学业分层测评(十五)
(建议用时：45分钟)
[学业达标]
1．(多选)关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是 ( )
A．许多粒子都有自己的反粒子
B．把粒子分为强子、轻子、媒介子，根据是粒子与各种相互作用的关系
C．质子属于强子
D．τ子的质量比核子的质量大，因此它属于强子
【解析】根据粒子的分类、粒子与反粒子描述知A、B、C正确；光子属媒介子，τ子属于轻子．
【答案】ABC
2．下列说法中正确的是( )
A．自然界存在的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对基本粒子不适用
B．反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象
C．强子是参与强相互作用的粒子，电子是最早发现的强子
D．强子都是带电的粒子
【解析】反粒子带等量异种电荷，反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象，故B正确．质子是最早发现的强子，故C错误．有的强子带电，有的强子不带电，D错误．
【答案】B
3．太阳放出的大量中微子向地球飞来，科学家发现中微子在向地球传播的过程中衰变为一个μ子和一个τ子，若在衰变中发现μ子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．可能与μ子反方向
C．不一定与μ子在同一条直线上
D．可能与μ子的方向垂直
【解析】在衰变中动量守恒，发现μ子速度方向与中微子原来的方向一致，则τ子的运动方向一定与μ子在同一条直线上，可能与μ子同方向也可能与μ子反方向．
【答案】B
4．(多选)下列所述正确的是( )
A．轻子是不参与强相互作用的粒子
B．目前发现的轻子只有8种
C．夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的＋或－
D．光子是传递弱相互作用的粒子
【解析】由三类粒子的特性可知A正确，D错误；而目前发现的轻子只有6种，B错误；夸克模型经过几十年的发展，已知夸克有6种，它们带的电荷分别为元电荷的＋或－，C正确．
【答案】AC
5．(多选)下列说法中正确的是( )
A．夸克模型说明电子电荷量是最小的电荷单元
B．目前已经发现了自由态的夸克
C．目前发现的夸克有6种
D．每种夸克都有对应的反夸克
【解析】夸克模型指出目前发现了6种夸克，每种夸克都有对应的反夸克，所以C、D正确；夸克所带电荷量小于电子电荷量，但还没有发现自由态的夸克，这就是夸克的“禁闭”，所以A、B错．
【答案】CD
6．目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成．u夸克带电荷量为e，d夸克带电荷量为－e，e为元电荷．下列论断可能正确的是( )
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
【解析】质子带一个单位的正电荷，所以质子由2个u夸克和1个d夸克组成；中子不带电，所以中子由1个u夸克和2个d夸克组成．故选B.
【答案】B
7．“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，但电荷符号相反，则反氢原子是由1个带负电荷的________和1个带正电荷的________构成．
【解析】根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同质量，但带有等量的异种电荷．因此反氢原子是由H核和e构成的．
【答案】反质子正电子
8．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
＋
－
－
＋
由此可知π＋由________和________组成，π－由________和________组成．
【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＋介子就是由夸克u和反夸克组成的；同理，π－介子由夸克d和反夸克组成．
【答案】ud
9．太阳不断地向外辐射能量，仍保持1千万度以上的高温，其主要原因是太阳内部进行着剧烈地 ( )
A．衰变反应 B．人工核反应
C．裂变反应 D．热核反应
【解析】太阳的内部时刻都在进行着氢核的聚变，即热核反应，故选项D正确．
【答案】D
[能力提升]
10．恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到108 K时，可以发生“氦燃烧”．
(1)完成“氦燃烧”的核反应方程：He＋________―→Be＋γ.
(2)Be是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6×10－16 s．一定质量的Be，经7.8×10－16 s后所剩Be占开始时的________．
【解析】(1)根据核反应方程和电荷数、质量数守恒可知，He＋He→Be＋γ.
(2)Be的半衰期为2.6×10－16 s，经过7.8×10－16 s后，也就是经过3个半衰期后剩余的质量为m′＝nm＝3m，所剩Be占开始时的.
