专题十三近代物理初步应用创新题组

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专题十三　近代物理初步应用创新题组(时间:40分钟　满分:70分)一、单项选择题(每小题4分,共40分)1.(2021河西二模,1)与下列图片相关的物理知识说法正确的是(　　)A.甲图,汤姆孙通过α粒子散射实验,提出了原子核的概念,建立了原子核式结构模型B.乙图是氢原子的能级结构图,大量处于n=4能级的原子向低能级跃迁时,能辐射6种不同频率的光子C.丙图,“光电效应”实验揭示了光的粒子性,爱因斯坦为此提出了相对论学说,建立了光电效应方程D.丁图,重核裂变产生的中子能使核裂变反应连续地进行,称为链式反应,其中一种核裂变反应方程为UBa+Kr+n答案　B　卢瑟福通过α粒子散射实验,提出了原子核的概念,建立了原子核式结构模型,故A错误;根据=6知,大量处于n=4能级的氢原子向n=1能级跃迁时,向外辐射6种不同频率的光子,故B正确;丙图,“光电效应”实验揭示了光的粒子性,爱因斯坦为此提出了光子说理论,建立了光电效应方程,认识到微观粒子具有“波粒二象性”特征,故C错误;丁图,重核裂变产生的中子能使核裂变反应连续地进行,核能持续地释放,这种为链式反应,但裂变方程中,铀235吸收一个慢中子后才能发生裂变,在核反应方程中,方程左侧的中子不能与方程右侧的中子约掉,故D错误。2.(2021南开一模,1) 2020年11月24日4时30分,我国用长征五号遥五运载火箭成功发射嫦娥五号探测器。该探测器顺利到达月球表面并取回1.73 kg月壤。氦3大量存在于月壤中,是未来的清洁能源。两个氦3聚变的核反应方程是HeHeHe+2X+12.86MeV,已知氦3、氦4和X粒子的质量分别为m1、m2和m3。下列说法正确的是(　　) A.核裂变比核聚变更为安全、清洁B.X粒子为中子C.两个轻核结合成质量较大的核,比结合能较聚变前增大D.由核反应过程质量守恒可知2m1=m2+2m3答案　C　核裂变原料、产物对环境污染较核聚变严重,A错误;根据核反应的质量数和电荷数守恒可知,X粒子的质量数为1,电荷数为1,X粒子为质子,B错误;比结合能越大,原子核越稳定,两个轻核结合成质量较大的核,比结合能较聚变前增大,C正确;核聚变过程中要释放核能,存在着质量亏损,即2m1>m2+2m3,D错误。3.(2021南开一模,2)如图所示,用频率为ν1和ν2的甲、乙两种光分别照射同一光电管,对应的遏止电压分别为U1和U2。已知ν1<ν2,则(　　)A.遏止电压U1<U2B.用甲、乙光分别照射时,金属的截止频率不同C.增加乙光的强度,遏止电压U2变大D.滑动变阻器滑片P移至最左端,电流表示数为零答案　A　根据爱因斯坦光电效应方程和遏止电压与最大初动能的关系,有-eUc=0-Ekm,eUc=hν-W0,所以入射光频率越大,遏止电压越大,遏止电压与入射光的强度无关,故A正确,C错误;金属的截止频率与入射光无关,因甲、乙两种光分别照射同一光电管,所以金属的截止频率相同,B错误;滑动变阻器滑片P移至最左端,所加的反向电压为零,因能发生光电效应,所以电流表示数不为零,D错误。　该实验研究光电效应的遏止电压,即光电管两端所接的反向电压,是使电子速度减小为零的电压。根据光电效应方程式eUc=hν-W0,对甲光和乙光列式即可判断各选项正确与否。4.(2020永州二模科技工程)2018年11月12日中科院等离子体物理研究所发布消息:全超导托克马克装置EAST在实验中有了新的突破,等离子体中心电子温度达到1亿摄氏度;其主要核反应方程为:HHHe+X;H+YHe+X。则下列表述正确的是(　　)A.X是质子B.Y是氚核C.X与Y是同位素D.①②两个核反应都属于裂变反应答案　B　根据质量数守恒、电荷数守恒可知X是中子,Y是氚核,故A错误,B正确;X是中子,Y是氚核,X与Y不是同位素,故C错误;①②两个核反应都属于聚变反应,故D错误。