhì)子是帶電的強(qiáng)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(zhì)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(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B對；不同的夸克組成強(qiáng)子，有的強(qiáng)子帶電，有的強(qiáng)子不帶電，質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的帶正電的強(qiáng)子，故選項(xiàng)C正確；夸克模型是研究強(qiáng)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(xiàng)D正確。 3．2010年3月31日歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)實(shí)現(xiàn)首次質(zhì)子束對撞成功?？茖W(xué)家希望以接近光速飛行的質(zhì)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(zhì)、反物質(zhì)、以及其他超對稱現(xiàn)象，從根本上加深了解宇宙本質(zhì)，揭示宇宙形成之謎。歐洲科研機(jī)構(gòu)宣布他們已經(jīng)制造出9個(gè)反氫原子。請推測反氫原子的結(jié)構(gòu)是(　　) A．由1個(gè)帶正電荷的質(zhì)子和1個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成 B．由1個(gè)帶負(fù)電荷的反質(zhì)子和1個(gè)帶正電荷的正電子構(gòu)成 C．由1個(gè)帶負(fù)電荷的反質(zhì)子和1個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成 D．由1個(gè)不帶電荷的中子和1個(gè)帶正電荷的正電子構(gòu)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(zhì)量，但帶有等量的異性電荷。 因此“反氫原子”應(yīng)該具有與氫原子相同的質(zhì)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(gòu)成的。 4．2002年，美國《科學(xué)》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(jié)果，該站揭示了中微子失蹤的部分中微子在運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)化為一個(gè)μ子和一個(gè)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(yùn)動(dòng)方向一致，則τ子的運(yùn)動(dòng)方向與中微子的運(yùn)動(dòng)方向一定相反 ②若發(fā)現(xiàn)μ子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向一致，則τ子的運(yùn)動(dòng)方向與中微子的運(yùn)動(dòng)方向可能一致 ③若發(fā)現(xiàn)μ子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向相反，則τ子的運(yùn)動(dòng)方向與中微子的運(yùn)動(dòng)方向一定一致 ④若發(fā)現(xiàn)μ子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向相反，則τ子的運(yùn)動(dòng)方向與中微子的運(yùn)動(dòng)方向可能相反 A．①③　 B．②③　 C.③④　 D．①② 答案：B 解析：中微子在轉(zhuǎn)化為μ子和τ子的前后過程中滿足動(dòng)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(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 答案：BD 解析：本題主要考查核反應(yīng)方程問題，A中方程為人工轉(zhuǎn)變方程，A錯(cuò)。B為核聚變方程，B正確。C為α衰變方程，C錯(cuò)。D為原子核的人工轉(zhuǎn)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(xué)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?nèi)剂?，其參與的一種核聚變反應(yīng)的方程式為He＋He→2H＋He。關(guān)于He聚變下列表述正確的是(　　) A．聚變反應(yīng)不會(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)會(huì)有質(zhì)量虧損 D．目前核電站都采用He聚變反應(yīng)發(fā)電 答案：BC 解析：聚變反應(yīng)是將質(zhì)量較小的輕核聚變成質(zhì)量較大的核，聚變過程會(huì)有質(zhì)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(yīng)。綜上所述，選項(xiàng)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(yīng)叫做________，太陽每秒鐘輻射出來的能量約為3.81026J，就是從________反應(yīng)中產(chǎn)生的，太陽內(nèi)部時(shí)刻進(jìn)行著4個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)氦核的反應(yīng)，試寫出核反應(yīng)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(yīng)　熱核　4H―→He＋2e 8．(湛江市xx～xx學(xué)年高二下學(xué)期期末)把氫核聚變反應(yīng)簡化為4個(gè)氫核(H)聚變成氦核(He)，同時(shí)放出2個(gè)正電子(e)和2個(gè)中微子(ν0)，已知質(zhì)子質(zhì)量mp＝1.0073u，氦核質(zhì)量mα＝4.0015u，電子質(zhì)量me＝0.00055u，原子質(zhì)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(yīng)的方程； (2)計(jì)算一次核反應(yīng)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(yīng)方程為：4H→He＋2e＋2ν0 質(zhì)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(gè)詞是toroidal(環(huán)形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的頭兩個(gè)字母以及kotushka(線圈)的第一個(gè)字母組成的縮寫詞。