5.4核裂变与核聚变 分层作业-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

5.4 核裂变与核聚变 分层作业 学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ A层 1．2025年3月，我国“中国环流三号”首次实现双亿度突破，为未来可控核聚变能源提供关键技术支撑。已知某核反应中，一个氘核和一个氚核结合生成一个氦核并放出一个粒子，同时释放约17.6MeV的能量，关于该核反应说法正确的是（　　） A．放出的粒子为质子 B．核聚变需要极高的温度，让原子核获得足够大的动能以克服核子间的万有引力 C．核聚变过程中，生成氦核的比结合能大于氘核或氚核的比结合能 D．核聚变反应中会释放能量，质量数会减小 2．核反应方程中，则是（　　） A． B． C． D． 3．（多选）2025年3月，我国新一代人造太阳“中国环流三号”实现原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度的“双亿度”突破，将人类向“能源自由”的终极目标推进了一大步。人造太阳利用氘核与氚核聚变反应释放能量，聚变资源储量丰富，主要产物清洁安全，被称为“人类未来的理想能源”。关于该装置及核聚变相关原理，下列说法正确的是（　　） A．氘核与氚核结合生成氦核并释放中子，反应方程为： B．中国环流三号产生的能量主要来源于氘核与氚核被加速后获得的动能 C．该反应有质量亏损，释放能量 D．与核裂变相比，相同质量的核燃料，聚变反应中产生的能量比较多 4．（多选）下列图片及其相应描述正确的是（　　） A．图甲：卢瑟福通过分析粒子散射实验结果，发现了质子和中子 B．图乙：从图中可以看出，随着温度的升高，所有波长辐射强度有所增加 C．图丙为铀核发生衰变的示意图，铀核的比结合能大于钍核的比结合能 D．图丁是核裂变反应堆的控制系统，为了减慢反应速率，应将镉棒插入深些 5．太阳在演化的末期将转化为一颗白矮星。在其演化过程中，太阳内部的三个氦核（）聚变生成碳核（），已知真空中的光速。 （1）写出该核反应方程； （2）已知氦核和碳核的比结合能分别为、，求一次核聚变反应放出的核能； （3）在该演化阶段，若太阳辐射的总功率为P，求时间t内太阳减少的质量。 6．一个氘核（）与一个氚核（）聚合成一个氦核（）的同时放出一个粒子，释放17.6MeV的能量，不计生成物的动能。已知氘核、氚核的比结合能分别为1.09MeV、2.78MeV。 (1)请写出核反应方程； (2)求氦原子核的比结合能。 B层 7．下列说法正确的是（     ） A．天然放射现象说明原子具有复杂的结构 B．秦山核电站通过提取海水中的氘和氚进行核反应获取能量 C．太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少 D．某原子核发生核反应时放出一个正电子，则新原子核内少了一个中子 8．（多选）核反应方程为，现真空中有两个动量大小相等，方向相反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量几乎转化为与的动能，则（　　） A．该反应有质量亏损 B．该反应为核裂变 C．获得的动能约为 D．获得的动能约为 9．2025年5月1日，中国紧凑型聚变能实验装置（BEST）综合研究设施园区正式启动，该装置将在第一代中国人造太阳（EAST）基础之上首次演示聚变能发电。同年1月20日，EAST首次实现1亿摄氏度1066秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行。在真空室内加入氘（）和氚（）进行核聚变反应生成的同时放出一个中子（）。 (1)写出该核聚变反应的方程式； (2)若已知平均核子质量为、平均核子质量为、平均核子质量为、中子（）质量为，真空中光速为c，求一个氘（）和一个氚（）进行核聚变反应释放的核能E； (3)若已知氘（）的比结合能为，氚（）的比结合能为，一个氘（）和一个氚（）进行核聚变反应释放的核能E，求的比结合能（用字母和和E表示）。 C层 10．将铀原料投入核电站的核反应堆中，其中一种核反应是：，已知、、的比结合能分别为、、。则（　　） A．该核反应中的X是质子 B．投入核反应堆后，铀235的半衰期变短 C．1kg铀矿石释放的能量为 D．与的平均核子质量相差约 11．（多选）“氦-3”是地球上很难得到的清洁、安全和高效的核聚变发电燃料，被科学家们称为“完美能源”。普通水中含有质量约的“重水”（普通水H2O的两个氢中的一个被氘核取代），使两个氘核通过反应发生聚变产生“氦-3”，已知氘核的质量是kg，氦-3的质量是kg，中子的质量是kg，19g“重水”含有的氘核数目为个，若一天内“烧”掉1L普通水中的所有氘核，则（　　） A．发生聚变反应后比结合能减小 B．聚变反应前后质量守恒但能量不守恒 C．两个氘核聚变后释放的能量约为3.3MeV D．所有氘核聚变后可获得约14.6kW的平均功率 12．如图甲所示是托卡马克装置的结构示意图，其主要包括环形真空室、极向场线圈、环向场线圈等，在环形真空室内注入少量氢的同位素氘和氚，提高温度使其发生聚变反应产生氦和中子。如图乙所示为环形真空室的俯视示意图，它的轴线半径为r，横截面的圆半径为R，假设环形真空室内粒子质量为m、电荷量为+q，粒子碰到真空室的室壁立即被吸收。（sin37°=0.6，cos37°=0.8） (1)写出氘和氚核聚变的核反应方程式； (2)只接通极向场线圈电流，通电后在真空室轴线处产生竖直方向的磁场，若粒子以v0速度沿真空室轴线做匀速圆周运动，求极向场线圈在真空室轴线处产生的磁感应强度B的大小； (3)如图丙，若真空室为长直管道，直管道半径为R，室内有水平向右的匀强磁场B0。轴线上的粒子源O向右侧各个方向均匀发射速度大小为的粒子。 ①若某粒子发射时速度方向与x轴的夹角θ=37°，求该粒子做螺旋线运动的螺距L； ②求粒子源发出的粒子没有被室壁吸收发射时速度方向与x轴夹角的最大值θm。 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 参考答案 题号 1 2 3 4 7 8 10 11 答案 C C ACD BD C AC D CD 1．C 【详解】A．根据核反应电荷数、质量数守恒，氘氚聚变的反应方程为 可知放出的粒子X为中子，不是质子，故A错误； B．原子核带正电，核聚变需要极高温度是为了让原子核获得足够动能克服原子核间的库仑斥力，核子间万有引力作用极弱可忽略，故B错误； C．比结合能越大原子核越稳定，该核聚变反应释放能量，说明生成的氦核比反应前的氘核、氚核更稳定，因此氦核的比结合能大于氘核或氚核的比结合能，故C正确； D．核反应过程遵循质量数守恒，核聚变释放能量对应存在静质量亏损，但质量数（质子和中子的总数）不会减小，故D错误。 故选C。 2．C 【详解】根据质量数守恒和核电荷数守恒可知X的质量数为 电荷数为 可知是。 故选C。 3．ACD 【详解】A．核反应方程满足质量数守恒和核电荷数守恒，氘核与氚核结合生成氦核并释放中子，反应方程为，A正确； BC．中国环流三号产生的能量主要来源于氘核与氚核的核聚变反应，根据爱因斯坦质能方程 可知核聚变过程中质量亏损转化为能量释放出来，而不是氢原子被加速后获得的动能，B错误，C正确； D．与核裂变相比，相同质量的核燃料，聚变反应中产生的能量比较多，D正确。 故选ACD。 4．BD 【详解】A．图甲为卢瑟福粒子散射实验，根据实验结果卢瑟福提出了原子的核式结构，故A错误； B．