【答案】(1)He(2)或12.5%
11．K－介子衰变的方程为K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子所带负电的电荷量为元电荷，π0介子不带电．如图4-4-1所示的1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，它的半径RK－与Rπ－之比为2∶1，π0介子的轨迹未画出，由此可知，π－的动量大小与π0的动量大小之比为________．
图4-4-1
【解析】根据洛伦兹力提供向心力知，qvB＝mv2/R，故有p＝mv＝qBR，所以K－与π－的动量大小之比为2∶1，规定K－的方向为正方向，由动量守恒定律得：pK－＝－pπ－＋pπ0，所以pπ0＝3pπ－.
【答案】1∶3
12．在天体演变过程中，红色巨星发生“超新星爆炸”后，可以形成中子星(电子被迫同原子核中的质子结合而形成中子)，中子星具有极高的密度．若已知某中子星的密度为1017 kg/m3，该中子星的卫星绕它做圆轨道运动，试求该中子星的卫星运行的最小周期．(引力常量G＝6.67×10－11 N·m2/kg2)
【解析】设中子星的卫星圆轨道半径为R，质量为m，由万有引力提供向心力，可得＝mω2R＝.
又当R＝r(中子星的半径)时，卫星运行周期最小，注意到M＝，由此可得Tmin＝1.2×10－3 s.
【答案】1.2×10－3 s
4.4粒子物理与宇宙的起源
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道人类对“基本粒子”的认识过程，初步了解粒子物理学的发展．(重点)
2.理解夸克模型及夸克的种类，知道各种夸克的带电情况．(重点)
3.了解宇宙的演化过程和黑洞，知道现代宇宙大爆炸理论的观点．(重点)
粒 子 世 界
1．对粒子的认识过程
(1)“基本粒子”：知道原子核的组成之后，人们以为电子、质子、中子等是组成物质的最基本的粒子．
(2)新粒子的发现
①1912年，赫斯证实有射线从宇宙空间射来，之后，许多物理学家对宇宙射线研究发现了一些新粒子．
②人们用高能加速器实验，发现了更多的新粒子，如1937年发现μ子，1947年发现了k介子和π介子，此后又发现了子，现在已发现的粒子总数达400多种．
2．夸克模型
(1)夸克：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)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；上夸克、下夸克带的电荷量分别为元电荷的＋e或－e.
(3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷，但人们还无法获得自由的夸克．
3．粒子的类型
(1)强子：参与强相互作用，包括质子、中子、介子和超子．
(2)轻子：不参与强相互作用，包括电子、μ子、τ子以及与之相联系的三种中微子．
(3)传递相互作用的粒子：包括传递电磁作用的光子、传递弱相互作用的中间玻色子W±、Z0，以及传递强相互作用的胶子．
4．加速器和粒子物理：粒子物理学研究的工具是高能加速器和粒子探测器．高能加速器是指能使粒子能量达到3×109 eV以上的加速器．
1．质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×)
2．质子和反质子的电量相同，电性相反．(√)
3．按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元．(√)
1．为什么说基本粒子不基本？
【提示】一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的．
2．什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子吗？
【提示】实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子．按照粒子的对称性，有一个粒子，就应该有一个反粒子．
1．新粒子的发现及特点
发现时间
1932年
1937年
1947年
20世纪60年代后
新粒子
反粒子
μ子
K介子与π介子
超子
基本特点
质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反
比质子的质量小
质量介于电子与核子之间
其质量比质子大
2.粒子的分类
分类
参与的相互作用
发现的粒子
备注
中/华-资*源%库强子
参与强相互作用
质子、中子、介子、超子
强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子
中/华-资*源%库轻子
不参与强相互作用
电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子
未发现内部结构
介媒子
传递各种相互作用
光子、中间玻色子、胶子
光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
3.两点提醒
(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子．
(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．
4．加速器的种类有：(1)回旋加速器，(2)直线加速器，(3)对撞机．
1．关于粒子，下列说法正确的是( )
A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B．所有的强子都是带电的
C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
【解析】由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋e和－，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确．
【答案】D
2．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中H的核反应，间接地证实了中微子的存在．
(1)中微子与水中的H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即中微子＋H―→n＋e.
可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．(填写选项前的字母)
A．0和0 B．0和1
C．1和0 D．1和1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即e＋e―→2γ.已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量约为______J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是________．
(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小．
【解析】(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，A正确．
(2)产生的能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2，故一个光子的能量为，代入数据得＝8.2×10－14 J．正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律．
(3)物质波的波长为λ＝，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即p＝，因为mn>me，所以pn>pe，故λn<λe.