根據(jù)以上信息，下列判斷中錯(cuò)誤的是(　　) A．這種裝置的核反應(yīng)原理是輕核的聚變，同時(shí)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．這種裝置是科學(xué)家設(shè)想的其中一種方案 D．該裝置是利用聚變物質(zhì)的慣性進(jìn)行約束 答案：D 解析：聚變反應(yīng)原料在裝置中發(fā)生聚變，放出能量，故A對；線圈通電時(shí)產(chǎn)生磁場，帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用旋轉(zhuǎn)而不溢出，故B對，該裝置是科學(xué)家設(shè)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(zhì)的慣性進(jìn)行約束，故C對D錯(cuò)。 2．一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子聚變結(jié)合成一個(gè)氘核，同時(shí)輻射一個(gè)γ光子。已知質(zhì)子、中子、氘核的質(zhì)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(yīng)方程是H＋n→H＋γ B．聚變反應(yīng)中的質(zhì)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(xiàng)A錯(cuò)誤；由題可知，該反應(yīng)的質(zhì)量虧損為Δm＝m1＋m2－m3，選項(xiàng)B正確；根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程E＝mc2得，該反應(yīng)輻射出的γ光子的能量為E＝(m1＋m2－m3)c2，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由E＝hν＝h得，λ＝，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 3.K－介子衰變的方程為：K－―→π－＋π0，其中K－介子π－介子帶負(fù)的基本電荷，π0介子不帶電。一個(gè)K－介子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－介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點(diǎn)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(dòng)量大小與π0的動(dòng)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(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律知： 軌道半徑R＝＝∝p 所以＝＝ 即pπ－＝pk－ 又由動(dòng)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(gè)夸克(夸克u或夸克d)和一個(gè)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(cuò)誤。 5．在某些恒星內(nèi)，3個(gè)α粒子結(jié)合成一個(gè)C，C原子的質(zhì)量是12.000 0u，He原子的質(zhì)量是4.002 6u，已知1u＝1.6610－27kg，則(　　) A．反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損是Δm＝0.007 8u B．反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損是Δm＝1.2910－29kg C．反應(yīng)過程中放出的能量是7.266MeV D．反應(yīng)過程中放出的能量是1.1610－19J 答案：ABC 解析：其反應(yīng)方程是3He→C。 其質(zhì)量虧損為Δm＝(34.0026－12.0000)u＝0.0078u，A項(xiàng)對；Δm＝0.00781.6610－27kg＝1.2910－29kg，B項(xiàng)對；ΔE＝0.0078931.5MeV＝7.266MeV，C項(xiàng)對；ΔE＝7.2661061.610－19J＝1.1610－12J，D項(xiàng)錯(cuò)。 6．據(jù)新華社報(bào)道，由我國自行設(shè)計(jì)、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(又稱“人造太陽”)已完成了首次工程調(diào)試。下列關(guān)于“人造太陽”的說法正確的是(　　) A．“人造太陽”的核反應(yīng)方程是H＋H―→He＋n B．“人造太陽”的核反應(yīng)方程是U＋n―→Ba＋Kr＋3n C．“人造太陽”釋放的能量大小的計(jì)算公式是ΔE＝Δmc2 D．“人造太陽”核能大小的計(jì)算公式是E＝mc2 答案：AC 解析：“人造太陽”是全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，核反應(yīng)是輕核聚變而不是重核裂變，故選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B錯(cuò)誤。核能大小的計(jì)算根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，故選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 二、非選擇題 7.如下一系列核反應(yīng)是在恒星內(nèi)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(zhì)子，α為α粒子，e＋為正電子，ν為中微子，已知質(zhì)子的質(zhì)量為mp＝1.672 64810－27kg，α粒子的質(zhì)量為mα＝6.644 92910－27kg, 正電子的質(zhì)量為me＝9.1110－31kg，中微子的質(zhì)量可忽略不計(jì)，真空中的光速c＝3.00108m/s，試計(jì)算該系列核反應(yīng)完成后釋放的能量。 答案： 3.9510－12J 解析：為求出系列反應(yīng)后釋放的能量，將題中所給的諸核反應(yīng)方程左右兩側(cè)分別相加，消去兩側(cè)相同的項(xiàng)，系統(tǒng)反應(yīng)最終等效為 4p―→α＋2e＋＋2ν 設(shè)反應(yīng)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＝3.9510－12J