高中物理 4.6-4.7 核能利用 小粒子与大宇宙课件 粤教版选修3-5
2017年秋高中物理第四章原子核4.6核能利用4.7小粒子与大宇宙课件粤教版选修3-5
一二
知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用
组成 部分
材料
作用
裂变
材料 (核燃
浓缩铀
提供核燃料
料)
慢化 石墨、 剂 重水 (减速 或普通 剂) 水
使裂变产生的快中子减 速,使之容易被铀 235 吸 收
控制 镉或硼 吸收减速后的中子,控
棒钢
制反应强度
一二
知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用
反射
层 (保护
中子 减速 用来使中子减速的物质,如石墨、重水 剂
控制 棒
用于调节中子数目以控制链式反应速度的镉棒
冷却 用来控制反应堆的温度,输出内能的在反应堆
剂 内外循环流动的流体.如水、液体金属钠等流体
防护 层
用厚厚的水泥墙制成,防止放射线的外泄
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一二三
在利用重核裂变制成的原子弹中,需不需要用镉制成的控制棒, 为什么?
一二
知识精要 典题例解 迁移应用
一二
知识精要 典题例解 迁移应用
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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.
Байду номын сангаас
(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完成下面核裂变反应方程式:
.(选填写
选项前的字母)
A.0 和 0 B.0 和 1
C.1 和 0 D.1 和 1
一二
知识精要 典题例解 迁移应用
(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 +10e+-10e 2γ
高中物理第四章原子核4.6核能利用4.7小粒子与大宇宙课时训练粤教版选修3_5
核能利用小粒子与大宇宙基础夯实1.现已建成的核电站能量来自于()A.天然放射性元素衰变放出的能量B.人工放射性同位素放出的能量C.重核裂变放出的能量D.化学反应放出的能量.重核裂变要在一定条件下才能进行,并能有效地进行控制,核电站利用这一反应放出的能量进行发电,将其转化成电能.2.下列说法中正确的是()A.太阳是宇宙的中心B.太阳系中只存在太阳和它的八大行星C.太阳系是由太阳和若干行星以及它们的卫星还有彗星组成的D.以上说法都正确,有八大行星绕太阳运行,有的行星还有卫星,此外还有2 000多颗比较小的小行星和彗星等,所以叙述较完整的是C项.通常我们所说的八大行星是指太阳系中较大的几颗行星,太阳系的组成中还有小行星和彗星.3.在核反应中,控制铀235核裂变反应速率的方法是()A.使用浓缩轴B.改变铀块的临界体积C.通过自动控制装置,改变使用镉棒插入的深度,以改变反应堆中的中子数目D.利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度.4(多选)国家重大科技专项示范项目CAP1400核电站在山东荣成石岛湾建设.核电站与火电站相比较,其优势在于() (导学号51160211)A.核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量B.就可采储量来说,地球上核燃料资源远多于煤炭C.核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站D.核电站比火电站更容易建造,相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多,地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍,只要措施得当,核电站造成的污染很小,核能属于清洁能源,A、B、C均正确;核电站的建造难度较大,D错误.5.为应对能源危机和优化能源结构,提高清洁能源的比重,我国制定了优先选择核能,其次加快发展风电和再生能源的政策,在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平,请根据所学物理知识,判断下列说法中正确的是()A.核能发电对环境的污染比火力发电要小B.核能发电对环境的污染比火力发电要大C.所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D.重核裂变是非常清洁的能源,无任何污染答案AC解析目前核电站都用核裂变,其原料是铀,且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源,但也有一定的污染,故A、C正确,B、D错误.6.(多选)下列说法中正确的是()A.聚变反应中有质量亏损,所以必向外界放出能量B.使核发生聚变反应必须使核之间的距离接近到1×10-15 m,也就是接近到核力能够发生作用的范围内C.要使核发生聚变反应,必须克服核力做功D.热核反应只有在人工控制下才能发生答案AB能力提升7.2011年3月11日,日本发生地震并引发海啸导致福岛核电站发生了核泄漏,对附近的环境造成了很大的危害.核泄漏直接导致严重的环境污染,产生的射线具有非常大的危害性,能够使动植物体内的细胞发生癌变,致使生物死亡.根据以上材料回答以下问题:核电站的发电原理是通过核裂变产生巨大的能量,完成下面铀核裂变可能的一个反应方程n→Ba+Kr+,并计算1 kg铀核裂变放出的能量是J.(结果保留两位有效数字,Ba、92Kr和中子的质量分别为235.049 3 u,140.913 9 u,91.897 3 u,1.008 7 u,1 u=1.66×10-27 kg)(导学号51160212)答案n8.5×1013解析一个铀原子核裂变放出的核能,ΔE=Δmc2=(235.049 3 u-140.913 9 u-91.897 3 u-2×1.008 7 u)c2≈3.3×10-11 J.1 kg铀中含有铀核数为N=N A=×6.02×1023≈2.562×1024(个)所以1 kg铀核裂变时放出的能量为E=N·ΔE=2.562×1024×3.3×10-11 J=8.5×1013 J.8.