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2019-2020年高中物理（SWSJ）粤教版选修3-5教学案第四章第
六、七节 核能利用 小粒子与大宇宙含答案1．核反应堆是人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来2．反应堆里用的铀棒是天然铀或浓缩铀；石墨、重水的作用是使快中子变成慢中子，充当减速剂；镉棒的作用是吸收减速后的中子，控制反应速度，充当控制棒3．为了防止铀核裂变物放出的射线对人体的危害，在反应堆外面要修建很厚的水泥防护层来屏蔽射线，对放射性的废料也要装入特制的容器，埋入深地层来处理4．我国已于广东大亚湾建成两座核电站，还有浙江的秦山核电站5．人类目前能够观测到的最大距离约是140亿光年之远这一距离可以看成是目前观测到的宇宙半径6．对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述，称为宇宙模型大爆炸宇宙模型是一种被普遍接受的模型，它认为，宇宙起源于大约150亿年前突然发生的一次大爆炸，其后逐渐诞生出星球、星系、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等等，经历150亿年才演化成今天的样子7．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从10－15m到1027m，共跨越了大约42个数量级；目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有10－25s，可见，物质世界的时间尺度，约从10－25s到1018s，也跨越了将近43个数量级核反应堆
1.核反应堆的主要组成部分如图4－6－1所示为简化的核反应堆示意图图4－6－11核燃料反应堆使用天然铀或浓缩铀铀235占3%～4%制成铀棒，作为核燃料，释放核能2中子减速剂铀235具有易俘获慢中子，不易俘获快中子的特点而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用减速剂使它们的速度降下来常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水3控制棒为了控制能量释放的速度，就要想办法增减中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度4保护层核反应堆外层是很厚的水泥壁可防止射线辐射出去5热交换器靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去2．核反应堆的用途1核电站利用反应堆发电2小型反应堆可以使核能作为动力制造核动力潜艇3进行各种原子核物理实验3．核电站、核能利用1核电站利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电2特点消耗燃料少，但经济效益跟火电站大体相同反应堆是核电站的核心，是核电站的热源，核电站靠反应堆产生的内能发电1．在核反应堆中采用控制棒来控制裂变反应的速度，关于控制棒的作用，下面说法正确的是 A．使中子运动的速度减慢B．使中子运动的速度增加C．放出中子，使中子的数目增加D．吸收中子，使中子的数目减少解析核反应堆中的控制棒即镉棒对中子的吸收能力很强，可调节镉棒插入的深浅来控制反应速度，选项D正确答案D对粒子的认识
1.“基本粒子”和新粒子1电子、质子和中子直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来发现了电子、质子和中子，于是很多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子然而，随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也是复合粒子，并且还有着自己的复杂结构，所以电子、质子、中子并不是组成物质世界的基本粒子2新粒子1912年奥地利物理学家赫斯对宇宙射线观测时，发现了一些新粒子宇宙射线中粒子的能量很高，但数量很少人们用高能加速器进行实验，发现了更多的粒子如1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K子和π子2．三大类粒子按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类强子、轻子和媒介子3．夸克模型1夸克模型的提出许多实验事实表明，强子是有内部结构的1964年提出的夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克cuark2夸克的分类夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷分别为电荷的＋或－每种夸克都有对应的反夸克3夸克模型的意义夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷4夸克的“禁闭”目前人们对夸克的认识还是很初步的，科学家们直到今天都还未捕捉到自由的夸克夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”能否解放被禁闭的夸克，是21世纪物理学面临的重大课题之一2．为了探究宇宙起源，“阿尔法磁谱仪”AMS将在太空中寻找“反物质”所谓“反物质”是由“反粒子”构成的“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则反氢原子是 A．由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成D．由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成解析根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异性电荷因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量所以反氢原子是由H核和e构成的答案B核反应堆[例1] 在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能1核反应方程式U＋n→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝________以mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的光速，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE＝________2有一座发电能力为P＝
1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%假定反应堆中发生的裂变反应全是本题1中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝
2.78×10－11J，铀核的质量mU＝390×10－27kg，求每年1年
3.15×107s消耗的U的质量[解析] 1由铀核裂变的反应方程可知X为n，根据质量数和电荷数守恒可得235＋1＝141＋92＋a，解得a＝3反应过程中质量亏损Δm＝mU－mBa－mKr－2mn故释放能量ΔE＝Δmc2＝mU－mBa－mKr－2mnc22核电站消耗核能的功率P′为P′＝＝kW＝
2.5×106kW核电站每年消耗的核能W为W＝P′t＝
2.5×106×103×
3.15×107J＝
7.875×1016J产生这些核能消耗的铀核数目n为n＝＝个≈
2.83×1027个故每年消耗U的质量m为m＝nmU＝
2.83×1027×390×10－27kg＝1104kg[答案] 1n 3 mU－mBa－mkr－2mnc221104kg解决此类题目时要把已知量和所求量联系起来，注意各物理量间的过渡换算，必要时应用阿伏加德罗常数联系微观量与宏观量U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出200兆电子伏特的能量现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多大？阿伏加德罗常数取
