高中物理人教版物理选修3-5练习 第十九章　8　粒子和宇宙 Word版含解析

8　粒子和宇宙
基础巩固
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.光子属于轻子
解析:光子属于媒介子,τ子属于轻子。
答案:ABC
2.(多选)下列所述正确的是(　　)
A.原子是组成物质的不可再分的最小微粒
B.原子是最大的微粒
C.原子由原子核和核外电子构成,质子和中子组成了原子核
D.质子、中子本身也是复合粒子,它们也有着自己复杂的结构
解析:质子、中子本身也是复合粒子。由此可知,质子、中子不是构成物质的最小微粒。故只有选项C、D正确。
答案:CD
3.下列说法正确的是(　　)
A.太阳是宇宙的中心
B.太阳系中只存在太阳和它的八大行星
C.太阳系是由太阳和若干行星以及它们的卫星还有彗星组成的
D.以上说法都正确
解析:太阳系中以太阳为中心,有八大行星绕太阳运行,有的行星还有卫星,此外还有2 000多颗比较小的小行星和彗星等,所以叙述较完整的是C项。通常我们所说的八大行星是指太阳系中较大的几颗行星,太阳系的组成中还有小行星和彗星。
答案:C
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年年初和年底,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.由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
B.由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成
C.由一个不带电的中子与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负电荷的电子构成
解析:反氢原子的结构应该是由反质子与反电子组成,即由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成。
答案:B
5.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.强子都是带电的粒子
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+
2
3
??和?
??
3
,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
6.如图所示,中子内有一个电荷量为+
2
3
??的上夸克和两个电荷量为?
1
3
??的下夸克,这一简单模型是三个夸克都在半径为??的同一圆周上,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(　　)
/
/
答案:B
7.“反物质”就是由“反粒子”构成的物质,“反粒子”和其相应的“正粒子”具有相同的电荷量和相同的质量,但电荷的符号相反。据此:
(1)若有反α粒子,则它的质量数为　　　　,电荷数为　　　　。?
(2)一对正、负电子相遇发生了湮灭,转化为一对频率相同的光子。已知电子的质量为me=9.1×10-31 kg,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,则这两个光子的频率约为　　　　 Hz。(保留两位有效数字)?
解析:(1)反α粒子即
?
-2
　4
He,质量数为4,电荷数为-2。
(2)设正、负电子湮灭产生的光子的频率为ν,由爱因斯坦质能方程E=mc2知,当一对正、负电子湮灭时有2hν=2mec2,则ν=
??
e
??
2
?
,代入数据得ν≈1.2×1020 Hz。
答案:(1)4　-2　(2)1.2×1020
8.下图为恒星的寿命与其质量的关系图。由图可知,恒星的质量越大,其寿命越　　　　(选填“长”或“短”);若一恒星的质量为太阳质量的1.8倍,则它的寿命约为　　　　×109年。?
/
解析:由题图看出,恒星的质量与太阳质量的比值越大,恒星寿命越短,而太阳的质量作为定值,则知恒星的质量越大,寿命越短。当图像中横坐标为1时,此恒星即为太阳,由题图读出太阳的寿命约为10×109年。恒星的质量为太阳质量的1.8倍,恒星对应纵轴的数值是3×109年。
答案:短　3
能力提升
1.根据宇宙大爆炸理论,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、胶子、轻子等 　　B.质子和中子等
C.光子、中微子和电子等 　　D.氢核、氘核、氦核等
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,并形成氦核的核时代,之后电子和质子复合成氢原子,最后形成恒星和星系,B、C、D的产生都在A之后,因此A正确。
答案:A
2.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.强子是参与强相互作用的粒子
B.轻子是不参与强相互作用的粒子
C.媒介子是传递相互作用的粒子
D.夸克是最小的粒子
答案:ABC
3.(多选)加拿大萨德伯里中微子观测站的研究揭示了中微子失踪之谜,即观察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(速度很大)转化为一个μ子和一个τ子,对上述转化过程有以下说法,其中正确的是 (　　)
A.牛顿运动定律依然适用
B.动量守恒定律依然适用
C.若发现μ子和中微子的运动方向一致,则τ子的运动方向也可能与中微子的运动方向一致
D.若发现μ子和中微子的运动方向相反,则τ子的运动方向也可能与中微子的运动方向相反
解析:中微子发生裂变过程中,动量是守恒的,由m中v中=mμvμ+mτvτ知:当v中方向与vμ方向相同时,vτ方向与v中方向可能相同,也可能相反;当v中方向与vμ方向相反时,vτ方向与v中方向一定相同,且该过程是微观粒子间的作用,故牛顿运动定律不适用。
答案:BC
4.恒星的前身是(　　)
A.宇宙的微粒 B.星团
C.行星 D.星云团
答案:D
5.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,背离我们的运动速度(称为退行速度)越大,也就是宇宙在膨胀。不同星体的退行速度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即以不同的速度向外匀速运动,并设想我们就位于其中心,则速度越大的星体离我们就越远,这一结果与上述天文观测一致。
由上述理论和天文观测结果,可估算宇宙年龄T,其计算公式为T=　　　　　,根据近期观测,哈勃常数H=3×10-2 米/(秒·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　　　年。?
解析:宇宙的年龄可认为就是宇宙膨胀的时间,设离我们最远的星体离我们距离为r,则该星体的“退行”时间(膨胀时间)即为宇宙的年龄T=
??
??
=
??
????
=
1
??
。而H=3×10-2 米/(秒·光年)=10-10年-1。所以,T=1010年。
答案:
1
??
　
10
10
6.★太阳现在正处于主序星演化阶段。它主要是由电子和
?
1
1
H
、
2
4
He等原子核组成的。维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应,核反应方程式是
2
-1
　0
e+
4
1
1
H→
2
4
He+释放的核能,这些核能最后转化为辐射能。根据目前关于恒星演化的理论,若由于核聚变反应而使太阳中的原子核数目从现有数目减少10%,太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段。为了简化,假定目前太阳全部由电子和
?
1
1
H组成。
(1)已知质子质量mp=1.672 6×10-27 kg
,
2
4
He的质量??α=6.645 8×
10
?27
kg,电子质量??e=0.9×
10
?30
kg,光速??=3.0×
10
8
m/s。求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能;
(2)又知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上,每秒通过的太阳辐射能W=1.35×103 W/m2,太阳质量 m=2×1030 kg,日地中心距离r=1.5×1011 m。试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命(估算结果只保留一位有效数字)。
解析:(1)根据质能方程,发生一次核聚变反应释放的能量为
ΔE=(4mp+2me-mα)c2≈4.2×10-12 J。①
(2)根据题给的假定,在太阳继续保持在主序星阶段的时间内,发生题中所述的核聚变反应的次数为N=
??
4
??
p
×10%②
因此太阳总共辐射的能量为E=N·ΔE③
太阳辐射是各向同性的,则每秒太阳向外放出的辐射能为E0=4πr2W④
所以太阳继续保持在主序星阶段的时间为t=
??
??
0
⑤
由①②③④⑤式得t=
0.1??×Δ??
4
??
p
×4π
??
2
??
代入数据得t=3.3×1017 s=1×1010年=100亿年。
答案:(1)4.2×10-12 J　(2)100亿年