2017-2018學(xué)年高中物理 第四章 原子核 第六節(jié) 核能利用 第七節(jié) 小粒子與大宇宙同步備課教學(xué)案 粵教版選修3-5

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1、 第六節(jié) 核能利用 第七節(jié) 小粒子與大宇宙 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.了解裂變反應(yīng)堆的工作原理.2.了解核電站和核能利用的優(yōu)缺點(diǎn).3.了解小粒子和大宇宙間的空間跨度和時(shí)間跨度． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、核反應(yīng)堆及核電站 1．核電站是利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是反應(yīng)堆，它主要由以下幾部分組成： (1)燃料：鈾棒． (2)慢化劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，采用石墨、重水或普通水作減速劑； (3)控制棒：采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘吸收中子的能力很強(qiáng)的特性，控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度． 2．工作原理 核燃料裂變釋放能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高． 3．能量輸出 利用

2、水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻． 4．核污染的處理 在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線．核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，埋入深地層來處理． [即學(xué)即用]　判斷下列說法的正誤． (1)核反應(yīng)堆是通過調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度．(　√　) (2)核反應(yīng)堆用過的核廢料無(wú)毒無(wú)害．(　×　) 二、小粒子和大宇宙 1．“基本粒子”不基本 (1)直到19世紀(jì)末，人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒，后來人們發(fā)現(xiàn)了光子、電子、質(zhì)子、中子，并把它們叫做“基本粒子”． (2)隨

3、著科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子并不是由以上基本粒子組成的，并發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有復(fù)雜結(jié)構(gòu)． 2．發(fā)現(xiàn)新粒子 (1)新粒子：1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)了μ子，1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和π介子及以后的超子等． (2)粒子的分類：按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，可將粒子分為三大類：強(qiáng)子、輕子和媒介子． 3．夸克模型的提出 1964年美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的． 4．從小粒子到大宇宙——空間跨度 (1)大爆炸宇宙模型：大約150億年前突然發(fā)生一次大爆炸，其后逐漸誕生出恒星、星團(tuán)、脈沖星、超新星、黑洞以及被稱作類星體的遙遠(yuǎn)發(fā)光體等，經(jīng)

4、歷150億年演化成今天的宇宙世界． (2)人類所能研究的物質(zhì)世界的空間尺度：約從10－15_m到1027_m，共跨越了約42個(gè)數(shù)量級(jí)． 5．從粒子壽命到宇宙年齡——時(shí)間跨度 (1)宇宙的年齡的數(shù)量級(jí)：1018_s. (2)微觀粒子的最短壽命：10－25_s. (3)物質(zhì)世界的時(shí)間尺度：約從10－25_s到1018_s，跨越了將近43個(gè)數(shù)量級(jí). 一、核反應(yīng)堆與核電站 1．核反應(yīng)堆的主要部件及作用如下表： 　　　 部件 　 名稱 項(xiàng)目　　 減速劑 控制棒 熱循環(huán) 介質(zhì) 保護(hù)層 采用的 材料 石墨、重水或普通水(也叫輕水) 鎘 水或液態(tài)的金屬鈉

5、 很厚的水泥外殼 作用 降低中子速度，便于鈾235吸收 吸收中子，控制反應(yīng)速度 把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去 屏蔽射線，防止放射性污染 2.核電站發(fā)電的優(yōu)點(diǎn) (1)消耗的核燃料少． (2)作為核燃料的鈾在地球上可采儲(chǔ)量大，所能提供的能量大． (3)對(duì)環(huán)境的污染要比火力發(fā)電?。? 例1　如圖1是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對(duì)該反應(yīng)堆的下列說法中正確的是(　　) 圖1 A．鈾235容易吸收快中子后發(fā)生裂變反應(yīng) B．快中子跟減速劑的原子核碰撞后的能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng) C．控制棒由鎘做成，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些

6、中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些 D．要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)快一些 答案　B 解析　快中子容易與鈾235擦肩而過，快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)，選項(xiàng)B正確，A錯(cuò)誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些，選項(xiàng)C、D都錯(cuò)誤． 二、粒子的分類和夸克模型 1．粒子的分類 分類 參與的相互作用 發(fā)現(xiàn)的粒子 備注 強(qiáng)子 參與強(qiáng)相互作用 質(zhì)子、中子、介子、超子 強(qiáng)子

7、有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子 輕子 不參與強(qiáng) 相互作用 電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 媒介子 傳遞各種 相互作用 光子、中間玻色子、膠子 光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用 2.夸克模型 (1)夸克的提出：1964年美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的． (2)夸克的種類：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克(t)． (3)夸克所帶電荷：夸克所帶的電荷量是分?jǐn)?shù)電荷量，即其電荷量為元電荷的＋或－.例如，上夸克帶的電荷量為＋，

