第五章　5　“基本”粒子 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修三

5　“基本”粒子
[学习目标]　
1.了解粒子的发现史。
2.知道粒子的分类及特点(重点)。
3.了解夸克模型。
一、发现新粒子　粒子的分类
1．“基本”粒子
(1)人们认为光子、电子、________和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”。
(2)随着科学的发展，科学家们发现很多新粒子不能看作由质子、________、电子组成，并发现________、中子等本身也有自己的复杂的结构。
2．发现新粒子
(1)1932年发现了________，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子，后来发现了超子等。
(2)实验中发现，存在着这样一类粒子，它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这些粒子叫作________。
3．粒子的分类
(1)强子：是________(填“参与”或“不参与”)强相互作用的粒子。________和________都是强子。
(2)轻子：________(填“参与”或“不参与”)强相互作用。________、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子。
(3)规范玻色子：是________各种相互作用的粒子，如________、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子。
(4)希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发。
例1　为了探究宇宙起源，科学家将利用阿尔法磁谱仪(AMS)在太空中寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的。“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则反氢原子是(　　)
A．由1个带正电荷的质子和1个带负荷的电子构成
B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成
C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成
D．由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成
二、夸克与粒子物理标准模型
1．夸克、夸克模型：1964年，科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作________。
2．夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。
3．意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。
4．粒子物理标准模型是一整套关于________的理论。其中，________、________、____________和______________是组成物质的几类最基本的粒子。
例2　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，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷。
粒子 π＋ π－ u d
带电荷量 ＋e －e ＋ － － ＋
下列说法正确的是(　　)
A．π＋由u和组成 B．π＋由d和组成
C．π－由u和组成 D．π－由d和u组成
例3　质子和中子属于强子，强子是由更基本的粒子——夸克组成。根据夸克模型，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。它们的带电荷量分别为－或＋e，电荷量e为元电荷。已知一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。则下列说法正确的是(　　)
A．上夸克的电荷量为＋
B．上夸克的电荷量为－
C．下夸克的电荷量为＋
D．以上选项全部错误
例4　(2022·江苏沛县高二月考)太阳放出的大量中微子向地球飞来，但实验测定的数目只有理论的三分之一，后来科学家发现中微子在向地球传播过程中衰变成一个μ子和一个τ子。若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子原来的方向一致，则τ子的运动方向(　　)
A．一定与μ子同方向 B．一定与μ子反方向
C．一定与μ子在同一直线上 D．不一定与μ子在同一直线上
5　“基本”粒子
[学习目标]　1.了解粒子的发现史。2.知道粒子的分类及特点(重点)。3.了解夸克模型。
一、发现新粒子　粒子的分类
1．“基本”粒子
(1)人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”。
(2)随着科学的发展，科学家们发现很多新粒子不能看作由质子、中子、电子组成，并发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。
2．发现新粒子
(1)1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子，后来发现了超子等。
(2)实验中发现，存在着这样一类粒子，它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这些粒子叫作反粒子。
3．粒子的分类
(1)强子：是参与(填“参与”或“不参与”)强相互作用的粒子。质子和中子都是强子。
(2)轻子：不参与(填“参与”或“不参与”)强相互作用。电子、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子。
(3)规范玻色子：是传递各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子。
(4)希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发。
例1　为了探究宇宙起源，科学家将利用阿尔法磁谱仪(AMS)在太空中寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的。“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则反氢原子是(　　)
A．由1个带正电荷的质子和1个带负荷的电子构成
B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成
C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成
D．由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成
答案　B
解析　反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成。故选B。
二、夸克与粒子物理标准模型
1．夸克、夸克模型：1964年，科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克。
2．夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。
3．意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。
4．粒子物理标准模型是一整套关于粒子的理论。其中，夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子。
例2　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，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷。
粒子 π＋ π－ u d
带电荷量 ＋e －e ＋ － － ＋
下列说法正确的是(　　)
A．π＋由u和组成 B．π＋由d和组成
C．π－由u和组成 D．π－由d和u组成
答案　A
解析　因π＋介子带有＋e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u带＋e和反夸克带＋e合成电荷量为＋e，那么π＋介子是由夸克u和反夸克组成的；同理，
π－介子由夸克d和反夸克组成，所以A正确，B、C、D错误。
例3　质子和中子属于强子，强子是由更基本的粒子——夸克组成。根据夸克模型，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。它们的带电荷量分别为－或＋e，电荷量e为元电荷。已知一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。则下列说法正确的是(　　)
A．上夸克的电荷量为＋
B．上夸克的电荷量为－
C．下夸克的电荷量为＋
D．以上选项全部错误
答案　A
解析　根据质子带电荷量为＋e和中子不带电，设上、下夸克的电荷量分别为q1、q2，则有2q1＋q2＝＋e，q1＋2q2＝0，解得q1＝＋e，q2＝－，故选A。
例4　(2022·江苏沛县高二月考)太阳放出的大量中微子向地球飞来，但实验测定的数目只有理论的三分之一，后来科学家发现中微子在向地球传播过程中衰变成一个μ子和一个τ子。若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子原来的方向一致，则τ子的运动方向(　　)
A．一定与μ子同方向
B．一定与μ子反方向
C．一定与μ子在同一直线上
D．不一定与μ子在同一直线上
答案　C
解析　根据题中给出的信息，中微子在衰变过程中分裂为μ子和τ子，符合动量守恒定律，mv0＝mμvμ＋mτvτ，因此mτvτ＝mv0－mμvμ，当μ子与中微子速度方向相同时，则τ子运动方向与μ子运动方向只能是同向或反向，即在同一直线上，但由于不知道中微子和μ子的动量大小，因此具体方向无法判断，所以A、B、D错误，C正确。