5.(2022届长郡中学月考一)如图所示,某轧钢厂的热轧机上安装了一个射线测厚仪,该仪器探测到的射线强度与钢板的厚度有关,已知车间采用放射性同位素Ir作为放射源,通过β衰变放出γ射线,半衰期为74天,适合透照钢板厚度10~100 mm,下列说法正确的是(　　)A.若衰变产生的新核用X表示,则Ir的衰变方程为IrX+eB.若有4 g放射性同位素Ir,经过222天有1.0 g没有衰变C.若已知钢板厚度标准为20 mm,探测器得到的射线变弱时,说明钢板厚度大于20 mm,应当减小热轧机两轮之间的厚度间隙D.衰变时遵循能量守恒且生成物的质量等于反应物的质量答案　C　β衰变的实质是原子核里的一个中子变为一个质子放出一个电子,反应过程中遵循质量数守恒和电荷数守恒,衰变方程为IrXe,A错误;若有4 g放射性同位素Ir,经过222天(3个半衰期)有0.5 g没有衰变,B错误;探测器得到的射线变弱时,说明钢板厚度增大,应当减小热轧机两轮之间的厚度间隙,C正确;放射性同位素发生衰变时,因遵循能量守恒,放岀能量后发生质量亏损,D错误。6.(2022届湘豫名校联考)2020年12月4日,我国新一代“人造太阳”——环流器二号M装置正式建成并投入使用,如图所示。该装置是利用核反应实现的,其核反应方程为H+Hen,这一科研成果是我国核物理学家艰苦奋斗的结果。关于“人造太阳”下列说法不正确的是(　　)A.该反应是轻核聚变反应,比重核裂变更安全和清洁B.该反应是热核反应,需要几百万摄氏度条件下才能进行C.裂变反应相比聚变反应中平均每个核子释放的能量要多D.目前我国核反应堆产生的能量主要来自重核裂变答案　C　聚变反应平均每个核子释放的能量比裂变反应中平均每个核子释放的能量大3到4倍,C错误。7.(2021广东湛江二模,1)2020年12月4日,中国新一代“人造太阳”装置——“中国环流器二号M”装置在四川成都建成并实现首次放电,这为中国核聚变反应堆的自主设计与建造打下了坚实基础。已知氘、氚的核聚变反应方程式为H+He+X+17.6 MeV,下列说法正确的是(　　)A.X是中子B.该核反应中反应前核子的总质量等于反应后核子的总质量C.该核反应中反应前的总结合能大于反应后的总结合能D.该核反应放出的能量来自氘、氚原子中电子从高能级向低能级跃迁答案　A　试题考查核反应与核能等必备知识,主要考查理解能力、推理能力,体现了物理观念、科学思维的学科素养,突出对综合性考查要求。在HHHe+X+17.6 MeV反应中,根据电荷数守恒、质量数守恒,则X的电荷数为0,质量数为1,可知X是中子,故选项A正确;该核反应方程释放能量,因此有质量亏损,反应后的核子总质量小于反应前的核子总质量,故选项B错误;该核反应中反应前的总结合能小于反应后的总结合能,故选项C错误;该核反应放出的能量来自原子核聚变反应质量亏损,而不是核外电子的跃迁,故选项D错误。8.(2022届莱芜模拟,6科技工程)我国成功研制的环流器二号M装置,被誉为中国“人造太阳”,是一款通过可控热核聚变方式,提供清洁能源的装置。该装置的核心温度可达2亿摄氏度,比太阳核心的温度还要高。2019年4月22日,该实验装置开始组装,并在2020年投入使用。现已知氘、氚的核聚变反应方程式为HHHen,氘核的质量为m1,氚核的质量为m2,氦核的质量为m3,中子的质量为m4,核反应中释放出γ光子。对此核反应的认识,正确的是(　　)A.核聚变反应释放的能量为(m1+m2-m3-m4)c2B.γ光子来源于核外电子的能级跃迁C.反应前的总结合能大于反应后的总结合能D.方程式中的A=3答案　A　聚变时有质量亏损,根据爱因斯坦质能方程可知,聚变时释放的能量ΔE=Δmc2=(m1+m2-m3-m4)c2,故A正确;γ光子来源于原子核的能级跃迁,而不是核外电子的跃迁,故B错误;由结合能的概念和核聚变是放能反应可知,反应前的总结合能小于反应后的总结合能,故C错误;根据质量数守恒可知方程式中的A=4,故D错误。