粤教版选修(3-5)4.7 小粒子与大宇宙 学案

4.7 小粒子与大宇宙 学案
【学习目标】
(1)初步了解恒星的演化．
(2)初步了解粒子物理学的知识．
【学习重点】
宇宙演化过程的理解
【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．
说明：对微观粒子分类如下表所示：
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备 注
强子 强相互作用 质子、中子、介子、超子 质子是最早发现的强子强子有内部结构
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子μ子中微子、т子、т子中微子 无内部结构
媒介子 各种相互作用 光子、玻色子、胶子 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．
三、统一场论
物理学向微观和宇观两个领域的研究今天得到了初步统一，物理学完整、和谐美在这里又得到了充：分体现．“物理学中研究最大和最小对象的两个分支…宇宙学和粒子物理学就奇妙地衔接在一起，犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴．”
【典型例题】
例：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（反夸克或反夸克）组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷。
π+ π- u d
带电量 +e -e
下列说法正确的是（ ）
A．π+由u和组成
B．π+由和d组成
C．π-由u和组成
D．π-由和d组成
解析：根据各种粒子带电情况，π的带应为u和d（“+”或“-”）所以选“AD”
归纳：基本粒子不基本（列出框架图）
点评：逐步突现物质世界的微观与宏观的和谐统一。
【当堂反馈】
1、目前普遍认为，质子和中子都由被称为μ夸克和d夸克的两类夸克组成，μ夸克带电量为2e/3，d夸克带电量为-e/3，e为元电荷，则下列论断可能的是（ ）
A．质子由1个μ夸克和1个d夸克组成，中子由1个μ夸克和2个d夸克组成
B．质子由2个μ夸克和1个d夸克组成，中子由1个μ夸克和2个d夸克组成
C．质子由1个μ夸克和2个d夸克组成，中子由2个μ夸克和1个d夸克组成
D．质子由2个μ夸克和1个d夸克组成，中子由1个μ夸克和1个d夸克组成
2、介子衰变方程为：→π-+πo其中介子和π-介子带负的基元电荷，πo介子不带电，如图所示，一个介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧Ap，衰变后产生的π-介子的轨迹为圆弧pB,两轨迹在p点相切，它们半径Rk-与Rπ-之比为2：1（πo介子的轨迹未画出）由此可知π-的动量大小与πo的动量大小之比为（ ）
A．1：1 B．1：2 C．1：3 D．1：6
【参考答案】
1、B 2、C
【本章达标训练】
1．铀裂变的产物之一氪90（Kr）是不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的锆90（Zr），这些衰变是（ ）
A.1次α衰变，6次β衰变。 B.4次β衰变。
C.2次α衰变。 D.2次α衰变，2次β衰变。
2．图中P为放在匀强电场中的天然放射源，其放出的射线在电场的作用下分成a、b、c三束，以下判断正确的是（ ）
A.a为α射线，b为β射线。 B.a为β射线，b为α射线。?
C.b为γ射线，c为α射线。 D.b为α射线，c为γ射线。
3．关于α、β、γ三种射线，下列说法中正确的是（ ）
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．有三个核反应方程分别是：(1) H+H→He+n。(2)Ra→Rn+He。
(3)U+n→Xe+Sr+10n。它们的核反应类型分别是；（ ）
A．裂变、衰变、人工转变。?B．聚变、衰变、裂变?。
C．聚变、衰变、人工转变。?D．人工转变、衰变、裂变。?
5．下列关于重要的物理史实的说法中正确的是（　 ）
A．卢瑟福在用粒子轰击金箔的实验中发现了质子，
B．爱因斯坦为解释光电效应的实验规律提出了光子说，
C．查德威克在用粒子轰击铍核的实验中发现了中子，
D．居里夫人首先发现了天然放射现象。
6．下列叙述中符合物理学史的是 （ ）
A．汤姆生发现了电子，提出了原子的核式结构学说。
B．贝克勒尔通过对天然放射性的研究，发现了放射性元素钋（Pa）和镭（Ra）。
C．麦克斯韦提出了光的电磁说。
D．爱因斯坦首先发现了光电效应现象。
7．牛顿为了说明光的性质，提出了光的微粒说，如今，人们对光的性质已有了进一步的认识，下列四个示意图所表示的实验，能说明光性质的是（ ）
A
8、如图所示是查得威克发现中子的实验装置示意图，图中粒子X代表的是__________粒子，粒子X轰击铍核的核反应方程是__________________。
9、核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘（又叫重氢）和氚（又叫超重氢）聚合成氦，并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u，1u＝1.66×10-27kg。
（1）写出氘和氚聚合的反应方程。
（2）试计算这个核反应释放出来的能量
（3）若建一座功率为3.0×105kw的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量？（一年按3.2×107s计算，光速c＝3.00×108m/s，结果取二位有效数字）
10、静止在匀强磁场中的核俘获一个速度为v0=7.7×104m/s的中子发生核反应。若已知的速度为m/s，其方向与反应前中子的速度方向相同。求
（1）的速度多大？
（2）求出轨道半径之比。
（3）当粒子旋转3周时，粒子旋转几周？
【达标训练参考答案】
1．B　2．C　3．C　　4．B　　5．BC　 6．C 7．BC
8.a粒子
9．
（3）设每年需核能为E总，发电量为E
则E＝Pt
每年消耗氘：
10．[解析]（1）中子撞击锂核生成氘核和氦核过程中动量守恒，代入数据解得，方向与v0相同。
（2）氘核、氦核在磁场中做匀速圆周运动的半径之比为
（3）氘核、氦核做圆周运动的周期之比为所以它们旋转的周数之比为当氦核旋转3周时，氘核旋转2周。
[点评] 中子撞击锂核生成氘核和氦核过程中动量守恒，注意生成的核在磁场中运动的情景。
【反思】
收获
疑问