高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册5 粒子的波动性和量子力学的建立单元测试习题

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册5 粒子的波动性和量子力学的建立单元测试习题，共18页。试卷主要包含了单选题，多选题，实验题，解答题等内容，欢迎下载使用。


一、单选题
1．下列有关四幅图的说法中，正确的是（ ）
A．在甲图所示的α粒子散射实验中观察到绝大多数α粒子发生了较大角度偏转
B．在图乙光电效应实验中把锌板与验电器连接，用弧光灯发出的紫外线照射锌板，若先使锌板带上负电，会观察不到光电效应现象
C．丙图放射线在磁场中偏转分成三束说明放射线有的带电，有的不带电
D．丁图中链式核反应就是太阳内部进行的核反应
2．正电子发射型计算机断层显像的基本原理是将放射性同位素15O注入人体，15O在人体内衰变放出的正电子与人体内的负电子相遇湮灭转化为一对γ光子，被探测器采集后，经计算机处理生成清晰图像。已知15O的半衰期为2.03min，正、负电子的质量均为m，光速c，普朗克常量h，下列说法正确的是（ ）
A．辐射出γ光子的动量为2mc
B．正、负电子相遇湮灭过程的质量亏损为mc2
C．15O在人体内衰变的方程是
D．经过4.06min剩余15O为原来的四分之一
3．近代物理研究表明介子衰变的方程为，其中介子和介子为带负电的元电荷，介子不带电。一个介子在磁感应强度为B的匀强磁场中做半径为R的匀速圆周运动，在某时刻介子发生衰变，观察到介子做半径为2R的匀速圆周运动，运动轨迹如图所示，介子的轨迹未画出。则介子与介子的动量大小之比为（ ）
A．1∶1B．2∶3C．1∶2D．2∶1
4．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氘原子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相当于，阿伏加德罗常数，氘核的摩尔质量．若未来建设一座应用此反应的热核发电站，若该发电站的功率万千瓦，理论上该发电站一年（），大约需要多少千克的氘？（ ）
A．B．C．D．
5．一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法正确的是（ ）
A．核反应方程是
B．聚变反应中的质量亏损
C．辐射出的γ光子的能量
D．γ光子的波长
6．2023年4月12日，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。“人造太阳”在工作时进行的其中一种热核聚变为，其中：的质量为m1，比结合能为，的质量为m2，比结合能为，的质量为m3，比结合能为；X的质量为m4。光速为c。图为原子核比结合能与质量数的关系图。下列说法正确的是（ ）

A．X是质子
B．X是电子
C．E1D．一次该核反应释放的能量为E=（m3+m4-m1-m2）c²
7．静止在匀强磁场中的 核发生α衰变，产生一个未知粒子X，它们在磁场中的运动径迹如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．轨迹1是α粒子的运动径迹
B．轨迹1的粒子沿逆时针方向转动
C．α粒子、X粒子的运动半径之比为45∶1
D．α粒子、X粒子的动能之比为2∶117
二、多选题
8．核电站利用原子核裂变的链式反应获得能量进行发电。已知是核电站常用的核燃料，其常见的核反应方程为、。则下列说法正确的是（ ）
A．X是粒子
B．两个核反应一定都有质量亏损
C．的结合能小于的结合能
D．要使链式反应发生，裂变物质的体积要小于它的临界体积