【答案】见解析
处理新粒子问题的方法
核反应过程中新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律，所以应熟练地掌握物理知识和物理规律，并灵活应用．
宇 宙 和 恒 星 的 演 化
1．宇宙的演化
宇宙是由一个超高温、超高密度的“原始火球”发生大爆炸而开始形成的．大爆炸之后随温度的降低，宇宙物质从密到疏，逐渐形成气态物质、气云、恒星体系，成为今天的宇宙天体．
2．恒星的演化
(1)形成：大量星际物质逐渐凝聚成星云，大块星云在引力作用下逐渐凝成原恒星．
(2)演化
①原恒星收缩，温度升高达7×106 K时，开始氢聚变成氦的热核反应，产生的斥力与引力达到平衡，恒星进入相对稳定阶段，迄今90%的恒星处在该阶段，时间持续约100亿年左右．
②随着氢的减少，核反应的能量不足，星体又开始收缩、温度随之上升，温度达到1×108K时，发生“氦燃烧”形成碳，恒星演化为红巨星．
③恒星核能耗尽就进入末期，其形态有白矮星、中子星和黑洞．
1．目前，太阳内的热核反应主要是氢核聚变为氦核的反应．(√)
2．宇观世界和微观世界是彼此孤立的，没有任何相互联系．(×)
3．宇宙将一直会膨胀下去．(×)
物理学家把自然界的力归结为哪几种相互作用？
【提示】物理学家已经把自然界多得数不胜数的力，归结为强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用这四种作用．物理学家的进一步追求，就是把这四种各有特色的相互作用再综合在一个统一的理论体系中．
1．恒星的诞生
大爆炸10万年后，温度下降到3 000 K左右，开始了恒星的形成过程：宇宙尘埃更密集的尘埃气体状态的星云团恒星．
2．恒星的稳定期
当温度超过107 K时，氢通过热核反应成为氦，释放的核能主要以电磁波的形式向外辐射．辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡，这时星核稳定下来．恒星在这一阶段已停留了50亿年．太阳目前正处于这一阶段的中期，要再过50亿年才会转到另一个演化阶段．
3．恒星的衰老
当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下再次收缩．这时引力势能产生的热将使温度升得更高，于是发生了氦核聚合成碳核的聚变反应．类似的过程一波接一波地继续下去，出现了氧、硅，直到铁等更重的元素．恒星在这个阶段要经历多次膨胀与收缩，光度也发生周期性的变化．
当各种热核反应都不再发生时，由热核反应维持的辐射压力也消失了．星体在引力作用下进一步收缩，中心密度达到极大．
4．恒星的归宿
恒星最终归宿与恒星的质量大小有关：当恒星的质量小于1.4倍太阳质量时，演变为白矮星；当恒星的质量是太阳质量的1.4倍～2倍时，演变为中子星；当恒星的质量更大时，演变为黑洞．
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．电子 B．质子
C．轻子 D．中子
【解析】宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此C正确，A、B、D错误．
【答案】C
4．关于宇宙和恒星的演化，下列说法正确的是( )
A．宇宙已经停止演化
B．恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定
C．恒星最终都会演化为黑洞
D．恒星最终演化为中子星
【解析】目前宇宙的演化仍在进行，A错．恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定，B对．根据最终质量的不同恒星最终演化为白矮星或中子星或黑洞，C、D错．
【答案】B
5．已知从地球上的逃逸速度v＝，其中G、M、R分别为万有引力常量、地球的质量和半径 .已知G＝6.67×10－11 N·m2/kg2，光速c＝2.99×108 m/s，逃逸速度大于真空中的光速的天体叫黑洞，设黑洞的质量等于太阳的质量M＝1.98×1030 kg，求它可能的最大半径.
【解析】由题目所提供的信息可知，任何天体均存在其所对应的逃逸速度v2，对于黑洞来说，其逃逸速度大于真空中的光速，即v2>c，所以R<＝2.95 km，即太阳成为黑洞时的最大半径为2.95 km.
【答案】2.95 km
根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期.在大爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和胶子等粒子，随后经过强子时代、轻子时代、核合成时代.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.恒星最后的归宿有三种，它们是白矮星、中子星、黑洞.)