9.(2020青岛二模,3)图甲为某实验小组探究光电效应规律的实验装置,使用a、b、c三束单色光在同一光电管中实验,得到光电流与对应电压之间的关系图像如图乙所示,下列说法正确的是(　　)A.a光频率最大,c光频率最小B.a光与c光为同种色光,但a光强度大C.a光波长小于b光波长D.a光与c光照射同一金属,逸出光电子的初动能都相等答案　B　根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0和动能定理eUc=Ek可得eUc=hν-W0,入射光的频率越高,对应的遏止电压Uc越大,分析图像可知a、c光的遏止电压比b光的遏止电压小,则a、c光的频率小于b光的频率,故A错误;分析图像可知,a光与c光的遏止电压相等,则a光与c光的频率相等,所以a光与c光为同种色光,但a光的饱和电流大,则a光内含有的光子个数多,即a光强度大于c光强度,故B正确;由于a光的频率小于b光的频率,根据频率和波长的关系c=λf可知,a光的波长大于b光的波长,故C错误;a光与c光的频率相等,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,a光与c光照射同一金属,a光产生的光电子的最大初动能等于c光产生的光电子的最大初动能,但并不是逸出光电子的初动能都相等,故D错误。10.(2022届菏泽一中月考,4)如图所示为氢原子的能级示意图,则关于氢原子在能级跃迁过程中辐射或吸收光子的特征,下列说法中正确的是(　　)A.一群处于n=4能级的氢原子向基态跃迁时,能辐射出5种不同频率的光子B.一群处于n=3能级的氢原子吸收能量为0.9 eV的光子可以跃迁到n=4能级C.处于基态的氢原子吸收能量为13.8 eV的光子可以发生电离D.若氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级辐射出的光照在某种金属表面上能发生光电效应,则从n=5能级跃迁到n=2能级辐射出的光也一定能使该金属发生光电效应答案　C　一群处于n=4能级的氢原子向基态跃迁时,能辐射出=6种不同频率的光子,故A错误;一群处于n=3能级的氢原子吸收能量为0.9 eV的光子后的能量为E=-1.51 eV+0.9 eV=-0.61 eV,0.9 eV不等于能级差,该光子不能被吸收,故B错误;处于基态的氢原子吸收能量为13.8 eV的光子可以发生电离,剩余的能量变为光电子的初动能,故C正确;氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级辐射出的光子能量为ΔE1=E3-E1=12.09 eV,从n=5能级跃迁到n=2能级辐射出的光子能量为ΔE2=E5-E2=2.86 eV,所以若氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级辐射出的光照在某种金属表面上能发生光电效应,则从n=5能级跃迁到n=2能级辐射出的光不一定能使该金属发生光电效应,故D错误。二、多项选择题(每小题6分,共18分)11.(2021汕头一模,8科学探索)(多选)月球储藏大量可控核聚变理想燃料氦-3He),2020年12月1日,我国“嫦娥五号”探测器成功着陆月面后开始“挖土”并成功带回地面供科学研究。可控核聚变可以采用HH→He+X或HHeHe+Y。下列说法正确的是(　　)A.X是中子B.Y是正电子C.核聚变过程发生质量亏损,释放核能DHe比He的原子核更稳定答案　AC　根据核反应的质量数和电荷数守恒可知,X的质量数为1、电荷数为0,则X为中子,Y的质量数为1、电荷数为1,则Y为质子,A正确,B错误;核聚变过程发生质量亏损,释放核能,C正确;因反应放出核能,则He比He的原子核更稳定,D错误。