2020-2021高中物理3-5配套学案：第十九章 第七节核聚变 第八节粒子和宇宙含解析

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精2020-2021学年高中物理人教版选修3-5配套学案：第十九章第七节核聚变第八节粒子和宇宙含解析第七节核聚变第八节粒子和宇宙【素养目标定位】※知道聚变反应的特点※能写出聚变方程并计算聚变能量※了解可控热核反应※知道粒子的分类及其作用※了解宇宙起源的大爆炸说及恒星的演化【素养思维脉络】课前预习反馈教材梳理·夯基固本·落实新知知识点1核聚变1．定义轻核结合成__质量较大__的原子核的反应叫聚变。例如eq\o\al(2,1）H＋eq\o\al（3,1）H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al（1，0）n2．聚变发生的条件要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到__10－15__m以内，核力才能起作用.由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的__库仑斥力__,这就要求原子核具有足够的动能,有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达__几百万__开尔文，因此聚变又叫__热核反应__。3．应用目前,热核反应主要用在核武器上,那就是__氢弹__，需要用__原子弹__爆炸产生的高温高压引发核爆炸。4．太阳能太阳的主要成分是__氢__，太阳中心温度可达1。5×107K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,太阳能就来自于太阳内部__聚变__释放的核能.知识点2受控热核反应1．聚变与裂变相比有很多优点(1）轻核聚变产能__效率高__；（2）地球上聚变燃料的储量__丰富__；(3）轻核聚变更为__安全、清洁__。2．聚变的难点地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温.3．控制方法(1)磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是__环流器__.(2）惯性约束：聚变物质因自身的惯性,在极短时间内来不及扩散就完成了核反应,在惯性约束下，用__激光__从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。知识点3“基本粒子”不基本1．“基本"粒子19世纪末,许多人认为光子、电子、__质子__和__中子__是组成物质的不可再分的最基本粒子。2．发现新粒子（1)从20世纪起科学家陆续发现了400多种不同种类的新粒子，它们不是由__质子__、__中子__、__电子__组成。（2）科学家进一步发现质子、中子等本身也是复合粒子，且还有着__复杂__的结构.3．探测工具粒子__加速器__和粒子__探测器__是研究粒子物理的主要工具。知识点4发现新粒子1．新粒子1932年发现了__正电子__，1937年发现了__μ子__,1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等.2．粒子的分类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__。知识点5夸克模型组成强子的粒子有六种夸克，分为上夸克和下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，所带电荷分别为元电荷的__±eq\f（2,3)__或__±eq\f（1，3）__，每种夸克都有对应的反夸克，夸克不能以自由的状态单个出现.知识点6宇宙与恒量的演化1．宇宙的演化经历了①__强子__时代②__轻子__时代③__核合成__时代④10万年之后,随着温度降低逐步组成__恒星__和星系。2．恒星的演化宇宙尘埃eq\o(→，\s\up7（万有引力))__星云团__eq\o(→,\s\up7(凝聚）)恒星⇒eq\b\lc\｛（\a\vs4\al\co1（m<1。4m日白矮星,m＝1。4～2m日中子星,m〉2m日黑洞))思考辨析『判一判』(1）核聚变时吸收能量。(×)（2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。(√)（3）实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。（√)(4)质子、中子不能再分。(×)(5）夸克的带电量是电子电荷的整数倍。(×)(6）太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦,以电磁波的形式向外辐射核能.(√)『选一选』（多选)我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应有：(1）eq\o\al（235,92）U＋eq\o\al（1,0)n→eq\o\al（90，38）Sr＋eq\o\al(136,54）Xe＋keq\o\al(1,0)n(2)eq\o\al（2，1）H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2）He＋deq\o\al(1,0）n关于这两个方程，下列说法正确的是（BC）A．方程(1)属于α衰变B．方程(2)属于轻核聚变C．方程（1)中k＝10，方程（2）中d＝1D．方程(1)中k＝6，方程(2)中d＝1解析：方程（1）属于重核裂变，方程(2）属于轻核聚变，选项A错误而B正确;由质量数和电荷数守恒得，k＝10，d＝1，选项C正确而D错误。『想一想』万物生长靠太阳(如图),太阳在我们日常生活中是不可替代的，它提供给地球足够的能源，如果说太阳一旦没有了，那么地球上的一切生物都将随之消失.你知道太阳的能量来源吗？答：来源于太阳内部的核聚变反应课内互动探究细研深究·破疑解难·萃取精华探究轻核的聚变┃┃思考讨论1__■如图为氢弹原理示意图。(1)核聚变需要满足什么条件？(2）为什么要用原子弹才能引爆氢弹？提示：(1)要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m。(2)它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。┃┃归纳总结__■1．轻核聚变是放能反应从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应.2．聚变发生的条件要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10－15m就必须克服很大的库仑斥力作用,这就要求原子核应具有足够的动能。方法是给原子核加热，使其达到几百万度的高温。3．核聚变的特点（1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。（2）热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去.（3）普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。4．核聚变的应用（1)核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。（2)可控热核反应：目前处于探索阶段。┃┃典例剖析__■典例1太阳现在正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和质子、氦核等组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应为两个电子与四个质子聚变为氦。已知太阳的质量为2×1030kg，太阳向周围空间辐射能量的总功率为3.8×1026W.（1）写出上述聚变反应的方程；(2)已知质子质量mp＝1.67×10－27kg，氦核质量mα＝6。