9．核泄漏中的钚（Pu）是一种具有放射性的元素，它可破坏细胞基因，增加患癌的风险．已知钚的一种同位素的半衰期为 24100 年，其衰变方程为，则 下列说法中正确的是（ ）
A．衰变发出的γ射线是波长很短的光子，穿透能力很强
B．上述衰变方程中的 X 含有 143 个中子
C．800 个经过 24100 年后一定还剩余 400 个
D．衰变过程没有质量亏损
10．磁感应强度为B的匀强磁场，一个静止的放射性原子核()发生了一次α衰变。放射出的α粒子()在与磁场垂直的平面内做圆周运动，其轨道半径为R。以m、q分别表示α粒子的质量和电荷量，生成的新核用Y表示，真空中光速为c，下列说法正确的是（ ）
A．新核Y在磁场中做圆周运动的轨道半径为
B．α粒子做圆周运动可等效成一个环形电流，且电流大小为
C．若衰变过程中释放的核能都转化为α粒子和新核Y的动能，则衰变过程中的质量亏损约为
D．发生衰变后产生的α粒子与新核Y在磁场中旋转方向相同，且轨迹为相内切的圆
三、实验题
11．二十世纪初期对于光电效应有许多不同的解释，密立根通过实验证实爱因斯坦的光量子论，从而奠定了现代光电科技的基础，现代生活中常见的太阳能板，能将太阳能转换为电能，即是应用了此效应。令h代表普朗克常数，e代表一个电子电量。
(1)假设为光的频率，为光波长，c为光速，E为光量子能量，则下列表达式正确的是（ ）
A．B．C．D．
(2)为了测量普朗克常数h，同学设计了如图所示的实验电路图，其中电源 端为正极（填“a”或“b”）。
(3)若对同一金属实验，取某一入射光频率，并调节电源电压，当电路的光电流为 时，记录此时电压和对应频率的实验数据，然后改变入射光频率，重复以上步骤，得到多组数据。
(4)作出遏止电压U随入射光频率变化的图像，其斜率为k，可求得普朗克常数 。
12．十九世纪末，汤姆孙发现了电子，揭开了人类认识原子结构的序幕，从而认识到：原子是可以分割的，从而开始了对原子结构的研究和探索。直至今日，人类对微观领域的粒子的研究和探索从未停止。
（1） （填一科学家人名）利用油滴实验测定了元电荷的数值。
（2）反应堆中的“燃料”铀是一种天然放射性元素。将铀燃料放入铅做成的容器中，射线从容器小孔射出。当不同射线经过磁场时会形成图2的轨迹。请你由图判断射线带什么电？
（3）电子的质量约为，北京正负电子对撞机是我国第一台高能加速器，可以将电子动能加速到。按照牛顿力学，这个电子的速度是 m/s（保留两位有效数字）；
（4）你认为第（3）问中算出的速度值是否合理？ （请填涂与答案对应的字母选项：A．合理；B．不合理）请说明你的理由 ；
（5）用如图所示的装置可以测定分子速率。在小炉O中，金属银熔化并蒸发。银原子束通过小炉的圆孔逸出，经过狭缝S1和S2进入真空的圆筒C。圆筒C可绕过A点且垂直于纸面的轴以一定的角速度转动。从图中可判断，落点越靠近 处（请填涂与答案对应的字母选项：A．b处；B．e处）的银原子速率越大；
（6）在第（5）问的条件中，现测出圆筒C的直径为1m，转动的角速度为150πrad/s，银原子落在玻璃板G上的位置到b点的弧长为s，s 约为圆筒周长的，可估算银原子速率约为 m/s。
四、解答题
13．如图所示是铀核裂变的示意图．中子以速度轰击静止的铀235产生激发态的铀236，再裂变成两个中等质量的核、，图示的核反应释放的核能为，已知普朗克常量为，真空中的光速为．
（1）求激发态铀236的速度大小；
（2）写出核反应方程，并计算反应中的质量亏损；
（3）求核反应中产生频率为的光子能量和动量为的中子的德布罗意波波长。
14．镭（Ra）是历史上第一个被分离出来的放射性元素，已知能自发放出粒子而变成新核Rn，已知的质量，Rn的质量，粒子的质量。如图所示，一个静止的镭核在匀强磁场中发生衰变，衰变后两粒子运动平面与磁场垂直（涉及比值时，质量可取整数）求：
