高中物理教科版 (2019)选择性必修第三册5. 粒子物理发展概况优质学案设计

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▉题型1 宇宙的起源与恒星的演化
【知识点的认识】
一、宇宙起源（宇宙大爆炸理论）：
1.宇宙大爆炸理论是目前广泛接受的宇宙起源理论，它表明宇宙起源于一个极度热密的初始状态，然后经历了急剧膨胀。
2.这一理论解释了宇宙中各种天体的分布、宇宙背景辐射以及宇宙的演化历史。
3.它是由比利时天文学家乔治•勒梅特和美国天文学家埃德温•哈勃等人提出的。
二、恒星的演化：
1.恒星初级阶段：由星云向外辐射能量，所形成的的反向推力聚集而成，类似于水的冷凝。
2.恒星阶段：当初始星云，具备了向内运动的动力，并且聚集之后，突破星云物质分子、原子，释放大量热能的同时释放出十分巨大的空间。
3.恒星衰老之后的演变取决于恒星的质量：当质量足够大能够压破原子核，就能形成中子星；大到能够压迫中子就可能形成所谓的黑洞；当然恒星质量不足，最终无法进入下一个阶段，只能衰变为白矮星。
（多选）1．在研究宇宙发展演变的理论中，有一种学说叫做“宇宙膨胀说”：宇宙是由一个大爆炸的火球开始形成的，大爆炸后各星球以不同的速度向外运动，这种学说认为万有引力常量G在缓慢地减小．根据这一理论，在很久很久以前，太阳系中地球的公转情况与现在相比（ ）
A．公转半径R较大B．公转周期T较小
C．公转速率v较大D．公转角速度ω较小
【答案】BC
【解答】解：A、根据“宇宙膨胀说”，宇宙是由一个大爆炸的火球开始形成的，大爆炸后各星球即以不同的速度向外运动，这种学说认为地球离太阳的距离逐渐增加，即公转半径逐渐增大，故A错误。
B、研究地球绕太阳做匀速圆周运动，根据万有引力提供向心力，列出等式GMmr2=m4π2T2r
故T＝2πr3GM，这种学说认为万有引力常量G在缓慢地减小，所以T在增大，所以太阳系中地球的公转情况与现在相比公转周期T较小，故B正确。
C、研究地球绕太阳做匀速圆周运动，根据万有引力提供向心力，列出等式GMmr2=mv2r，故v=GMr，所以太阳系中地球的公转情况与现在相比公转速率v较大。故C正确。
D、研究地球绕太阳做匀速圆周运动，根据万有引力提供向心力，列出等式GMmr2=mω2r，故ω=GMr3，所以太阳系中地球的公转情况与现在相比公转角速度较大。故D错误。
故选：BC。
▉题型2 “基本”粒子
【知识点的认识】
1、基本粒子概念的发展
（1）古代对物质结构的猜想
我国夏朝：金、木、水、火、土五行学说
古希腊：水、火、土、空气组成物质
（德谟克利特）提出了原子论（公元前3世纪）
（2）近代对物质结构的认识
道尔顿的原子论：每一种元素都代表一种特定的原子，不同元素的原子的性质不同．
（3）现代对物质结构认识的飞跃
1911年，卢瑟福的原子核式结构模型﹣﹣原子由原子核和电子组成；
1932年，确认中子的存在﹣﹣原子核由中子和质子组成；（三种基本粒子）
1932年，安德森发现正电子；µ子、π介子和第一个奇异粒子被发现；
20世纪50年代以后，夸克的发现﹣﹣构成物质的基本粒子共有12种，包括6种轻子和6 种夸克．至目前，尚未发现这12种粒子有内部结构．
2、基本粒子的分类
（1）轻子
（2）夸克
（3）规范粒子
（4）Higgs粒子（未发现）
3．轻子
轻子﹣﹣不参与强相互作用的粒子．6种轻子按其发现的年代和性质，分为三代；轻子同一代之间才发生相互作用．
3.1、电子的发现
（1）电子是最早发现的基本粒子．1897年汤姆逊在测定阴极射线粒子荷质比时发现．
电子的静止质量为me=9.109534×10−31kg
电子带负电荷e＝1.60217733（49）×10﹣19c．
（2）正电子的发现
1928年，狄拉克从理论上预言了正电子的存在；
1932年安德森在宇宙射线中发现了正电子．
正电子的质量与电子相等．
正电子带与电子等量的正电荷．
3.2、μ子和τ子的发现
μ子有带负电的和带正电的两种，不参与强相互作用．质量比质子重207倍．μ 子和电子具有相同的性质，但不可能以一种简单的方式衰变成单个电子．
τ子是1975年在美国电子对撞机上发现的．它的质量比许多重子的质量还要大得多．带一个单位电荷．
3.3、中微子 ν
