【高考复习强化】2019学年高中物理 第5章《核能与社会》综合检测 沪科版选修3-5

【课堂新坐标】（教师用书）2013-2014学年高中物理第5章《核能与社会》综合检测沪科版选修3-5(时间：90分钟满分：100分)一、选择题(本题包括10小题，每小题4分，共40分，在每小题给出的四个选项中，至少有一项是符合题目要求的．全部选对的得4分，选对但不全的得2分，选错或不选的得0分)1．(2010·上海单科)现已建成的核电站发电的能量来自于( )A．天然放射性元素衰变放出的能量B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂变放出的能量D．化学反应放出的能量【解析】现在核电站所用原料主要是铀，利用铀裂变放出的核能发电，故C项正确．【答案】 C2．下列说法正确的是( )A.15 7N＋11H→12 6C＋42He是α衰变方程B.11H＋21H→32He＋γ是核聚变反应方程C.238 92U→234 90Th＋42He是核裂变反应方程D.42He＋2713Al→3015P＋10n是原子核的人工转变方程【解析】A选项中15 7N在质子的轰击下发生的核反应，属于人工转变，故选项A错误；C选项是α衰变，不是裂变，即选项C错误．【答案】BD3．关于核能的利用，下列说法正确的是( )A．现在的核电站既有裂变反应堆也有聚变反应堆B．在地球上，人类还无法实现聚变反应C．当人类实现了受控核聚变，稳定输出核能时，世界就会克服“能源危机”D．世界现有核电站能够进行聚变反应而输出核能【解析】现有核电站均为重核裂变反应释放能量．而裂变反应和聚变反应的条件不同，现在的核电站不能进行聚变反应，故A、D错误；虽然人类已经掌握了聚变反应的技术．但还不能实现大规模的受控核聚变，故B错误；由于地球上储备有大量的聚变原料，一旦实现受控核聚变，世界将不再存在“能源危机”，故C正确．【答案】 C4．下列说法中正确的是( )A．自由核子结合成原子核时，一定遵守质量守恒B ．发生核反应时，反应前物质的总质量一定等于反应后所生成物质的总质量C ．发生核反应时，如果反应前物质的总质量大于反应后的总质量，这个反应是放能反应D ．发生核反应时，反应前物质的总质量大于反应后的总质量，这个反应必须吸收能量才能发生核反应【解析】 自由核子结合成原子核时放出能量、使原子核具有了结合能，质量一定减少，A 错误；一般核反应中伴随能量变化，反应前后质量必定变化，若反应过程中质量亏损则放出能量，反之吸收能量，由此知B 、D 错误，C 正确．【答案】 C5．(2011·长春检测)某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为11H ＋12 6C→13 7N ＋Q 1，11H ＋15 7N→126C ＋X ＋Q 2方程式中Q 1、Q 2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：A ．X 是32He ，Q 2＞Q 1 B ．X 是42He ，Q 2＞Q 1 C ．X 是32He ，Q 2＜Q 1 D ．X 是42He ，Q 2＜Q 1【解析】 11H ＋126C→137N 中质量亏损为Δm 1＝1.007 8 u ＋12.000 0 u －13.005 7 u ＝0.002 1 u ，根据电荷数守恒和质量数守恒可知11H ＋157N→126C ＋X 中X 的电荷数为2、质量数为4，质量亏损为Δm 2＝1.007 8 u ＋15.000 1 u －12.000 0 u －4.002 6 u ＝0.005 3 u ，根据爱因斯坦的质能方程可知Q 1＝Δm 1c 2、Q 2＝Δm 2c 2，则Q 1< Q 2.【答案】 B6．关于核聚变，以下说法不正确的是( ) A ．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁 B ．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站 C ．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15m 以内，核力才能起作用D ．地球聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核 【解析】 与核变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)安全、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多；(3)核废料易处理．但核聚变发电还没有投入实际运行．所以B 项是不正确的．【答案】 B7．使两个氘核发生聚变，必须使它们之间的距离接近到r 0，接近到核力能够发生作用的范围．温度很高时，由氘原子构成的物质将变为等离子体，已知等离子体热运动的平均动能为E k ＝32k 1T ，式中k 1为波尔兹曼常量，T 为热力学温度，两个氘核之间的电势能为E p ＝k e2r，k 为静电力常量，r 为核之间的距离，则使氘核发生聚变的温度至少应为( )A.ke 2k 1r 0B.ke 23k 1r 0C.2ke 23k 1r 0D.4ke 23k 1r 0【解析】 聚变时，等离子体由无限远靠近到r 0的过程，动能转化为氘核之间的电势能，故2E k ＝E p ，即2×32k 1T ＝k e 2r 0，解得T ＝ke23k 1r 0，故B 正确．【答案】 B8．下列说法正确的是( )A ．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量B ．使核发生聚变反应必须使核之间的距离接近到1×10－15m ，也就是接近到核力能够发生作用的范围内C ．要使核发生聚变反应，必须克服库仑斥力做功D ．热核反应只有在人工控制下才能发生【解析】 由质能方程可知A 正确；轻核结合成质量较大核，必须使轻核间的距离达到能发生核力的范围，才能使它们紧密地结合起来，因此必须克服库仑斥力做功，B 、C 正确；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，D 错．【答案】 ABC9．(2011·福建龙岩检测)关于核反应方程21H ＋31H→42He ＋X ，以下说法中正确的是( ) A ．X 是10n ，该核反应属于聚变 B ．X 是11H ，该核反应属于裂变C ．X 是10n ，该反应中的核燃料是当前核电站采用的核燃料D ．X 是11H ，该反应中的核燃料是当前核电站采用的核燃料【解析】 根据质量数守恒，电荷数守恒，可知X 是10n ，该核反应属于聚变，故A 正确，B 错误；当前核燃料利用的是U －235，故C 、D 错误．【答案】 A10．2006年9月28日，我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了“EAST”装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1 000 s 温度超过1亿度，标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平．合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方．核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富，已知氘核的质量为m 1，中子的质量为m 2，32He 的质量为m 3，质子的质量为m 4，则下列说法中正确的是( )A．两个氘核聚变成一个32He所产生的另一个粒子是质子B．两个氘核聚变成一个32He所产生的另一个粒子是中子C．两个氘核聚变成一个32He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2D．与受控核聚变比较，现实运行的核反应堆产生的废料具有放射性【解析】由核反应方程知221H―→32He＋10X，X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚变反应的污染非常小．而现实运行的裂变反应的废料具有很强的放射性，故A、C错误，B、D正确．【答案】BD二、填空题(本题2小题，共12分)11．(4分)(2011·浙江高考)在核反应堆中，铀核吸收中子会发生裂变，裂变的产物是多样的，所生成的核往往还会衰变，其中一个衰变过程可表述为131 53I→131 54Xe＋________＋ΔE.试问式中空格应为何种粒子？【解析】由核反应过程中质量数和核电核数守恒，得该粒子质量数为0，核电荷数为－1，核反应方程为131 53I→131 54Xe＋0－1e＋ΔE，空格中粒子为电子．【答案】0－1e 电子12．(8分)(2011·高二检测)雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(νe)而获得了2002年度诺贝尔物理学奖．他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615 t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶．电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程为νe＋3717 Cl→3718Ar＋0－1e已知3717Cl的质量为36.956 58 u，3718Ar的质量为36.956 91 u，0－1e的质量为0.000 55 u,1 u质量对应的能量为931.5 MeV.根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为________．【解析】上面核反应过程增加的质量：Δm＝36.956 91 u＋0.000 55 u－36.956 58 u＝0.000 88 u应吸收的能量：ΔE＝Δmc2＝0.000 88×931.5 MeV＝0.82 MeV.【答案】0.82 MeV三、计算题(本题包括4个小题，共48分，解答时要写出必要的文字说明、主要的解题步骤，有数值计算的要注明单位)13．(8分)1993年，中国科学院上海原子核研究所制得了一种新的铂元素的同位素202 78Pt，制取过程如下：(1)用质子轰击铍靶94Be产生快中子；(2)用快中子轰击汞204 80Hg，反应过程可能有两种：①生成202 78Pt，放出氦原子核；②生成202 78Pt，同时放出质子、中子．(3)生成的铂202 78Pt 发生两次衰变，变成稳定的原子核汞20280 0Hg.写出上述核反应方程．【解析】 由题目可知制得20278Pt 的过程，可根据每个过程中已知的原子核、粒子，依据电荷数、质量数守恒的原则写出核反应方程．根据质量数守恒、电荷数守恒，确定新生核的电荷数和质量数，然后写出核反应方程．如下：(1)94Be ＋11H ―→95B ＋10n(2)①20480 Hg ＋10n ―→20278 Pt ＋32He ； ②20480 Hg ＋10n ―→20278Pt ＋211H ＋10n(3)20278Pt ―→20279 Au ＋0－1e ；20279 Au ―→20280 Hg ＋ 0－1e.【答案】 见解析14．(10分)在原子反应堆中，常用石墨(碳)作减速剂使快中子减速．已知碳核的质量是中子的12倍，假设中子与碳核的碰撞是弹性的(即碰撞中不损失动能)，而且碰撞前碳核是静止的，设碰撞前中子的动能为E 0，问经过一次碰撞后，中子的动能损失多少？【解析】 (1)设中子的质量为m ，速度为v 0，碳核的质量为M ，碰撞后中子、碳核的速度分别为v 1、v ，则mv 0＝mv 1＋Mv ①12mv 20＝12mv 21＋12Mv 2② 由①②解得v 1＝－1113v 0.碰撞一次，中子损失的动能为：ΔE ＝12mv 20－12mv 21＝12mv 20⎣⎢⎡⎦⎥⎤1－⎝ ⎛⎭⎪⎫11132＝48169E 0. 【答案】48169E 0 15．(12分)已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226.试问： (1)镭核中质子数和中子数分别是多少？ (2)镭核的核电荷数和所带电荷量是多少？ (3)若镭原子呈中性，它核外有多少电子？(4)22888Ra 是镭的一种同位素，让22688Ra 和22888Ra 以相同速度垂直射入磁感应强度为B 的匀强磁场中，它们运动的轨道半径之比是多少？【解析】 因为原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的．原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和．由此可得：(1)镭核中的质子数等于其原子序数，故质子数为88，中子数N 等于原子核的质量数A 与质子数Z 之差，即N ＝A －Z ＝226－88＝138.(2)镭核的核电荷数和所带电量分别是Z ＝88，Q ＝Ze ＝88×1.6×10－19C ＝1.41×10－17C.(3)核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88.(4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力，故有qvB ＝m v 2r ，r ＝mv qB两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故r 226r 228＝226228＝113114. 【答案】 (1)138 (2)1.41×10－17C (3)88(4)113∶11416．(18分)太阳现正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和11H 、42He 等原子核组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是2 0－1e ＋411H→42He ＋释放的核能，这些能量最后转化为辐射能，根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的11H 核数目从现有数减少10%，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段，为了简单，假定目前太阳全部由电子和11H 核组成．(1)为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量M ，已知地球半径R ＝6.4×106m ．地球质量m ＝6.0×1024kg ，日地中心的距离r ＝1.5×1011m ，地球表面处的重力加速度g ＝10 m/s 2,1年约为3.2×107秒，试估算目前太阳的质量M ；(2)已知质子质量m p ＝1.6726×10－27kg ，42He 质量m α＝6.6458×10－27kg ，电子质量m e＝0.9×10－30kg ，光速c ＝3×108m/s ，求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能；(3)又知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能ω＝1.35×103W/m 2，试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命(估算结果只要求一位有效数字)．【解析】 (1)估算太阳的质量M设T 为地球绕日心运动的周期，则由万有力定律和牛顿定律可知G mM r 2＝m (2πT)2r ，① 地球表面处的重力加速度g ＝G m R2②由①、②式联立解得 M ＝m (2πT )2r 3R 2g③以题给数值代入，得M ＝2×1030kg.④(2)根据质量亏损和质能公式，该核反应发生一次释放的核能为 ΔE ＝(4m p ＋2m e －m α)c 2，⑤ 代入数值，解得ΔE ＝4.2×10－12J ．⑥(3)根据题给假定，在太阳继续保持在主星序阶段的时间内，发生题中所述的核聚变反应的次数为N ＝M4m p×10%⑦ 因此，太阳总共辐射出的能量为E ＝N ·ΔE设太阳辐射是各向同性的，则每秒内太阳向外放出的辐射能为E ′＝4πr 2ω，⑧所以太阳继续保持在主星序的时间为t ＝E E ′⑨ 由以上各式解得 t ＝0.1M m p ＋2m e －2m αc 24m p ×4πr 2ω以题给数据代入，并以年为单位，可得t ＝1×1010年．【答案】 (1)2×1030kg (2)4.2×10－12J(3)1×1010年。