在可控核反应堆中需要给快中子减速,轻水、重水和石墨等常用作慢化剂.中子在重水中可与H核碰撞减速,在石墨中与C核碰撞减速.上述碰撞可简化为弹性碰撞模型.某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰,通过计算说明,仅从一次碰撞考虑,用重水和石墨作减速剂,哪种材料减速效果更好? (导学号51160213)答案重水解析设中子质量为m n,靶核质量为m,由动量守恒定律得m n v0=m n v1+mv2,由能量守恒定律得m n m n,解得v1=v0.在重水中靶核质量m H=2m n,v1H=v0=-v0.在石墨中靶核质量m C=12m n,v1C=v0=-v0.因为与重水靶核碰撞后中子速度较小,故重水减速效果更好.9.天文观测表明,几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度背离我们而运动,离我们越远的星体,背离我们运动的速度(称为退行速度)越大;也就是说,宇宙在膨胀.星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比,即v=Hr.式中H为一常量,称为哈勃常数,已由天文观察测定.为解释上述现象,有人提出一种理论,认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的.假设大爆炸后各星体以不同的速度向外匀速运动,并设想我们就位于其中心,则速度越大的星体现在离我们越远.这一结果与上述天文观测一致. (导学号51160214)(1)由上述理论和天文观测结果,可估算宇宙年龄T,其计算式是什么?(2)根据观测,哈勃常数H=3×10-2米/(秒·光年),其中光年是光在一年中行进的距离,由此估算宇宙的年龄为多少年?答案(1)T=(2)1×1010年解析(1)由于爆炸后各星体做的是匀速运动,令宇宙年龄为T,则星球现距我们的距离为r=vT=HrT,得T=.(2)T=年=1×1010年.。
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第五节 自然界中的守恒定律
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本章小结
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第二章 波粒二象性
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第一节 光电效应
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第二节 光 子
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第一章 碰撞与动能守恒
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第一节 物体的碰撞
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第二节 动量 动量守恒定律
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第三节 动量守恒定律在碰撞中 的应用
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第四节 反冲运动
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第三节 康普顿效应及其解释
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第四节 光的波粒二象性
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第五节 德布罗意波
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0002页 0095页 0162页 0224页 0279页 0352页 0390页 0428页 0472页 0547页 0585页 0647页 0731页 0770页 0846页
第一章 碰撞与动能守恒 第二节 动量 动量守恒定律 第四节 反冲运动 本章小结 第一节 光电效应 第三节 康普顿效应及其解释 第五节 德布罗意波 第三章 原子结构之谜 第二节 原子的结构 第四节 原子的能级结构 第四章 原子核 第二节 核衰变与核反应方程 第四节 核力与结合能 第六节 核能利用 本章小结
高三物理粤教版小粒子与大宇宙PPT教学课件
说明：对微观粒子分类如下表所示：
分类 强子
轻子
媒介 子
参与的相互作用
强相互作用
不参与强相互作 用
各种相互作用
பைடு நூலகம்
发现的粒子
质子、中子、介子、超 子
电子、电子中微子、μ子 μ子中微子、т子、т子中
微子 光子、玻色子、胶子
备注
质子是最早发现的强子 强子有内部结构 无内部结构
光子传递电磁相互作用 玻色子传递弱相互作用 胶子传递强相互作用
3．空间跨度 人类认识的空间可以分为三个层次：我们日常生活的空间
为宏观层次，分子、原子大小发更小的空间为微观层次，地 球大气层外浩淼的宇宙为字观层次．从微观空间到字观空间 约从10-5到1027 m，共跨越了大约42个数量级．
二、小粒子与大宇宙的时间跨度
宇宙的寿命约为1018s，微观粒子的寿命最短的只有10-25 s，可见物质世界的时间尺度，约从018s到10-25s，共跨越了 将近43个数量级．
3．关于α、β、γ三种射线，下列说法中正确的是（ ）C
A.α射线是原子核自发放射出的氦核，它的穿透能力最强。 B.β射线是原子核外电子电离形成的电子流，它具有中等的 穿透能力。