在研究β衰变时，对能量守恒定律产生怀疑时提出的．1931年，泡里认为，在β衰变过程中，同时发射了一个质量很小（质量为零或接近零）的中性粒子，后来费米将它称为中微子．这样，原子核β衰变过程中就保持了能量和动量守恒．例如，中子的衰变过程可表示为n→p+e−+νe ．
4．夸克
（1）强相互作用和强子
核子（中子和质子）间存在着很强的吸引力﹣﹣强相互作用．强相互作用的特点是：
①短程力（力程为10﹣15m）
很强（约为电磁力强度的100倍）
很快（作用时间约10﹣23s）
②与电荷无关
③具有饱和性．
2．如图所示，中子内有一个电荷量为+23e的上夸克和两个电荷量为−13e的下夸克，3个夸克都分布在半径为r的同一圆周上，则3个夸克在其圆心处产生的电场强度为（ ）
A．ker2B．ke3r2C．ke9r2D．2ke3r2
【答案】A
【解答】解：一个下夸克在圆心处产生的电场强度大小为E1=k13er2=ke3r2，两个电荷量为−13e的下夸克在圆心处产生的合场强大小为E2＝E1=ke3r2，方向沿A→O．电荷量为+23e的上夸克在圆心处产生的电场强度大小为E3=k23er2=2ke3r2，方向沿A→O，所以3个夸克在其圆心处产生的电场强度大小E＝E2+E3=ker2，方向沿A→O。
故选：A。
3．中子内有一个电荷量为+2e3的上夸克和两个电荷量为−e3的下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r的同一圆周上，如图所示．下图给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是（ ）
A．B．
C．D．
【答案】B
【解答】解：三个夸克都在半径为r的同一圆周，形成了等边三角形，
电荷量为−e3 的下夸克受到另一个电荷量为−e3 的下夸克的库仑斥力F1和电荷量为+2e3 的上夸克库仑引力F2。
根据库仑定律得：F1=12F2
根据力的合成得F1和F2的合力方向竖直向上，
据对称性另一个下夸克受静电作用力的方向也是竖直向上。故A、C、D错误，B正确。
故选：B。
4．目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的粒子组成．u夸克带电量为+23e，d夸克带电量为−13e，下列说法正确的是（ ）
A．质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
B．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成
C．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
D．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成
【答案】C
【解答】解：由质子带一个单位正电荷，中子不带电，设质子中u夸克、d夸克个数分别是x、y，x、y取正整数，则有：
x×23e+y×（−13e）＝1，
解得：x＝2、y＝1；
设中子中u夸克d夸克个数分别是m、n，m、n取正整数。
m×（23e）+n×（−13e）＝0，
解得：m＝1、n＝2，
故选：C。
5．质子和中子是由更基本的粒子即所谓“夸克”组成的．两个强作用电荷相反（类似于正负电荷）的夸克在距离很近时几乎没有相互作用（称为“渐近自由”）；在距离较远时，它们之间就会出现很强的引力（导致所谓“夸克禁闭”）．作为一个简单的模型，设这样的两夸克之间的相互作用力F与它们之间的距离r的关系为：F=0，0＜r＜r1−F0，r1≤r≤r20，r＞r2
式中F0为大于零的常量，负号表示引力．用U表示夸克间的势能，令U0＝F0（r2﹣r1），取无穷远为势能零点．下列U﹣r图示中正确的是（ ）
A．B．
C．D．
【答案】B
【解答】解：从无穷远处电势为零开始到r＝r2位置，由F的表达式可知，两夸克之间的相互作用力F＝0，则知势能恒定为零；
在r＝r2到r＝r1过程中，恒定引力做正功，势能逐渐均匀减小，即势能为负值且越来越小，此部分图象为A、B选项中所示；
r＜r1之后，F＝0，势能不变，恒定为﹣U0，由引力做功等于势能减少量，故U0＝F0（r2﹣r1）。故B正确。
故选：B。
