课时作业20 粒子和宇宙
1．关于粒子，下列说法中正确的是( )
A．光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子
B．质量比核子大的粒子都参与强相互作用
C．强子、轻子、媒介子都由更基本的粒子夸克组成
D．许多粒子都存在反粒子
解析：质子、中子本身有复杂结构，A错误，τ子的质量比核子的质量大，但它属于轻子，不参与强相互作用，B错误；现代实验还没有发现轻子的内部结构，C错误。
答案：D
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u或反夸克d)组成的，它们的带电量如下表所示，表中e为元电荷。
π＋
π－
u
d
带电量
＋e
－e
＋e
－e
－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和组成
解析：根据电荷量关系可知，由于π＋介子带有＋e的电量，又由于π＋介子是由u夸克和d夸克组成，根据题意可知π＋介子(＋e)应由一个u夸克和反d夸克合成，同理π－介子由d夸克和反u夸克构成。
答案：A、D
3．根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )
A．夸克、轻子、胶子等粒子
B．质子和中子等强子
C．光子、中微子和电子等轻子
D．氦核、氚核、氦子等轻核
答案：A
4．正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电荷量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质。1997年，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子。这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是( )
A．一个带正电荷的质子和一个带负电荷的电子构成
B．一个带负电荷的质子和一个带正电荷的中子构成
C．由一个不带电荷的中子和一个带负电荷的电子构成
D．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成
解析：氢原子由质子和电子组成，它们的反粒子分别是反质子和正电子，D正确。
答案：D
5．宇宙诞生过程中，产生如下粒子：①光子、中微子、电子等大量轻子；②氘核、氚核、氦3、氦核等轻核；③夸克、轻子、胶子等粒子；④质子和中子等强子；⑤电子、质子、氦核的混合电离气体；⑥电子、质子复合成为中性氢原子。
根据宇宙大爆炸理论，以上粒子形成的先后顺序是( )
A．①②③④⑤⑥ B．③①④②⑤⑥
C．③④①②⑤⑥ D．①③④②⑥⑤
解析：根据大爆炸理论，宇宙形成之初是粒子家族，其后产生了夸克、轻子、胶子等粒子，然后按强子时代、轻子时代、核合成时代、混合电离气体、中性氢原子的顺序演化，故C正确。
答案：C
6．2002年，美国《科学》杂志评出的“2001年世界十大科技突破”中，有一个是加拿大萨德伯里中微子观测站的结果，该站揭示了中微子失踪的原因，即观测到的中微子数目比理论值少是因为部分中微子在运动过程中转化为一个μ子和一个τ子。在上述研究中有以下说法：
①若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向一定相反
②若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能一致
③若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向一定一致
④若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能相反
其中正确的是( )
A．①③ B．②③
C．③④ D．①②
解析：中微子转化过程中动量守恒，pν＝pμ＋pτ，若pμ、pν同向，且pμ
0，否则pτ<0，②正确；若pμ、pν反向，则pτ>0，③正确。
答案：B
7.中子内有一个电荷量为＋e的上夸克和两个电荷量为－e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20－1所示。下面给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是( )
图20－1
解析：本题考查的是库仑力的大小方向及力的合成，明确每个夸克皆受两个力的作用。电荷量为＋e的上夸克受两个下夸克的吸引力，合力的方向一定向下，对其中一个夸克，受力如右图所示，由于F1的水平分力与F2大小相等，方向相反，故F1与F2的合力竖直向上。
答案：B
8．现在，科学家们正在设法寻找“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数，但电荷的符号相反。据此，若有反α粒子，则它的质量数为______，电荷数为________。
解析：由于“正α粒子”为He，质量数为4，电荷数为2，根据题中对“反粒子”的定义，反α粒子，质量数也为4，而电荷数则应为－2。
答案：4 －2
9．已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为e，下夸克带电为－e，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＝1.5×10－15 m。试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力(库仑力)。
解析：质子带电为＋e，所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的。按题意，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为
Fuu＝k＝k。
代入数值，得Fuu＝46 N，为斥力。
上夸克与下夸克之间的静电力为
Fud＝k＝k。
代入数值，得Fud＝23 N，为吸力。
答案：上夸克间静电力F＝46 N，为斥力。