C.γ射线一般伴随着α和β射线产生，它的穿透能力最强。 D.γ射线是电磁波，它的穿透能力最弱。
• 4．下列关于重要的物理史实的说法中正确的是（ B ）
宇宙演化过程的理解
子 粒 与空间跨度 宇 粒宙 子半 尺径 度约 约 1100为 2为 175mm
宙 宇时间跨度 宇 粒宙 子年 存龄 在约 时 101为 间 8s 短10的 25s为
【知识要点】
一、小粒子与大字宙的空间跨度
1．宇宙的起源 20世纪40年代，在大量天文学观测的基础上，物理学家提出了宇 宙演化的大爆炸假说．它的主要观点是，宇宙是由一个超高温、 超高密度的“原始火球"发生大爆炸而开始的．然后经历了从热到 冷的演化，在这个时期里，宇宙不断地膨胀(也称暴胀)，宇宙物质 从密到稀。当温度下降到几千度时，宇宙间主要是气态物质．后 来气体逐渐凝聚成气云，并且进一步收缩形成各种各样的恒星体 系，成为我们今天看到的宇宙天体． 2．微观粒子 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．随着科学家们的研究逐步发 现了400多种不同的新粒子，它们不是质子、中子、电子组成的， 又发现质子、中子等本身是复合粒子，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．
4.6-4.7 核能利用 小粒子与大宇宙 学案(2020年粤教版高中物理选修3-5)
4.6-4.7 核能利用小粒子与大宇宙学案（2020年粤教版高中物理选修3-5）第六节第六节核能利用核能利用第七节第七节小粒子与大宇宙小粒子与大宇宙学科素养与目标要求物理观念1.了解反应堆的工作原理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨度.科学态度与责任1.如何获取更安全.更丰富的能源.2.了解如何防止核污染.一.反应堆1.核反应堆是人工控制链式反应的装置.它主要由以下几部分组成1燃料铀棒；2减速剂使铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨.重水作减速剂；3控制棒为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度.2.工作原理核燃料裂变释放的能量，使反应堆的温度升高.3.能量输出利用水.液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电.4.核污染的处理；修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，埋入深地层来处理.二.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，这就是核电站.2.核能利用1核能发电；2核动力；3原子核物理实验制造各种放射性同位素.三.小粒子与大宇宙1.从小粒子到大宇宙空间跨度1大爆炸宇宙模型大约150亿年前突然发生一次大爆炸，其后逐渐诞生出恒星.星团.脉冲星.超新星.黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今天的宇宙世界.2人类所能研究的物质世界的空间尺度约从1015m到1027m，共跨越了大约42个数量级.2.从粒子寿命到宇宙年龄时间跨度1宇宙的年龄的数量级1018s.2微观粒子的最短寿命1025s.3物质世界的时间尺度约从1025s到1018s，跨越了将近43个数量级.1.判断下列说法的正误.1核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度.2核反应堆用过的核废料无毒无害.3质子.中子不能再分.4夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍.2.核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，23592U是核电站常用的核燃料.23592U受一个中子轰击后裂变成14456Ba和8936Kr两部分，并产生个中子.要使链式反应发生，裂变物质的体积不能选填“大于”或“小于”它的临界体积.答案3小于解析由质量数和电荷数守恒可知，裂变的核反应方程为23592U10n14456Ba8936Kr310n，可见产生了3个中子；链式反应的一个条件是裂变物质的体积必须大于或等于它的临界体积.一.核反应堆与核电站1.核反应堆的主要部件及作用如下表部件名称项目减速剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨.重水或普通水也叫轻水镉水或液态的金属钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染2.核电站发电的优点1消耗的核燃料少.2作为核燃料的铀在地球上可采储量大，所能提供的能量大.3对环境的污染要比火力发电小.例1多选关于核反应堆，下列说法正确的是A.铀棒是核燃料，裂变时释放核能B.镉棒的作用是控制反应堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和传输热量答案ABD解析铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故C错误；冷却剂在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D正确.例2在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水.重水和石墨等常用作减速剂.中子在重水中可与21H核碰撞减速，在石墨中与126C核碰撞减速.上述碰撞可简化为弹性碰撞模型.