（1）粒子与Rn核在磁场中运动的半径之比和周期之比；
（2）衰变过程中放出的能量；
（3）粒子的动能。
15．在用铀235作燃料的核反应堆中，铀235核吸收一个慢中子后，可发生裂变反应，放出能量和快中子，而快中子不利于铀235的裂变。为了能使裂变反应继续下去，需要将反应中放出的快中子减速。有一种减速的方法是使用石墨（碳12）作减速剂，让铀核裂变所产生的快中子通过和碳核不断碰撞而被减速。假设中子与碳核的碰撞是完全弹性碰撞，并在碰撞前碳核是静止的，碰撞后中子和碳核的速度都跟碰撞前中子的速度沿同一直线。已知碳核的质量近似为中子质量的12倍，中子原来的能量为E0。
(1)铀235的裂变方程为U+n→Xe+Sr+xn，则x值为多少？若反应过程中放出的能量为△E，则反应前后的质量差△m为多少？
(2)经过一次碰撞后，中子的能量为多少？
(3)若经过n次碰撞后，一个动能为E0的快中子能减速成为能量为En的慢中子，请写出En与E0和n的关系式。
参考答案：
1．C
【详解】A．粒子散射实验的内容是：绝大多数粒子几乎不发生偏转；少数粒子发生了较大的角度偏转；极少数粒子发生了大角度偏转（偏转角度超过90°，有的甚至几乎达到180°，被反弹回来），故A错误；
B．照射光频率超过金属的极限频率，就会发生光电效应，所以无论锌板带不带电，在弧光灯照射下，都会发生光电效应，故B错误；
C．在射线经过的空间施加磁场，射线分成三束，其中两束在磁场中向不同的方向偏转，说明这两束是带电粒子流，另一束在磁场中不偏转，说明这一束不带电，故C正确；
D．图中的链式反应是重核裂变，太阳内部的反应为轻核聚变反应，故D错误。
故选C。
2．D
【详解】A．据题意可知，正负电子的能量转化为一对光子的能量，即
2mc2=2hν
一个光子的能量
单个光子的动量
故A错误；
B．根据质能方程可得
故B错误；
C．根据质量数守恒和电荷数守恒，15O人体内衰变的方程是
故C错误；
Ｄ．4.06min为2个半衰期，剩余15O为原来的四分之一，故D正确。
故选D。
3．C
【详解】对介子，根据洛伦兹力公式和向心力公式可得
可得介子的动量为
同理，可得介子的动量为
则介子、介子的动量大小之比为1∶2，故C正确，ABD错误。
故选C。
4．B
【详解】该核反应方程式为
反应中的质量亏损为
根据质能方程
代入数据得
该发电站一年产生的电能
代入数据求得
理论上该发电站一年需要的氘的质量
代入数据解得
故选B。
5．B
【详解】A．核反应方程遵循质量数守恒，正确方程应该为，故A错误；
B．聚变反应中的质量亏损为反应前的总质量与反应后总质量的差
故B正确；
C．据质能方程可知该核反应会释放出的能量
故C错误；
D．由
可得
故D错误。
故选B。
6．C
【详解】AB．X的质量数为1，电荷数为0，是中子，选项AB错误；
C．根据原子核比结合能与质量数的关系图可知
E1选项C正确；
D．一次该核反应释放的能量为
选项D错误。
故选C。
7．C
【详解】ABC．根据电荷数守恒、质量数守恒可得X的质量数为238-4=234，电荷数为92-2=90，核反应前U核静止，动量为零，根据动量守恒定律，反应前后动量守恒，则α粒子和X核的动量大小相等，方向相反，由
得
可得半径之比为电荷量的反比为45∶1，则轨迹1为X粒子的运动轨迹，由左手定则可判断出两个粒子的转动方向相同，都为顺时针方向，故C正确，AB错误；
D．有
两粒子动量相等，可得动能与质量数成反比，则α粒子、X粒子的动能之比为117∶2，故D错误。
故选C。
8．BC
【详解】A．核反应方程守核电荷数守恒和质量数守恒，两个核反应方程分别是
故是中子，选项A错误；
B．两个核反应都释放出了能量用于发电，故这两个核反应都一定有质量亏损，选项B正确；
