高中物理沪科技版（2020）选修第三册粒子物理简介优秀学案及答案

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▉题型1 “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．
1．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．
2．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．
3．目前普遍认为，原子核中的质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的，u夸克带电荷量为+23e，d夸克带电荷量为−13e，e为元电荷。下列论断中可能正确的是（ ）
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2个d夸克组成
C．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
D．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
4．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E表示夸克间的势能，令E0＝F0（r2﹣r1），取无穷远为势能零点．下列E﹣r图示中正确的是（ ）
A．B．
C．D．
5．中子内有一个电荷量为+23e的上夸克和两个电荷量为−13e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1所示．图2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．
6．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
7．阴极射线中粒子的实质是（ ）
A．核外电子B．β粒子C．正电子D．光子
8．介子有两个夸克构成，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。
该物理现象可用下面的典型模型来描述如图所示：一个质量为M及动能为E的电子，与介子的一个质量为m1的夸克作弹性碰撞，介子里另一个夸克的质量为m2（m1≠m2），夸克间以一无质量的弹簧相连。碰撞前夸克处于静止状态，弹簧处于静止状态，弹簧处于自然长度L．所有运动都是一维的，忽略一切相对论效应。则碰撞后运动过程中夸克m2可能具有的动能为（ ）
A．Ek=Mm2m12(M+m1)2(m1+m2)2
B．Ek=16Mm2m12(M+m1)2(m1+m2)2E
C．Ek=18Mm2m12(M+m1)2(m1+m2)2E
D．Ek=4Mm1(M+m1)2E
（多选）9．已知π+、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u或反夸克d）组成的，质子、中子都是由三个夸克组成的，它们的带电量如下表所示，表中e为元电荷。
下列说法正确的是（ ）
A．π+由u和d组成
B．π﹣由d和u组成
C．质子由2个d和1个u组成
D．中子由2个d和1个u组成
（多选）10．关于黑体辐射的实验规律叙述正确的有（ ）
A．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加
B．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
C．黑体辐射的强度与波长无关
D．黑体辐射无任何实验规律
（多选）11．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u或反夸克d）组成的，它们的带电量如表所示，表中e为元电荷。
下列说法正确的是（ ）
A．π+由u和d组成B．π+由d和u组成
C．π﹣由u和d组成D．π﹣由d和u组成
（多选）12．研究物质结构是物理学的一个基本任务，下列关于物质结构的认识正确的是（ ）
A．电子的发现证实原子是可以再分的
B．天然放射现象的发现说明原子是可以再分的
C．α粒子散射实验否定了原子的葡萄干蛋糕模型
D．质子和中子是目前人类认识到的最小粒子
（多选）13．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
14．恒星的颜色与 密切有关，最冷的恒星（大约3200℃），在天空中呈现暗红色。表面温度5500℃的太阳发出白光。太空中最热的恒星（表面温度高于10000℃）则会呈现 色。
15．原子核是由 和 组成，原子核的电荷数就是核内的 数，原子核核内的核子数就是原子核的 数．
16．已经证实，质子、中子都是由“上夸克”和“下夸克”两种夸克组成的，上夸克带电为2e/3，下夸克带电为﹣e/3，e为电子所带电量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l＝1.5×10﹣15m，则质子中有两个 夸克，上夸克和下夸克之间的静电力大小为 N．（k＝9.0×109N•m2/C2，e＝1.6×10﹣19C）
17．已经证实质子、中子都是由上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为23e，下夸克带电为−13e，e为电子所带电荷量的大小，即质子所带电荷量。如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为L，三个夸克组成等边三角形。L＝1.5×10﹣15m，静电力常量K＝9.0×109Nm2/c2，e＝1.6×10﹣19c．试求：
①画出质子的三个夸克的组成图形，夸克用小圆圈表示，并在每个夸克旁标出该夸克所带电量；
②计算质子内每相邻两个夸克之间的静电力。
18．已经证实，质子、中子都是由上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为23e，下夸克带电为−13e，e为电子所带电量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l＝1.5×10﹣15m，试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力（库仑力）
19．一个质子由两个u夸克和一个d夸克组成。一个夸克的质量是7.1×10﹣30kg，求两个夸克相距1.0×10﹣16m时的万有引力。
20．最新研究表明，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，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．试在图中准确画出，左边一个−13e夸克，所受另外两个夸克粒子对其的静电作用力以及静电力的合力．（作图时，力矢量的相对关系要求准确）
题型1 “基本”粒子
π+
π﹣
u
d
u
d
带电量
+e
﹣e
+23e
−13e
−23e
+13e
π+
π﹣
u
d
u
d
带电量
+e
﹣e
+23e
−13e
−23e
+13e
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