某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好答案见解析解析设中子质量为mn，靶核质量为m，由动量守恒定律得mnv0mnv1mv2由能量守恒得12mnv0212mnv1212mv22解得v1mnmmnmv0，在重水中靶核质量mH2mnv1HmnmHmnmHv013v0，在石墨中靶核质量mC12mn，v1CmnmCmnmCv01113v0与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好.1中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒.能量守恒.2因为靶核的质量大于中子的质量，故靶核的质量比中子的质量大得越少，减速效果越好，如质量相等时可以使中子的速度减为零.二.粒子的分类和夸克模型1.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.子.子中微子.子.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2.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.奇异夸克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23或13.例如，上夸克带的电荷量为2e3，下夸克带的电荷量为e3.4意义电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷.3.粒子与反粒子随着科学技术的发展，人们发现了更多的粒子，一方面“基本粒子”不基本，另一方面发现了反粒子.粒子的质量.寿命.自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这类粒子叫做反粒子，例如电子的反粒子是正电子，带正电荷，质子的反粒子是反质子，反质子带负电荷.例3多选已知介子.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u或反夸克d组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e 为元电荷.粒子udud带电荷量ee2e3e32e3e3下列说法正确的是A.由u和d组成B.由d和u组成C.由u和d组成D.由d和u组成答案AD解析因介子带有e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u带23e和反夸克d带13e 合成电荷量为e，那么介子就是由夸克u和反夸克d组成的；同理，介子由夸克d和反夸克u组成，所以A.D正确.针对训练xx年3月31日，欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功.科学家希望以接近光速飞行的质子在发生撞击之后，能模拟宇宙大爆炸的能量，并产生新的粒子，帮助人类理解暗物质.反物质以及其他超对称现象，从根本上加深了解宇宙本质，揭示宇宙形成之谜.欧洲科研机构宣布他们已经制造出9个反氢原子.请推测反氢原子的结构是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答案B 解析根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异种电荷.因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量.相反的电荷符号与等量的电荷量，所以B正确.1.链式反应的认识链式反应中，重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是A.质子B.中子C.粒子D.粒子答案B解析在重核的裂变中，铀235需要吸收一个慢中子后才可以发生裂变，所以重核裂变时放出的可使裂变反应不断进行下去的粒子是中子.2.对宇宙粒子的理解以下说法正确的是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.子质量比核子质量大，子不属于轻子答案B解析最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，所以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，所以B正确；子质量比核子质量大，但子仍属于轻子，所以D错误.3.核能的计算裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核23592U为燃料的反应堆中，当23592U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为23592U10n13954Xe9438Sr310n235.04391.0087138.917893.9154反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量以原子质量单位u为单位，已知1u的质量对应的能量为931.5MeV，此裂变反应释放出的能量是MeV.答案180解析此裂变反应的质量亏损为235.04391.0087u138.917893.915431.0087u0.1933u，由于1u的质量对应的能量为9 31.5MeV，E931.50.1933MeV180MeV.。
高中物理第4章原子核第6节核能利用第7节小粒子与大宇宙课件粤教版选修3-5
第六节ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ核能利用
学
业
分
第七节 小粒子与大宇宙
层 测
评
知 识 点 二
反应堆 核电站
[先填空] 1．核反应堆 (1)核反应堆是人工控制 链式反应的装置． (2)减速剂 反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“减速剂”， 常用的减速剂有石墨、重水和普通水．
(3)控制棒 为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收 中子的能力 很强，反应过于激烈时，可将其插入深 一些，多吸收一些中子，链式反应的速 度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒．