8、下夸克帶的電荷量為－. (4)意義：電子電荷不再是電荷的最小單位，即存在分?jǐn)?shù)電荷． 例2　目前普遍認(rèn)為，質(zhì)子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成的．u夸克帶電荷量為e，d夸克帶電荷量為－e，e為元電荷，下列論斷中可能正確的是(　　) A．質(zhì)子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成 B．質(zhì)子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成 C．質(zhì)子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成，中子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成 D．質(zhì)子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成 答案　B 解析　質(zhì)子H帶電荷量為2×e＋(－e)＝e

9、，中子n帶電荷量為e＋2×(－e)＝0.可見B正確. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．(多選)關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說法正確的是(　　) A．鈾棒是核燃料，裂變時(shí)釋放核能 B．鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率 C．石墨的作用是吸收中子 D．冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能 答案　ABD 解析　鈾棒是核燃料，裂變時(shí)可放出能量，故A正確；鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)堆功率，故B正確；慢中子最容易引發(fā)核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進(jìn)行減速，石墨的作用是使中子減速，故C錯(cuò)誤；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量

10、傳輸出去，用于發(fā)電，同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻，控制溫度，故D正確． 2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中，重核裂變時(shí)放出的可使裂變不斷進(jìn)行下去的粒子是(　　) A．質(zhì)子 B．中子 C．β粒子 D．α粒子 答案　B 解析　在重核的裂變中，鈾235需要吸收一個(gè)慢中子后才可以發(fā)生裂變，所以重核裂變時(shí)放出的可使裂變反應(yīng)不斷進(jìn)行下去的粒子是中子． 3．若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，它們的帶電荷量如表所示，表中e為元電荷． 粒子 π＋ π－ u d 帶電 荷量 ＋e －e ＋ － － ＋ (1)按最簡(jiǎn)單的組成，π＋介子由誰(shuí)

11、和誰(shuí)組成？ (2)按最簡(jiǎn)單的組成，π－介子由誰(shuí)和誰(shuí)組成？ 答案　(1)π＋介子是由夸克u和反夸克組成的 (2)π－介子由夸克d和反夸克組成 解析　(1)π＋介子帶有＋e的電荷量，且是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的，夸克u帶＋e和反夸克帶＋e合成電荷量為e. (2)π－介子帶有－e的電荷量，是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的，夸克d帶－e和反夸克帶－e合成電荷量為－e. 4．裂變反應(yīng)是目前核能利用中常用的反應(yīng)，以原子核U為燃料的反應(yīng)堆中，當(dāng)U俘獲一個(gè)慢中子后發(fā)生的裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種可表示為 U　 ＋　 n　 →　 Xe　 ＋　 Sr　＋　3n 235．043 9　1.00

12、8 7　138.917 8　93.915 4 反應(yīng)方程下方的數(shù)字是中子及有關(guān)原子的靜止質(zhì)量(以原子質(zhì)量單位u為單位)，已知1 u的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量為931.5 MeV，此裂變反應(yīng)釋放出的能量是________ MeV. 答案　180 解析　此裂變反應(yīng)的質(zhì)量虧損為： (235.043 9＋1.008 7) u－(138.917 8＋93.915 4＋3×1.008 7) u＝0.193 3 u， 由于1 u的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量為931.5 MeV， ΔE＝931.5×0.193 3 MeV≈180 MeV. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、選擇題(1～5題為單選題，6～

13、7題為多選題) 1．關(guān)于粒子，下列說法正確的是(　　) A．電子、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．強(qiáng)子都是帶電的粒子 C．夸克模型是探究三大類粒子結(jié)構(gòu)的理論 D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位 答案　D 解析　由于質(zhì)子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，不同夸克構(gòu)成強(qiáng)子，有的強(qiáng)子帶電，有的強(qiáng)子不帶電，故A、B錯(cuò)誤；夸克模型是研究強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋e和－，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，C錯(cuò)誤，D正確． 2．中國(guó)承諾到2020年碳排放量下降40%～45%，為了實(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)任大國(guó)的承諾，我們將新建核電站項(xiàng)目．目前關(guān)于核電

14、站獲取核能的基本核反應(yīng)方程可能是(　　) A.U＋n→Sr＋Xe＋10n B.Na―→Mg＋e C.N＋He―→O＋H D.U―→Th＋He 答案　A 解析　重核的裂變是指質(zhì)量數(shù)較大的原子核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的原子核，A是裂變反應(yīng)，A正確；B為β衰變，C是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的反應(yīng)，D是α衰變． 3．關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是(　　) A．一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多 B．聚變反應(yīng)每個(gè)核子釋放的平均能量一定比裂變反應(yīng)大 C．聚變反應(yīng)中粒子的平均結(jié)合能變小 D．聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量增大 答案　B 4．現(xiàn)在科學(xué)家們正在設(shè)法探尋“反物質(zhì)

15、”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對(duì)應(yīng)的正粒子有相同的質(zhì)量和相同的電荷量，但電荷符號(hào)相反．據(jù)此，若有反α粒子，它的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別為(　　) A．－4，－2 B．4，－2 C．－4,2 D．4,2 答案　B 解析　因“反粒子”與其對(duì)應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量、相同的電荷量，但電荷的符號(hào)相反．所以，反α粒子質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為－2. 5．K－介子衰變的方程為K－―→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是帶負(fù)電的基元電荷，π0介子不帶電．如圖1所示的1個(gè)K－介子沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)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)

