5.4 核裂变与核聚变 分层作业 2025-2026学年高二物理人教版选择性必修第三册

**基本信息** 分层清晰，从核裂变与核聚变基础概念到复杂情境综合应用，适配新授课分层教学，助力物理观念建构与科学思维进阶。 **分层设计** |层次|知识覆盖|设计特色| |----|----------|----------| |A层|核反应方程、链式反应等基础概念|以选择、填空题为主，考查氢原子跃迁、铀核裂变产物等基础判断，夯实物质与能量观念| |B层|核反应能量计算、射线性质图像分析|增加多选题和综合计算（如氘聚变能量与煤燃烧对比），强化科学推理与模型建构| |C层|聚变-裂变混合堆、磁镜装置等复杂情境|综合解答题（如磁镜中离子运动分析），结合磁场与洛伦兹力，培养科学探究与质疑创新能力|

5.4 核裂变与核聚变 分层作业 学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ A层 1．关于近代物理知识，下列说法中正确的是（　　） A．一个处于n=3能级的氢原子向基态跃迁最多能产生2种频率的光子 B．铀核裂变的一种核反应方程为 C．原子核的结合能越大，原子核越稳定 D．光电效应现象说明光具有波动性 2．下列核反应方程中，括号内的粒子为电子的是（　　） A．（　　） B．（　　） C．（　　） D．（　　） 3．（多选）下列说法正确的是（　　） A．卢瑟福用粒子轰击氮原子核产生氧17和一个质子，实现了人类第一次原子核的人工转变 B．气体中中性原子的发光谱线都是连续谱 C．中子速度太慢，铀核不能“捉”住它，在铀棒周围要放“加速剂”使其加速为快中子 D．弱相互作用是引起衰变的原因，其力程比强相互作用更短，只有 4．（多选）关于铀核裂变，下列说法正确的是（　　） A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核 B．铀核裂变时还能同时释放个中子 C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用铀235而不用铀238 D．铀块的体积对产生链式反应无影响 5．我国可控核聚变技术已经走在了世界前列，“东方超环”是全超导托卡马克核聚变实验装置，又被称为“人造太阳”。其原理是让海水中大量存在的氘和氚原子在高温、高密度条件下，像太阳一样发生核聚变，为人类提供源源不断的能源。氘核和氚核结合成氦核时，要放出某种质量的粒子，同时释放出能量。已知氘核质量，氚核质量，氦核质量，根据爱因斯坦的质能方程可知1u相当于。写出该核聚变反应的核反应方程式，并计算一次核聚变反应中释放的核能。（保留2位有效数字） 6．如图所示为重核裂变的链式反应。则： (1)什么是链式反应？ (2)链式反应中的临界体积指什么？ B层 7．对下列图片的描述正确的是（　　） A．图（a）证实电子具有波动性 B．图（b）中射线3的电离本领最弱 C．图（c）中为了减缓核反应速度，需将镉棒抽出一些 D．图（d）中的β射线穿透能力比γ射线强 8．（多选）2025年全球首个全超导非圆截面托卡马克——“东方超环”，技术成果取得关键突破。一种典型的聚变反应是一个氘核和一个氚核聚变成氦核和某种强子x，已知、、和x的质量分别为、、和，1u相当于，阿伏伽德罗常数为，元电荷，下列说法正确的是（　　） A．该核反应方程为，其中为质子 B．该核反应过程中释放的能量约为 C．氘完全参与该核反应时释放出能量的数量级为 D．要使该核聚变发生，必须使氘核和氚核的距离达到以内，让核力起作用 9．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，的质量为m3，真空中的光速为c（题中所用物理量的单位均为国际单位）。 (1)写出两个氘核聚变为一个的核反应方程，并计算释放的能量； (2)已知1kg煤完全燃烧时放出的能量为q，求质量为M的氘核完全聚变为，释放的能量相当于多少kg煤完全燃烧时放出的能量？ C层 10．我国预计2030年建成100兆瓦级高温超导聚变－裂变混合堆。该项目可实现能量倍增和燃料增殖，其部分核心核反应方程可分为：核反应①（）；核反应②（）；燃料增殖（，X经过次衰变生成）三部分，下列说法正确的是（    ） A．①是核裂变 B．②是核聚变 C． D． 11．（多选）下列五幅图涉及到不同的物理知识，其中说法正确的是（  ） A．图甲：原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成，而质子和中子则由更小的微粒组成 B．图乙：卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了质子和中子 C．图丙：用中子轰击铀核使其发生聚变，链式反应会释放出巨大的核能 D．图丁：普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念，成为量子力学的奠基人之一 E．图戊：玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率也是不连续的 12．受控核聚变（托卡马克装置）中常用磁镜装置约束带电粒子，其简化模型如图所示。以轴为轴线对称分布着中间长直螺线管与端部长直螺线管，坐标原点点为中间螺线管的几何中点。磁镜装置参数如下：中间和端部螺线管单位长度匝数分别为，分别通入恒定电流，螺线管内部产生沿轴正方向的匀强磁场，磁感应强度分别为。一束质量为、电量为的正离子从点与轴夹角为注入磁镜，离子在磁场中运动仅受洛伦兹力作用，不考虑相对论效应。已知：匝/米、匝/米、，通以电流的螺线管内部磁感应强度（真空磁导率为单位长度匝数），。 (1)氘-氚聚变是目前受控核聚变的主要研究方向，其核反应方程是：，请将方程补充完整，并求磁镜装置中和的大小（取）； (2)若入射速率，求离子在中间螺线管内运动过程中离轴的最大距离以及第一次返回轴时的“”坐标（取，离子始终未离开中间螺线管）； (3)在轴（和未知）间存在沿轴正方向缓慢增强的线性梯度磁场，离子能被磁镜捕获的临界条件为：离子运动到端部磁场处时沿轴方向速度恰好减为零。