(4)能量输出 核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反 应堆外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．
2．核电站及核能利用 (1)核能发电的效益 一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗 30吨左右的浓缩铀，而同样功率 的火电站，每年要烧煤250万吨 ． (2)核能的利用 ①核能发电 ②把反应堆小型化，可以使核能作为动力，制造核动力潜艇、核动力破冰 船和核动力航空母舰，在某些动力装置上也有利用的可能． ③用来进行各种原子核物理实验，制造各种放射性同位素．
2．发电站用于发电的能量只占所释放核能的一部分，则 E 电＝ηE.
小粒子与大宇宙
[先填空] 1．人类目前能够观测到的最大距离约为 140亿光年之远． 2．对宇宙的时空结构、运动形态和物质演化的理论描述，称为宇宙模型， 目前普遍被大家接受的模型是大爆炸宇宙模型． 3．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 越了约 42 个数量级．
(3)核污染的处理 为了防止铀核裂变物放出的 各种射线对人体的危害，在反应堆的外面需要 修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线，不让它们透射出来，对放射性的废料， 也要装入特制的容器，埋入深地层来处理．
高中物理(粤教版选修3-5)教师用书：第4章 第6节 核能利用 第7节 小粒子与大宇宙 含答案
第七节小粒子与大宇宙学 习 目 标知 识 脉 络1.知道什么是核反应堆．(重点)2.知道核电站的工作模式，了解核能的利用．(重点)3.了解宇宙及恒星的演化.反应堆核电站[先填空]1．核反应堆(1)核反应堆是人工控制链式反应的装置．(2)减速剂反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“减速剂”，常用的减速剂有石墨、重水和普通水．(3)控制棒为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫做控制棒．(4)能量输出2．减速剂的作用是什么？是为了减慢裂变速度吗？【提示】减速剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率．1．核电站的主要组成核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件列表如下：部件名称减速剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染2.反应堆工作原理(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图461为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)为减速剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围．反应堆示意图图461(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒．控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度．(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电．发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面．3．核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少．(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大．(3)对环境的污染要比火力发电小．1．(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是( )【导学号：55272144】A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能B．镉棒的作用是控制反应堆的功率C．铀棒的作用是控制反应堆的功率D．石墨的作用是吸收中子【解析】铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确C错误；慢中子最容易引发铀核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故D错误．【答案】AB2．原子反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成，即原子燃料、________、________、控制调节系统．【解析】核反应堆的主要部分包括：①燃料，即浓缩铀235；②减速剂，采用石墨、重水和普通水；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．【答案】减速剂冷却系统3．每昼夜消耗220 g铀235的原子能发电站，如果效率为25%，它能产生的电功率为多大？(每个铀核裂变时放出的能量是200 MeV)【解析】一昼夜消耗的铀所能产生的核能为ΔE＝200××6.02×1023×106×1.6×10－19 J＝1.8×1013 J，电功率P＝η＝ W＝5.2×107 W.【答案】 5.2×107 W1．核电站释放的核能是n个核反应释放核能积累的结果E＝n·ΔE，ΔE＝Δmc2，n＝·NA.2．发电站用于发电的能量只占所释放核能的一部分，则E电＝ηE.小粒子与大宇宙[先填空]1．人类目前能够观测到的最大距离约为140亿光年之远．2．