上、下夸克间静电力F′＝23 N，为吸力。
10.K－介子衰变的方程为K－―→π－＋π0，其中K－介子和π－介子带负的基元电荷，π0介子不带电。一个K－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，它们的半径RK－与Rπ－之比为2?1，如图20－2所示，π0介子的轨迹未画出。由此可知π－介子的动量大小与π0介子的动量大小之比是多少？
图20－2
解析：由题意及图示可知，K－介子在P点处动量方向向下，衰变后生成的π－介子动量方向向上。由在匀强磁场中带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动的半径公式R＝知，在q、B相同的情况下，动量和半径成正比，所以|p|?|p|＝RK－?Rπ－＝2?1。若选向下方向为正，则由K－介子衰变过程中动量守恒，得|p|＝－|p|＋|p|，整理得|p|?|p|＝1?3。
答案：1?3
11．天文观测表明，几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度背离我们而运动，离我们越远的星体，背离我们运动的速度(称为退行速度)越大；也就是说，宇宙在膨胀。为同星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比，即v＝Hr。式中H为一常量，称为哈勃常数，已由天文观察测定。为解释上述现象，有人提出一种理论，认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的。假设大爆炸后各星体以不同的速度向外匀速运动，并设想我们就位于其中心，则速度大的星体现在离我们越远。这一结果与上述天文观测一致。
(1)由上述理论和天文观测结果，可估算宇宙年龄T，其计算式是什么？
(2)根据观测，哈勃常数H＝3×10－2 m/s·光年，其中光年是光在一年中行进的距离，由此估算宇宙的年龄约为多少年？
解析：由于爆炸后各星体做的是匀速运动，令宇宙年龄为T，则星球现距我们的距离为r＝vT＝HrT，得：T＝。
T＝＝＝
＝年＝1×1010年。
答案：(1)T＝ (2)1×1010年
12．太阳内部的核聚变可以释放出大量的能量，这些能量以电磁辐射的形式向四面八方辐射出去，其总功率达P＝3.8×1026 W。
(1)估算一下太阳每秒钟损失的质量；
(2)设太阳内部的核反应都是4H―→He＋2e＋2νe＋25.8 MeV这种形式的反应(νe是中微子，其质量远小于电子质量，是穿透能力极强的中性粒子)，地日距离L＝1.5×1011 m，试估算每秒钟太阳垂直照射在地球表面上每平方米有多少中微子到达？
(3)假设原始太阳全部由质子和电子组成，并且只有10%的质子可供“燃烧”，试估算太阳的寿命。(太阳质量约为2.0×1030 kg，质子质量为1.67×10－27 kg)
解析：(1)太阳每秒钟放出的能量E＝Pt＝3.8×1026 J，由质能方程E＝mc2可得，
m＝＝ kg≈4.2×109 kg＝4.2×106 t。
(2)每秒钟聚变反应的次数
N＝＝次≈9.2×1037次，
每秒钟产生的中微子数N1＝2N＝1.84×1038个，
距太阳L＝1.5×1011 m的球面面积S＝4πL2＝4×3.14×(1.5×1011)2 m2＝2.826×1023 m2，设每平方米有N2个中微子，则N2＝＝个≈6.5×1014个。
(3)电子的质量远小于质子的质量，则能发生反应的质子总质量约为m1＝2.0×1030×10% kg，每次聚变反应用4个质子，则每秒钟用的质子数n＝4×9.2×1037个。
每个质子的质量m0＝1.67×10－27 kg，
太阳的寿命t＝＝ s≈3.25×1017 s≈103亿年。
答案：(1)4.2×106 t (2)6.5×1014个 (3)103亿年
课件29张PPT。1．了解有关新粒子的情况。
2．了解恒星及宇宙的演化情况。
过程与方法
在网上查阅关于粒子和宇宙的相关资料，丰富自己的课外知识。
情感、态度与价值观
培养探索宇宙、探索自然奥妙的情趣。1.许多粒子都存在着________等物理性质与它相同而________等其他性质相反的粒子，叫做反粒子。
2．按照粒子与各种相互作用的不同关系，可以将粒子分为三大类：________、轻子和________。
(1)强子是参与________相互作用的粒子。________是最早发现的强子；
(2)轻子是________强相互作用的粒子。最早发现的轻子是________。(3)________是传递各种相互作用的粒子，如光子等。
3．许多实验事实表明，强子是有________结构的，强子由________的成分组成，这种成分叫做夸克。夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷________电荷的最小单元，即存在________电荷。答案：
1．质量 电荷
2．强子 媒介子 (1)强 质子 (2)不参与 电子 (3)媒介子
3．内部 更基本 不再是 分数
知识点1 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，逐步发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们不是由质子、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。(1)新粒子的发现(2)粒子的分类
现在已经发现的粒子达400余种，可将其分为三大类：强子、轻子和媒介子。
①强子
强子是参与强相互作用的粒子。质子是最早发现的强子。强子又分为介子和重子两类，同时强子也有内部结构。
②轻子
轻子是不参与强相互作用的粒子。最早发现的轻子是电子，后来又发现了电子中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ子中微子。每种轻子都有对应的反粒子。③媒介子
媒介子是传播各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子、胶子。光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。