6458×10－27kg，电子质量me＝9。0×10－31kg，光速c＝3。0×108m/s，求每发生一次上述核反应所释放的能量。（3）根据题目中数据计算太阳1秒钟减少的质量。太阳还能用多少年？解题指导：（1)聚变的核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒.（2）核能计算的关键是求出核反应中的质量亏损，然后根据受因斯坦质能方程求解。（3)由m＝tΔm求时间。解析：(1）根据聚变反应满足质量数、电荷数守恒得核反应方程为2eq\o\al(0，－1）e＋4eq\o\al（1,1)H→eq\o\al(4，2)He（2)反应中的质量亏损Δm＝2me＋4mp－mα＝(2×9。0×10－31＋4×1。67×10－27－6。6458×10－27)kg＝3。6×10－29kg由爱因斯坦质能方程可知核反应释放的能量ΔE＝Δmc2＝3。6×10－29×（3.0×108)2J＝3.24×10－12J(3）太阳每秒释放的能量为3.8×1026J，则太阳每秒减少的质量Δm＝eq\f（ΔE，c2）＝eq\f（3。8×1026，3×1082)kg＝4.2×109kg太阳还能用t＝eq\f(m，Δm）＝eq\f(2×1030，4.2×109)s＝4。76×1020s＝1.5×1013年答案：(1）2eq\o\al(0，－1)e＋4eq\o\al(1，1）H→eq\o\al（4,2）He（2）3。24×10－12J(3)4。2×109kg1。5×1013年┃┃对点训练__■1．（2020·广东省佛山一中、顺德一中、石门中学高二下学期期末)太阳内部有多种热核反应，其中的一个反应方程是：eq\o\al(2,1）H＋eq\o\al（3,1)H→eq\o\al(4,2）He＋x，若已知eq\o\al(2,1）H的质量为m1,eq\o\al（3，1）H的质量为m2,eq\o\al(4,2)He的质量为m3，x的质量为m4，则下列说法中正确的是(C)A．x是质子B．x是电子C．这个反应释放的核能为ΔE＝(m1＋m2－m3－m4）c2D．eq\o\al(2,1）H和eq\o\al(3，1)H在常温下就能够发生聚变解析：根据核反应方程质量数和核电荷数守恒，可知x的电荷数是0,质量数是1，所以x是中子,故AB错误;由质能方程可知，这个反应释放的核能为ΔE＝（m1＋m2－m3－m4）c2；eq\o\al(2,1)H和eq\o\al(3，1）H只有在极高温度下才能够发生聚变反应，故D错误。探究新粒子的发现和夸克模型┃┃思考讨论2__■如图所示为粒子发展示意图.(1)为什么现在将“基本”二字去掉，统称为粒子？(2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破？提示:（1）随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。所以现在将“基本”二字去掉，统称为粒子。(2)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。┃┃归纳总结__■1．发现新粒子发现时间1932年1937年1947年60年代后新粒子反粒子μ子K介子与π介子超子基本特点质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反比质子的质量小质量介于电子与质子之间其质量比质子大按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子.2．粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注强子参与强相互作用质子、中子、介子、超子强子有内部结构,由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子,τ子、τ子中微子未发现内部结构媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用3。夸克模型(1)夸克的提出1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的。（2)夸克的种类上夸克（u)、下夸克（d)、奇夸克（s)、粲夸克（c）、底夸克（b）和顶夸克（t）。（3）夸克所带电荷夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的±eq\f（1,3)或±eq\f（2，3）。例如上夸克带的电荷量为＋2e/3,下夸克带的电荷量为－e/3。特别提醒粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子,所以每种夸克都有对应的反夸克。┃┃典例剖析__■典例2在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统,利用中微子与水中eq\o\al(1,1)H的核反应，间接地证实了中微子的存在。(1）中微子与水中的eq\o\al（1,1)H发生核反应，产生中子(eq\o\al(1，0)n)和正电子(eq\o\al(0,＋1）e），即：中微子＋eq\o\al（1,1）H→eq\o\al（1，0）n＋eq\o\al(0，＋1）e可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是__A__。（填写选项前的字母）A．0和0 B．0和1C．1和0 D．1和1（2）上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ）,即eq\o\al（0，＋1)e＋eq\o\al（0,－1）e→2γ已知正电子和电子的质量都为9。1×10－31kg，反应中产生的每个光子的能量约为__8。2×10－14__J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子,原因是__此过程遵循动量守恒定律__。解题指导：（1)由核反应过程质量数和电荷数守恒判断.（2）根据E＝Δmc2和动量守恒求解。解析：(1）发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，A项正确。（2)产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2,故一个光子的能量为eq\f（E,2），代入数据得eq\f（E，2)＝8.2×10－14J。正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，所以如果只产生一个光子是不可能的,因为此过程遵循动量守恒定律。┃┃对点训练__■2．(多选）(2020·北京临川育人学校高二下学期期中）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eq\x\to（u)或反夸克eq\x\to（d））组成的,它们带电量如下表所示,表中e为元电荷。π＋π－udeq\x\to(u）eq\x\to(d)带电量＋e－e＋eq\f(2，3)e－eq\f（1,3）e－eq\f（2，3）e＋eq\f(1,3)e下列说法正确的是(AD)A．π＋由u和eq\x\to（d)组成 B．π＋由d和eq\x\to（u）组成C．π－由u和eq\x\to(d）组成 D．π－由d和eq\x\to(u）组成解析：根据题目所给图表可以知道各种粒子的带电量，由电荷守恒定律可得A、D正确,B、C错误。核心素养提升易错警示·以题说法·启智培优轻核聚变与重核裂变的区别反应方式比较项目重核裂变轻核聚变放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核放出核能放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3~4倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的235U在铀矿石中只占0.7%主要原料是氚,氚在地球上的储量非常丰富.1L海水中大约有0.03g氚，如果用来进行热核反应放出