12.(2021十二区模拟,6)(多选)目前,在居家装修中,经常用到花岗岩、大理石等装修材料,这些岩石都不同程度地含有放射性元素,比如有些含有铀、钍的花岗岩等岩石都会释放出放射性惰性气体氡,而氡会发生放射性衰变,放出α、β、γ射线,这些射线会导致细胞发生癌变,根据有关放射性知识可知,下列说法正确的是(　　)A.β射线是由原子核外的电子电离后形成的高速电子流B.铀核(U)衰变为铅核(Pb)的过程中,要经过8次α衰变和6次β衰变C.γ射线一般伴随着α或β射线产生,在这三种射线中,γ射线的穿透能力最强,电离能力最弱D.已知氡的半衰期为3.8天,100个氡原子经过7.6天后未衰变的氡原子还有25个答案　BC　β射线是原子核内的中子转化成质子时产生并发射出来的高速电子流,故A错误;铀核(U)衰变为铅核(Pb)的过程中,设发生x次α衰变,y次β衰变,衰变方程为U→Pb+He+ e,根据质量数守恒和电荷数守恒,有238=206+4x,解得:x=8,92=82+8×2-y,解得:y=6,即要经过8次α衰变和6次β衰变,故B正确;γ射线一般伴随着α或β射线产生,在这三种射线中,γ射线的穿透能力最强,电离能力最弱,故C正确;半衰期是对大量原子核衰变时的统计规律,对少数原子核的衰变无意义,故D错误。13.(2022届湖南名校联考)(多选)新冠疫情期间,常用测温枪测量体温。测温枪通过红外线照射温度传感器,发生光电效应,将光信号转化为电信号,计算出温度数据。已知人的体温正常时能辐射波长为10 μm的红外线,如图甲所示,用该红外线照射光电管的阴极K时,电路中有光电流产生,得到电流随电压变化的关系图像如图乙所示,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,电子的电荷量e=1.6×10-19 C,光速c=3×108 m/s,则下列说法正确的是(　　)A.将图甲的电源反接,一定不会产生光电流B.波长为10 μm的红外线在真空中的频率为3×1013 HzC.光电子的最大初动能为2 eVD.若人体温度升高,则辐射红外线的强度增强,光电管转换成的光电流增大答案　BD　由图乙可知,遏止电压为0.02 V,如果反接,但光电管两端电压小于0.02 V,则会产生光电流,A错误;波长为10 μm的红外光在真空中的频率为ν== Hz=3×1013 Hz,B正确;根据动能定理得Ek=eUc=0.02 eV,C错误;若人体温度升高,则辐射红外线的强度增强,光电管转换成的光电流增大,D正确。三、非选择题(共12分)14.(2021江苏南通月考,14)花岗岩、水泥等建筑材料是室内氡的最主要来源。人呼吸时,氡气会随气体进入肺脏,氡衰变放出的α射线像小“炸弹”一样冲击肺细胞,使肺细胞受损,从而引发肺癌、白血病等。一静止的氡核Rn发生一次α衰变生成新核钋(Po),此过程动量守恒且释放的能量全部转化为α粒子和钋核的动能。已知m氡=222.086 6 u,mα=4.002 6 u,m钋=218.076 6 u,1 u相当于931 MeV的能量。(1)写出上述核反应方程;(2)求上述核反应放出的能量ΔE;(3)求α粒子的动能Ekα。答案　(1RnPoHe　(2)6.89 MeV(3)6.77 MeV解析　(1)根据质量数和电荷数守恒可得核反应方程为RnPoHe(2)质量亏损Δm=222.086 6 u-4.002 6 u-218.076 6 u=0.007 4 uΔE=Δmc2解得ΔE=0.007 4×931 MeV≈6.89 MeV(3)设α粒子、钋核的动能分别为Ekα、Ek钋,动量分别为pα、p钋,由能量守恒定律得ΔE=Ekα+Ek钋由动量守恒定律得0=pα+p钋又Ek=故Ekα∶Ek钋=218∶4解得Ekα≈6.77 MeV