C．比结合越大，原子核越牢固，故的比结合能大于的比结合能，但是由于的核子数较少，故的结合能小于的结合能，选项C正确；
D．要使链式反应发生，裂变物质的体积要大于它的临界体积，选项D错误。
故选BC。
9．AB
【详解】A、衰变发出的γ放射线是频率很大的电磁波，具有很强的穿透能力，不带电，故A正确；
B、根据电荷数守恒和质量数守恒得，X的电荷数为92，质量数为235，质子数为94﹣2＝92，则中子数为235﹣92＝143．故B正确；
C、半衰期具有统计规律，对大量的原子核适用，对800个原子核不适用，故C错误；
D、在衰变的过程中，根据质能方程知，有能量发出，有质量亏损，但质量数不变，故D错误．
10．BC
【详解】A．粒子在磁场中做圆周运动，洛伦兹力提供向心力，有
解得，粒子的轨道半径
根据半径公式则有
解得
故A错误；
B．粒子做圆周运动的周期
则环形电流
故B正确；
C．对α粒子，由洛伦兹力提供向心力，则有
解得
由质量关系可知，衰变后新核Y质量为
衰变过程系统动量守恒，由动量守恒定律得
解得
系统增加的能量为
由质能方程得
联立解得
故C正确；
D．由动量守恒可知，衰变后α粒子与新核Y运动方向相反，所以轨迹圆应外切，故D错误。
故选BC。
11．(1)AD
(2)b
(3)0
(4)ke
【详解】（1）根据
得
故选AD。
（2）[1]根据电路图，结合逸出电子受到电场阻力时，微安表示数才可能为零，因只有b点电势高于a点，才能实现微安表示数为零。所以电源b端为正极。
（3）[1]若对同一金属实验，取某一入射光频率，并调节电源电压，当电路的光电流为0时，记录此时电压和对应频率的实验数据，然后改变入射光频率，重复以上步骤，得到多组数据。
（4）[1]根据
得
则
12． 密立根 正 2.8×1010 B 按照牛顿力学得到的电子速度大于真空中的光速，接近光速时，牛顿力学不再适用 A 450
【详解】（1）[1]密立根利用油滴实验测定了元电荷的数值。
（2）[2]根据左手定则可知射线带正电。
（3）[3]根据动能定理得
按照牛顿力学，这个电子的速度是
（4）[4][5]速度值不合理，按照牛顿力学得到的电子速度大于真空中的光速，接近光速时，牛顿力学已不适用。
故选B。
（5）[6]圆筒C绕A点顺时针转动，银原子落在玻璃板G上时，银原子的位移相同，落点越靠近b点处所用时间越短，银原子速率越大。
故选A。
（6）[7]圆筒C转动的周期为
银原子落在玻璃板G上的位置到b点的弧长为s，则运动时间为
银原子速率约为
13．（1）；（2），，；（3），
【详解】（1）设中子的质量为，则激发态铀236的质量约为，由动量守恒定律可知
解得
（2）根据电荷数守恒和质量数守恒得核反应方程为
根据
可知，反应中的质量亏损为
（3）频率为的光子能量为
动量为的中子的德布罗意波波长为
14．（1）； ；（2）7.452MeV；（3）7.320MeV
【详解】（1）静止的镭核衰变时动量守恒，粒子与Rn核运动方向相反，因此均带正电，在磁场中所受洛伦兹力方向相反，偏转方向相反；又因粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，故两粒子的运动轨迹为两外切圆，由动量守恒知，
由
可得
可知
由周期公式
得
（2）衰变过程中的质量亏损
释放的能量
（3）由
及
得
所以粒子的动能为
15．(1)3，；(2)；(3)
【详解】(1)根据核反应方程满足质量数守恒，有
解得
x=3
根据爱因斯坦的质能方程，有
可得亏损质量为
(2)设中子的质量为m，碳核的质量为12m，中子与碳核碰撞过程中动量守恒和机械能守恒
解得
，
由于
，
所以
(3)第1次碰撞后
第2次碰撞后
第3次碰撞后
……
第n次碰撞后