对宇宙的时空结构、运动形态和物质演化的理论描述，称为宇宙模型，目前普遍被大家接受的模型是大爆炸宇宙模型．3．人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从10－15m到1027m，共跨越了约42个数量级．4．从宇宙大爆炸到现在，以秒为单位，宇宙年龄的数量级约为1018s.5．目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有10－25s.6．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．[再判断]1．质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×)2．强子是参与强相互作用的粒子．(√)3．宇宙将一直会膨胀下去．(×)[后思考]为什么说基本粒子不基本？【提示】一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的．1．新粒子的发现及特点发现时间1932年1937年1947年20世纪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核子之间其质量比质子大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，它们带的电荷是电子或质子所带电荷的或.每种夸克都有对应的反夸克．4．两点提醒(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子．(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．4．关于粒子，下列说法正确的是( )【导学号：55272145】A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B．强子中没有带电的粒子C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位【解析】由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋e和－，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确．【答案】D5．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H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即中微子＋H―→n＋e.。
高中物理第四章原子核4.7小粒子与大宇宙素材粤教版选修3_5
1 第七节 小粒子与大宇宙
情景导入
根据自己所掌握的知识，简述宏观世界和微观世界，并指出它们之间的联系。
简答：宏观世界和微观世界之间存在着巨大的差异.从空间范围来讲，宏观世界已扩展到现
代天文学观测所能探及的约1027m 之远的宇宙深处；微观世界则已深入到约10-19m 之微的夸
克和轻子.从时间范围来讲，宏观世界的“寿命”至少不少于150亿年；微观世界中的粒子
寿命有的长10亿年，而有的却短到仅10-23s. 这两个在空间上和时间上有“天壤之别”的世
界之间，却存在着千丝万缕的联系.
要真正理解我们的宇宙，就必须从研究极微小的粒子开始，看看那里都发生了些什么情况，然后再来遥望整个宇宙，因为宏观世界的许多基本问题往往可在对微观世界的研究中得到解决.其实，任何关于其中一个世界的新知识，都可以促进人们对另一个世界的了解. 知识预览
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧--s s m m 1825271510101010宇宙年龄约为粒子存在时间短的为时间跨度宇宙半径约为粒子尺度约为空间跨度宙宇与子粒。
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构和工作原理如下表：
组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料) 浓缩铀(U)
提供核燃料
慢化剂(减速剂) 控制棒
石墨、重水和普 使裂变产生的快中
通水
子减速
镉
吸收减速后的中 子，控制反应速度
反射层 热交换器
石墨 水
阻止中子逃逸
产生高温蒸汽，推动汽轮 发电机发电
防护层
金属套和钢筋 防止射线对人体及其他生
混凝土
物体的侵害
Hale Waihona Puke 二、核电站、核能利用 1．核电站：利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽
轮发电机发电，这就是核电站． 2．核能利用：
(1)核__力__发__电__； (2) 核__动__力___； (3)原子核物理实验制造各种放射性同位素．
三、小粒子与大宇宙 1．空间跨度
(1)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次大__爆__炸__ ，其后逐渐诞生出恒星、星团、脉冲星、超新星、黑洞以 及被称作类星体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今天 的宇宙世界． (2)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从1_0_－_1_5__m_到 __1_0_27__m_，共跨越了约42个数量级．
2．工作原理：核燃料_裂__变_释放的能量，使反应区温度升高． 3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内、外
_循__环__流__动_，把反应堆内的热量传输出去，用于发电． 4．核污染的处理：为防止_射__线_对人体的伤害和_放__射__性__物__质_对
水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外 面需要修建很厚的_水__泥__层_，用来屏蔽裂变反应放出的各种 射线，核废料具有很强的_放__射__性_，需要装入特制的容器， _深__埋__地__下_．