已知：离子速度垂直于轴的分量与所在区域磁感应强度满足。若离子以速度从处注入且恰好满足捕获条件， ①求入射速度方向与轴夹角的临界值（结果可用三角函数表示）； ②若磁感应强度分布满足：，，求离子从处运动到处所用的时间（用字母表示）。 《 5.4》参考答案 题号 1 2 3 4 7 8 10 11 答案 A A AD BC A BD D ADE 1．A 【详解】A．一个处于能级的氢原子向基态跃迁，要产生最多频率光子时，跃迁路径为，共产生2种频率的光子，故A正确； B．核反应需满足质量数守恒，左侧质量数总和为，右侧质量数总和为，质量数不守恒，故B错误； C．原子核的比结合能（平均结合能）越大，原子核越稳定，总结合能大的原子核比结合能不一定大，稳定性不一定高，故C错误； D．光电效应现象说明光具有粒子性，光的干涉、衍射现象才能说明光具有波动性，故D错误。 故选A。 2．A 【详解】A．根据质量数守恒、电荷数守恒写出各核反应方程，故A正确； B．，括号内粒子为质子，故B错误； C．，括号内粒子为中子，故C错误； D．，括号内粒子为粒子，故D错误。 故选A。 3．AD 【详解】A．卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素——氧17和一个质子，这是人类第一次实现的原子核的人工转变，故A正确； B．气体中中性原子的发光谱线都是线状谱，故B错误； C．核裂变产生的是速度很大的快中子，因此，还要设法使快中子减速，为此，在铀核周围要放“慢化剂”，快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后，中子速度减少，变为慢中子，故C错误； D．弱相互作用是引起衰变的原因，其力程比强相互作用更短，只有，故D正确。 故选AD。 4．BC 【详解】AB．铀核受到中子的轰击，会引起核裂变，放出个中子，裂变的产物是多样的，具有极大的偶然性，只是裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，故A错误，B正确； C．铀235受慢中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在以上的中子才能引起裂变，且裂变的概率小，故C正确； D．要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故D错误。 故选BC。 5． 【详解】该核反应方程式为 反应中的质量亏损 质能方程 代入数据得 6．(1)重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫链式反应 (2)能发生链式反应的最小体积叫临界体积 【详解】（1）重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫链式反应 （2）能发生链式反应的最小体积叫临界体积 7．A 【详解】A．图（a）中的电子束通过铝箔时的衍射图样证实电子具有波动性，故A正确； B．图（b）中根据左手定则可知射线2为射线，电离本领最弱，故B错误； C．图（c）中用石墨或重水使中子减速，为了减缓核反应速度，需将镉棒插入一些，吸收更多的中子减缓核反应速度，故C错误； D．β射线能穿透塑料板却难以穿透钢板，射线可穿透钢板，故图（d）中的β射线穿透能力比射线弱，故D错误。 故选A。 8．BD 【详解】A．根据核反应过程质量数和电荷数守恒可知，核反应方程式为，则为中子，故A错误； B．一个氘核与一个氚核聚变反应的质量亏损为 故该聚变反应释放的能量是，故B正确； C．氘完全参与该核反应时释放出能量 即数量级为，故C错误； D．氘核与氚核发生核聚变时，需要克服原子核间的库仑斥力，间距要达到，让核力起作用，故D正确。 故选BD。 9．(1) ， (2) 【详解】（1）根据质量数守恒和电荷数守恒可得两个氘核聚变为一个的核反应方程为 损失的质量为 释放的能量为 （2）质量为M的氘核完全聚变为，释放的能量 则 10．D 【详解】A．是轻核结合成较重核的过程，是核聚变，故A错误； B．是重核分裂成中等质量核的过程，是核裂变，故B错误； CD．其中X的质量数为 质子数为90，X经过次衰变生成，其中衰变质子数增加1，质量数不变，质子数90增至92，故，故D正确，C错误。 故选 D。 11．ADE 【详解】A．图甲表示原子由原子核和核外电子组成，原子核由质子和中子组成，而质子和中子则由更小的微粒组成，故A正确； B．图乙为α粒子散射实验装置图，卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，得出原子的核式结构模型，故B错误； C．图丙表示用中子轰击铀核使其发生裂变，故C错误； D．图丁普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念，成为量子力学的奠基人之一，故D正确； E．图戊表示玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率也是不连续的，故E正确。 故选ADE。 12．(1)，， (2)， (3)①；② 【详解】（1）核反应方程是 中间磁场 端部磁场 （2）速度分解：横向速度垂直磁场，纵向速度平行磁场； 设回旋轨道半径为，由洛伦兹力提供向心力 得 离轴最远 回旋周期 第一次回到轴的坐标 （3）①洛伦兹力不做功，离子总动能恒定； 处有 处有 得 化简得 ②洛伦兹力不做功，离子总动能守恒，故 由 得，即 由功能关系，得轴向合力（大小恒定、方向与轴向运动相反）故离子沿轴做匀减速直线运动； 有 由得 将代入 得 由得 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 $