6.02×1023/摩尔解析核电站每一天的发电量为E＝Pt＝50×104×103×24×3600J＝
4.32×1013J.据题意知，核电站一天的发电量就等于发电站在一天时间内铀235裂变所释放的总能量，故核电站每天所消耗的铀235核的个数为n＝＝＝
1.35×1024个故发电站每一天需要的纯铀235的质量为m＝·M＝×235×10－3kg≈
0.527kg答案
0.527kg夸克模型[例2] 已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为e，下夸克带电为－e，e为电子所带电量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l＝
1.5×10－15m试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力库仑力[解析] 质子带电为＋e，所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的按题意，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为Fuu＝k＝k代入数值，得Fuu≈46N，为斥力上夸克与下夸克之间的静电力为Fud＝k＝k代入数值，得Fud≈23N，为引力[答案] 上夸克间静电力Fuu＝46N，为斥力 上、下夸克间静电力Fud＝23N，为引力夸克模型认为强子是由夸克组成的，它指明电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷1．目前核电站利用的核反应是 A．裂变，核燃料为铀 B．聚变，核燃料为铀C．裂变，核燃料为氘D．聚变，核燃料为氘解析目前核电站利用的核反应是重核裂变，主要原料是铀核，故A对答案A2．镉棒在核反应堆中的作用是 A．使快中子变慢中子B．使慢中子变快中子C．使反应速度加快D．控制反应速度，调节反应速度的快慢解析在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子，控制反应速度，调节功率大小的作用故D对答案D3．某核反应方程为H＋H→He＋X.已知H的质量为
2.0136uH的质量为
3.018u，He的质量为
4.0026u，X的质量为
1.0087u则下列说法中正确的是 A．X是质子，该反应释放能量B．X是中子，该反应释放能量C．X是质子，该反应吸收能量D．X是中子，该反应吸收能量解析由质量数守恒有，X核的核子数A＝2＋3－4＝1由电荷数守恒有，X核的质子数Z＝1＋1－2＝0由此可得X是中子由题目给出的已知条件，可算出反应后的质量亏损Δm＝
2.0136＋
3.018－
4.0026－
1.0087u＝
0.0203u＞0由于反应过程存在质量亏损，因此该反应必定释放能量故B对答案B4．原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是 A．原子燃料，减速剂，冷却系统和控制调节系统B．原子燃料，减速剂，发热系统和传热系统C．原子燃料，调速剂，碰撞系统和热系统D．原子燃料，中子源，原子能聚存和输送系统解析核反应堆的主要部分包括
①燃料；
②减速剂，采用石墨、重水或水；
③控制棒，控制链式反应的速度；
④冷却系统，水或液态钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆的热量传输出去用于发电，故A正确，B、C、D错答案A5．我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，现有四种说法
①U原子核中有92个质子，有143个中子
②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程式为U＋n→Xe＋Sr＋3n
③U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期变短
④一个U裂变能放出200MeV的能量，合
3.2×1011J以上说法中完全正确的有 A．
①②③B．
②③④C．
①③④D．
①②④解析由U的质量数和电荷数的关系易知
①正确由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知
②正确半衰期不受外界因素干扰，故
③错误通过计算知
④正确，故答案为D答案D6．在核反应堆外修建很厚的水泥层是为了防止 A．核爆炸B．放射线外泄C．核燃料外泄D．慢中子外泄解析核外反应堆的核燃料一般是铀235，它具有很强的放射性，其衰变时放出的射线能对人体造成极大的伤害，在其外修建很厚的水泥层就是为了防止放射线外泄，则B正确答案B7．双选已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克夸克u或夸克d和一个反夸克反夸克或反夸克组成的，它们的带电量如下表所示，表中e为元电荷π＋π－ud带电量＋e－e＋e－e－e＋e下列说法正确的是 A．π＋由u和组成B．π＋由d和组成C．π－由u和组成D．π－由d和组成解析根据电荷量关系可知由于π＋介子带有＋e的电荷量，又由于π＋介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知π＋介子＋e应由一个夸克u＋e和一个反夸克＋e组成，故A对B错；同理π－介子由夸克d和夸克组成，故C错D正确答案AD8．以下说法正确的是 A．最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子B．质子、中子、介子和超子都属于强子C．强子、轻子都有内部结构D．τ子质量比核子质量大，τ子不属于轻子解析最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，故选项A错误；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，所以，C错误；质子、中子、介子、超子都属于强子，τ子质量比核子质量大，但仍属于轻子，D错误，B正确答案B9．1964年10月16日，我国在新疆罗布泊沙漠成功地进行了第一颗原子弹试验，结束了中国无核时代1原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量，由于裂变物质的体积超过临界体积而爆炸
①完成核裂变反应方程式U＋n―→ Xe＋Sr＋2n＋200MeV
②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？产生这种反应的条件是什么？2为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需采取哪些措施？举2种解析1
①由质量数和电荷数守恒可得235＋1＝A＋94＋292＝Z＋38解得A＝140，Z＝54
②使重核裂变持续下去的反应叫链式反应，产生链式反应的条件是浓缩铀235的体积大于或等于临界体积，入射中子为慢中子．2核反应堆外面需要修建很厚的水泥保护层，用来屏蔽射线；放射性废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理答案1
①
②链式反应，见解析 2见解析10．科学家发现太空中的γ射线一般都是从很远的星体放射出来的当γ射线爆发时，在数秒钟内所产生的能量相当于太阳在过去100亿年所发生的能量的总和的1000倍左右，大致相当于将太阳的全部质量转变为能量的总和科学家利用超级计算机对γ射线的状态进行了模拟经模拟发现γ射线爆发是起源于一个垂死的星球的“坍缩”过程，只有星球“坍缩”时，才可以发出这么巨大的能量已知太阳光照射到地球上大约需要8分20秒时间，由此来估算在宇宙中，一次γ射线爆发所放出的能量万有引力常量G＝
6.67×10－11N·m2·kg－21年时间约为
3.15×107s解析r＝ct＝
3.0×108×500m＝
1.5×1011m，地球做匀速圆周运动，万有引力为向心力＝，太阳的质量为M＝＝kg≈
3.14×1030kg，γ射线爆发所发出的能量E＝Mc2＝
3.14×1030×3×1082J≈
1.2×1047J答案
1.2×1047J。
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