【例 1】 在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水 和石墨等常用作减速剂．中子在重水中可与21H 核碰撞减速， 在石墨中与162C 核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模 型．某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计 算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种 减速效果更好？
答案 见解析 解析 设中子质量为 mn，靶核质量为 m，由动量守恒定 律：mnv0＝mnv1＋mv2 由能量守恒：12mnv20＝12mnv21＋12mv22
解得 v1＝mmnn－ ＋mmv0，
在重水中靶核质量 mH＝2mn v1H＝mmnn＋－mmHHv0＝－13v0， 在石墨中靶核质量 mC＝12mn， v1C＝mmnn－ ＋mmCCv0＝－1113v0 与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好． 借题发挥 (1)中子与靶核碰撞过程中满足动量守恒、能 量守恒． (2)因为靶核的质量大于中子的质量，故靶核的质量比中 子的质量大得越少，减速效果越好，如质量相等时可以使 中子的速度为零．
针对训练1 在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法
是
(
)
A．使用浓缩铀
B．改变铀块的临界体积
C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以改变中
子数
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
答案 C
解析 控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用
镉棒吸收中子改变中子数目．
二、核电站的工作原理 核电站是利用缓慢释放的核能来发电的，这是核能的和平 利用，因此核电站是可控的链式反应． 铀235裂变需要一定的条件：(1)要有足够浓度的铀235； (2)要有足够数量的慢中子；(3)铀块的体积要大于临界体 积．当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核 ，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状， 核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子 间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时 放出2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样， 裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能，这就 叫链式反应．
原子弹中裂变一旦开始，裂变放出的快中子，又引起其他 铀核裂变的速度很快，在极短的时间内释放大量的能量， 因此杀伤力强大． 在核电站中，核反应堆是热源，如图4－6、7－1为简化的 核反应堆的示意图：
图4－6、7－1
铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～ 4%)制成．石墨(或重水)为减速剂，使反应生成的快中子变为 慢中子，便于铀235吸收，发生裂变，减速剂附在铀棒周围． 镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒． 控制棒插入深些，吸收中子多，反应速度变慢，插浅一些， 吸收中子少，反应速度加快．采用电子仪器自动地调节控制 棒的升降，就能使反应堆安全正常地工作．
2．时间跨度 (1)宇宙的年龄的数量级：_1_0_18__s_． (2)微观粒子的最短寿命：1_0_－_2_5 _s_ ． (3)物质世界的时间尺度：约从10－25 s到1018 s，跨越了 将近43___个数量级.
一、核反应堆
裂变反应堆是核电站的心脏，它是一种人工控制链式反应
的装置，可以使核能较平缓地释放出来，裂变反应堆的结
【例2】 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29352U＋10n―→15416Ba＋9326Kr＋aX 是反应堆中发 生的许多核反应中的一种，10n 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29352U、15416Ba、9326Kr 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速度，则在上述核反应过 程中放出的核能ΔE＝________．
高中物理·选修3-5·粤教版
第六节 核能利用 第七节 小粒子与大宇宙
[目标定位] 1.了解裂变反应堆的工作原理.2.了解核电站和 核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时 间跨度．
一、反应堆 1．核反应堆是人工控制链式反应的装置．它主要由以下几部
分组成： (1)燃料：铀__棒___； (2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石__墨___ 、重水_____作减速剂； (3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少 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_ 强______的特性，就可以容易地控制链式反应的速度 ．