(3)夸克模型
①夸克的提出
1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的。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夸克所带电荷
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
【答案】B
【解析】题目中给出的信息是u夸克与d夸克的带电荷量，故应从质子带一个元电荷的电荷量、中子不带电的角度考虑。知识点2 宇宙和恒星的演化
(1)宇宙的演化
宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期。
①强子时代：大爆炸之后约10－44 s，温度为1032 K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子。约10－6 s后，温度为1013 K左右，夸克构成了质子和中子等强子。
②轻子时代：温度下降到1011 K时，只剩下少量夸克，大量自由的光子、中微子和电子存在。
③核合成时代：温度下降到109 K时，中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核等轻核。④温度降到104 K时，宇宙由电子、质子和氦核混合电离气体组成。当温度降到3 000 K时，电子与质子复合成中性的氢原子。继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系。(2)恒星的演化【例2】天文学家测得银河系中氦的含量约为25%。有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙诞生后3分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部的氢核聚变反应生成的。
(1)把氢核聚变反应简化为4个氢核( H)聚变成氦核( He)，同时放出2个正电子( e)和2个中微子(νe)，请写出该氢核聚变反应的方程，并计算一次反应释放的能量。(2)研究表明，银河系的年龄约为t＝3.8×1017 s，每秒钟银河系产生的能量约为1×1037 J(即P＝1×1037 J/s)。现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中氦的含量(最后结果保留一位有效数字)。
(3)根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断。
(可能用到的数据：银河系质量约为M＝3×1041 kg，原子质量单位1 u＝1.66×10－27 kg,1 u相当于1.5×10－10 J的能量，电子质量me＝0.000 5 u，氦核质量mα＝4.002 6 u，氢核质量mp＝1.007 8 u，中微子νe质量为零。)【答案】(1)4.14×10－12 J (2)2% (3)银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的。
【解析】(1)4 H→ He＋2e＋2νe，
Δm＝4mp－mα－2me，
ΔE＝Δmc2＝4.14×10－12 J。(3)由估算结果可知，k≈2%远小于25%的实际值，所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的。
1.粒子分类概览2.宇宙的演化过程
隐藏巨大奥秘的真空
真空：基本粒子的奇幻世界
理应“没有任何物质”的真空中却活跃着基本粒子！
什么是真空？是虚无，是宇宙……？在许多人的心目中，真空就是没有空气的空间。环顾四周，我们可以看到真空包装袋、暖水瓶的瓶胆、电灯泡等等，它们都是利用了真空的产品。其实，真空中隐藏着巨大的奥秘。在小到不能再小的微观世界，竟然可以从什么也没有的真空飞出许多基本粒子来。这样的基本粒子不计其数，而且它们急匆匆地一会儿生成，一会儿消失。真空，绝非我们想象中“静止”的，什么也没有的空间。相反地，真空是一种正在发生着激烈活动的场所，是不可思议的奇异环境。
要搞清楚真空是什么，就不得不涉及“物质的本质”和“宇宙如何演化”这两个难题。探索真空的本质属于现代科学的尖端课题。现在，就让我们踏上探索真空神秘本质的科学之旅吧！真空真的是“什么都没有”吗？
到真空环境中实地检测一下……，从“低压”真空到产生基本粒子的真空
通常，我们说宇宙空间是没有空气的真空。真空一词，字面意思就是“完全空”，“空无一物”，什么都没有，但是，实地检测一下航天飞机轨道附近的空间，却发现那里仍然存在着稀薄的空气。即使是真空包装袋和暖水瓶瓶胆夹层里面，也不是什么都没有。我们无论采用什么办法，都无法使我们所说的真空真的是“没有一点空气”。我们所说的真空，不过是“空气极其稀薄的空间”罢了。于是，我们就要懂得“空气稀薄”是什么意思。我们知道，空气主要由氧分子和氮分子组成，而且这些分子总是在不停地飞来飞去。譬如说，通常处在一个标准大气压下的空气，其中每立方厘米包含有1019个分子。也就是说，在一粒骰子大小的空间中就有1万亿的1000万倍那样多数不清的分子在其中飞来飞去。空气中分子的数量如此巨大，如果用所包含的分子数来表示空气是浓密还是稀薄，显然很不方便。通常，我们就用气压来表示空气的稀密程度。下面，我们来看什么是一个密闭容器里的气压。容器里飞来飞去的气体分子一直在频繁地撞击容器壁，其趋势是向外推挤容器壁。单个分子碰在器壁上产生的力自然是微不足道的，然而同时碰在器壁上的分子数目非常巨大，合起来就是很大的力，这种推力就是气压。气压的性质是，当温度和体积不变时，容器中的空气越稀薄，也就是说容器中气体分子的数越少，气压越低。在自然环境中，海拔越高的地方，气压越低。也就是说，越往高空去，便越接近“完全空”的真空。这样就产生一个问题：气压要下降到什么程度，我们才可以说那就是真空？按照工业标准的规定，真空绝不是“完全空”，而是一种“低于一个标准大气压的气体充满空间的状态”。由此可知，工业领域所说的真空，与我们平时想象中的“完全空”的真空相差十万八千里。