16、相切，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)量的大小之比為(　　) 圖1 A．1∶1 B．1∶2 C．1∶3 D．1∶6 答案　C 解析　帶電粒子K－與π－在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力Bqv＝得R＝＝，K－介子與π－介子帶電量相同，故運(yùn)動(dòng)的半徑之比等于動(dòng)量之比pK－∶pπ－＝RK－∶Rπ－＝2∶1，在衰變后π－介子與π0介子動(dòng)量方向相反，設(shè)K－介子的動(dòng)量為正，則π－介子動(dòng)量為負(fù)值，由動(dòng)量守恒pK－＝－pπ－＋pπ0，則pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D錯(cuò)，C對(duì)． 6．能源是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)展核能是解決

17、能源問題的途徑之一，下列釋放核能的反應(yīng)方程，表述正確的有(　　) A.H＋H―→He＋n是核聚變反應(yīng) B.H＋H―→He＋n是β衰變 C.U＋n―→Ba＋Kr＋3n是核裂變反應(yīng) D.U＋n―→Xe＋Sr＋2n是α衰變 答案　AC 解析　兩個(gè)輕核聚合成一個(gè)較重的核的反應(yīng)為核聚變反應(yīng)，故A對(duì)，B錯(cuò)；重核被中子轟擊后分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的原子核并放出若干個(gè)中子的反應(yīng)為核裂變反應(yīng)，故C對(duì)；原子核放出α或β粒子后變成另一種原子核的反應(yīng)稱為原子核的衰變．原子核的衰變的反應(yīng)物只有一種，故D錯(cuò)． 7．日本福島第一核電站在地震后，數(shù)秒內(nèi)就將控制棒插入核反應(yīng)堆芯，終止了鈾的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．但海嘯摧毀了機(jī)

18、組的冷卻系統(tǒng)，因裂變遺留的產(chǎn)物銫、鋇等繼續(xù)衰變不斷釋放能量，核燃料棒溫度不斷上升，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害．則下列說法正確的是(　　) A．控制棒通過吸收中子來實(shí)現(xiàn)對(duì)核反應(yīng)的控制 B．日本后來向反應(yīng)堆灌注海水，可以降溫，但大量的被污染的海水外泄，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害 C．核裂變遺留物銫、鋇等原子的質(zhì)量可能比鈾原子質(zhì)量大 D．核泄漏中放射性物質(zhì)對(duì)人類是有害的 答案　ABD 解析　控制棒通過吸收中子來實(shí)現(xiàn)對(duì)核反應(yīng)速度的控制，選項(xiàng)A正確；日本后來向反應(yīng)堆灌注海水，大量的被污染的海水外泄，泄漏中放射性物質(zhì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害，選項(xiàng)B、D正確；因?yàn)楹朔磻?yīng)有能量釋放，可知銫、鋇等

19、原子的質(zhì)量比鈾原子質(zhì)量小，故C錯(cuò)誤． 二、非選擇題 8．一個(gè)原來靜止的鋰核(Li)俘獲一個(gè)速度為7.7×104 m/s的中子后，生成一個(gè)氚核和一個(gè)氦核，已知氚核的速度大小為1.0×103 m/s，方向與中子的運(yùn)動(dòng)方向相反． (1)試寫出核反應(yīng)方程； (2)求出氦核的速度大小． 答案　(1)Li＋n―→H＋He　(2)2×104 m/s 解析　(1)Li＋n―→H＋He. (2)取中子的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较?，由?dòng)量守恒定律得 mnv0＝－mTv1＋mHev2 v2＝＝2×104 m/s. 9．在所有能源中核能具有能量密度大、區(qū)域適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化

20、為電能．核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能． (1)核反應(yīng)方程式U＋n―→Ba＋Kr＋310n是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，以mU、mBa、mKr分別表示U、Ba、Kr的質(zhì)量，mn、mp分別表示中子、質(zhì)子的質(zhì)量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應(yīng)過程中放出的核能ΔE＝______. (2)有一座發(fā)電能力為P＝1.00×106 kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率η＝40%.假定反應(yīng)堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)全是本題(1)中的核反應(yīng)，已知每次核反應(yīng)過程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，鈾核的質(zhì)量mU＝390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的U的質(zhì)量． 答案　(1)(mU－mBa－mKr－2mn)c2　(2)1 104 kg 解析　(1)釋放的能量為 ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2. (2)因核電站發(fā)電效率為40%， 故核電站消耗U的功率為 P′＝＝ kW＝2.5×106 kW. 核電站每年消耗U的能量為 W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J 產(chǎn)生這些能量消耗的鈾核的數(shù)目： n＝＝≈2.83×1027(個(gè)) 每年消耗U的質(zhì)量為 M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27 kg≈1 104 kg. 9