（多选）6．美国费米国家加速器实验室于2008年8月宣布，在对撞实验中发现一种新型粒子﹣﹣欧米伽b重子，这是迄今为止物理学界发现的质量最大的重子．这一发现也证实夸克模型是成功的．
1961年，理论物理学家提出夸克模型，指出重子是由3个夸克组成的亚原子粒子．现代物理学认为，夸克共分6种3类：上夸克、下夸克；粲夸克、奇异夸克；顶夸克、底夸克（如下表）．质子由两个上夸克加一个下夸克组成，而中子的构成是两个下夸克加一个上夸克，因此人类目前所接触的物质都是由第一类夸克组成的．此次对撞实验发现的新型粒子是由2个奇异夸克和1个底夸克组成．这是物理学界首次发现由后两类夸克混合组成的重子．注：1G＝109
根据以上信息可以判定（ ）
A．欧米伽b重子的带电量为﹣e
B．欧米伽b重子的质量是质子质量的250倍
C．欧米伽b重子的质量是中子质量的250倍
D．质量单位GeV/c2可由质能方程E＝mc2得知1 GeV/c2＝1.78×10﹣27 kg
【答案】ACD
【解答】解：A、欧米伽b重子是由2个奇异夸克和1个底夸克组成；而一个奇异夸克带电量为−13e和1个底夸克带电量为−13e，
因此欧米伽b重子的带电量为−13e×2+(−13e)=−e，故A正确；
B、欧米伽b重子是由2个奇异夸克和1个底夸克组成；则一个奇异夸克质量为0.15GeV/c2和1个底夸克带电量为4.7 GeV/c2，
因此欧米伽b重子质量为5GeV/c2，而质子由两个上夸克加一个下夸克组成，则质子的质量为0.016GeV/c2，所以欧米伽b重子的质量是质子质量的312.5倍，故B错误；
C、欧米伽b重子是由2个奇异夸克和1个底夸克组成；则一个奇异夸克质量为0.15GeV/c2和1个底夸克带电量为4.7 GeV/c2，
因此欧米伽b重子质量为5GeV/c2，而中子由两个下夸克加一个上夸克，则质子的质量为0.02GeV/c2，所以欧米伽b重子的质量是质子质量的250倍，故C正确；
D、由质能方程E＝mc2得：m=Ec2，可知，质量单位GeV/c2．1 GeV＝109×1.6×10﹣19J＝1.6×10﹣10J，那么1 GeV/c2=1.6×10−10(3×108)2kg=1.78×10−27kg，故D正确；
故选：ACD。
7．介子由两个夸克构成，而夸克之间的相互作用相当复杂．研究介子可通过用高能电子与之作非弹性碰撞来进行．由于碰撞过程难于分析，为掌握其主要内涵，人们发展了一种简化了的“分粒子”模型．其主要内容为：电子只和介子的某部分（比如其中一个夸克）作弹性碰撞．碰撞后的夸克再经过介子内的相互作用把能量和动量传给整个介子．
“分粒子”模型可用下面的简化模型来阐述：一个电子质量为m1，动能为E0，与介子的一个夸克（质量m2）作弹性碰撞．介子里另一个夸克的质量为m3，夸克间以一根无质量弹簧相连．碰撞前夸克处于静止状态，弹簧处于自然长度．试求碰撞后：
（1）夸克m2所获得的动能；
（2）介子作为一个整体所具有的以弹簧弹性势能形式代表的介子的最大内能．
【答案】见试题解答内容
【解答】解：（1）电子m1与夸克m2作弹性碰撞，由动量守恒定律和能量守恒定律，得：
m1v0＝m1v1+m2v2
12m1v02=12m1v12+12m2v22
联立①②式，解得：v2=2m1(m1+m2)v0
又E0=12m1v02，E2=12m2v22
解得E2=4m1m2(m1+m2)2E0
（2）夸克m2与夸克m3相互作用，当二者共速时，弹簧弹性势能最大即介子内能Q最大．由动量守恒定律和能量守恒定律，得：
m2v2＝（m2+m3）v
12m2v22=Q+12(m2+m3)v2
联立⑤⑥式，解得：Q=4m1m2m3(m1+m2)2(m2+m3)E0
答：（1）夸克m2所获得的动能为4m1m2(m1+m2)2E0；
（2）介子的最大内能是4m1m2m3(m1+m2)2(m2+m3)E0．
题型1 宇宙的起源与恒星的演化
题型2 “基本”粒子
符号
中文名称
英文名称
带电量（e）
质量（GeV/c2）
u
上夸克
up
+2/3
0.004
d
下夸克
dwn
﹣1/3
0.008
c
粲夸克
charm
+2/3
1.5
s
奇异夸克
strange
﹣1/3
0.15
t
顶夸克
tp
+2/3
176
b
底夸克
bttm
﹣1/3
4.7