图乙是黑体辐射图，黑体辐射峰值波长随温度升高向短波移动，并且所有波长的辐射强度增加，故B正确； C．图丙是铀核衰变示意图，说明钍核的比结合能大于铀核的比结合能，故C错误； D．图丁是核裂变反应堆的控制系统，将镉棒插入深些，可以多吸收一些中子，减慢核裂变反应速率，故D正确。 故选BD。 5．（1）；（2）；（3） 【详解】（1）该核反应方程为 （2）一次核聚变反应放出的核能为 （3）根据能量守恒可得 则时间t内太阳减少的质量为 6．(1) (2)7.03MeV 【详解】（1）根据质量数守恒、核电荷数守恒规律可知，该核反应方程为 （2）设氘核比结合能为E1，氚核比结合能为E2，氦核的比结合能为E3，释放的能量为ΔE，由能量守恒定律可得 代入数据可得氦原子核的比结合能为 7．C 【详解】A．天然放射现象中释放的射线来自原子核，说明原子核具有复杂结构，而非原子，故A错误； B．秦山核电站利用重核裂变发电，燃料为铀235，目前可控核聚变尚未实现商用，无法利用氘氚核聚变发电，故B错误； C．太阳内部发生轻核聚变释放能量，由质能方程可知，释放能量对应质量亏损，因此太阳质量不断减少，故C正确； D．放出正电子的核反应为β+衰变，本质是原子核内1个质子转化为1个中子和1个正电子，正电子被释放，因此新核内中子数增加1，质子数减少1，中子并未减少，故D错误。 故选C。 8．AC 【详解】核反应方程为 。两个动量大小相等、方向相反的氘核与氚核相撞，反应释放的能量几乎全部转化为氦核（）与中子（）的动能。总初始动量为零。 A．反应释放能量，根据爱因斯坦质能方程，释放的能量来源于质量亏损，故该反应一定有质量亏损，故A正确。 B．核裂变是重核分裂成中等质量核的过程，而此反应是两个轻核（氘核和氚核）聚合成一个较重的氦核，属于核聚变，不是核裂变，故B错误。 C．反应释放的能量几乎全部转化为氦核与中子的动能。初始总动量为零，反应后总动量也为零，氦核与中子动量大小相等、方向相反。质量比（质量数比近似为质量比） 动能公式为 动量大小相等，故动能与质量成反比，则有 即 总动能 解得， 故中子动能约为 14 MeV，故C正确。 D．由上述计算，氦核动能约为，不是，故D错误。 故选AC。 9．(1) (2) (3) 【详解】（1）该聚变反应的方程式为 （2）该反应过程质量亏损 结合爱因斯坦质能方程 可得该反应释放的核能为 （3）该反应放出的核能等于生成物和反应物结合能之差，即 可得核的比结合能 10．D 【详解】A．根据质量数守恒，X的质量数为 根据质子数守恒，X的质子数为 所以该核反应中的X是中子，故A错误； B．半衰期是原子核自身属性，不随外界的物理化学环境变化而变化，故B错误； C．一个铀原子反应放出的能量 1kg铀含有的原子数 1kg铀矿石释放的能量为 故C错误； D．按照结合能的定义可知 ， 质子的质量与中子的质量接近设为则 所以与的平均核子质量相差为 故D正确。 故选D。 11．CD 【详解】A．裂变或者聚变都是放出能量，故产物的比结合能比原来的元素比结合能大，故A错误； B．核反应前后质量不守恒，亏损的质量以能量的形式放出，自然界任何反应前后能量都是守恒的，故B错误； C．由可得，两个氘核聚变后释放的能量 故C正确； D．烧掉1L普通水中所有氘核放出的能量为 故功率为 故D正确； 故选CD。 12．(1) (2) (3)①；② 【详解】（1）氘和氚核聚变的核反应方程式为 （2）设极向场线圈产生的磁场大小为B，由洛伦兹力提供向心力 解得 （3）带电粒子与x轴成θ角射入环向磁场，粒子沿螺旋线运动。 ①设粒子垂直轴向做圆周运动的周期为T，则 则螺距为 解得 ②粒子垂直轴向做匀速圆周运动，当粒子刚好碰到室壁时v0与x轴夹角最大为θm，由牛顿第二定律 又半径为 解得， 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $