沪教版高中物理选修3-5 4.4粒子物理与宇宙的起源_学案1

粒子物理与宇宙的起源

学习目标 1．了解物质结构的层次及粒子物理学的发展简史；2．初步了解宇宙的暴胀和恒星的演化过程；3．初步理解宇观世界与微观世界的和谐统一。
学习重点 了解物质结构的层次及粒子物理学的发展简史；了解宇宙的暴胀和恒星的演化过程。
学习难点 了解物质结构的层次及粒子物理学的发展简史；了解宇宙的暴胀和恒星的演化过程。
学习过程
自主学习 一、物质结构的更深层次1．粒子世界（1）在19世纪末，人们认为________、_______和________是组成物质的不可再分的最基本的粒子。用这个观点成功地解释了各种原子核的一些性质和_____________的一些规律，原子核中放射出电子，使人们怀疑“基本粒子”是否还基本。（2）20世纪中叶，科学家通过高能加速器进行实验，发现了更多的新粒子，如________、__________、__________、Λ子。（3）参与强相互作用的粒子称为强子，像质子、中子、介子等，称为第一个粒子家族。2．夸克（1）质子、中子等强子有着自己复杂的结构，它们有更为基本的成分组成，科学家认为这种成分叫夸克。 到此为止已经知道了有六种夸克的存在，它们是：__________、_________、_____________、___________、_________和__________。（2）夸克所带的电荷为分数电荷，电荷为元电荷的________________（3）称为第二个粒子家族的是_________，如电子、μ子、τ子以及与它们相联系的中微子等；称为第三个粒子家族的是媒介子，传递相互作用的粒子，如光子、传递弱相互作用的________________以及传递强相互作用的___________。二、自然界两极的奇妙汇合1．暴胀的宇宙 宇宙起源于一次大爆炸，这种理论被称为宇宙___________理论。2．恒星的演化 恒星的最后归宿是：质量小于太阳10倍的恒星，它会演变成____________，即体积很小，质量不太小的恒星；质量大于太阳10倍的恒星，会演变成___________；更大质量的恒星，会演变成“__________”。3．小粒子与大宇宙 物理学的研究范围小到微观粒子，大到浩瀚的宇宙，1979年诺贝尔物理学奖得主格拉肖曾经非常形象地把大至宇观世界小至微观世界的“链条”比喻成一条咬住自己尾巴的大蛇，从尾到首依次对应于________、___________、__________、细胞、一直到超星系团、整个宇宙。4．自然界存在的四种作用是__________、__________、__________、__________。
合作探究 1．20世纪30年代以来，人们对宇宙线的研究中发现了一些新的粒子。 思考下面的问题： （1）从宇宙线中发现了哪些粒子？这些粒子有什么特点？ （2）通过科学核物理实验又发现了哪些粒子？ （3）什么是反粒子？ （4）现在可以将粒子分为哪几类？各自有什么特点？ 2．上述粒子是不是最小单位，有没有内部结构呢？ 现代科学认为夸克有哪几种？有什么特征？ 3．简单说明宇宙演化和恒星演化过程。“宇宙演化过程和恒星演化过程”： 宇宙大爆炸后，“粒子家族”（宇宙形成之初）： 10-44秒后，温度1032K，产生夸克、轻子、胶子等→10-6秒后温度1013K，夸克构成了质子和中子等（强子时代）→温度为1011K时，少量夸克，光子、大量中微子和电子存在（轻子时代）→温度109K时进入核合成时代→温度降到3000K时，电子与质子复合成氢原子→冷却，出现了宇宙尘埃密集尘埃→星云团开始发光→一颗恒星诞生。 恒星收缩升温→热核反应成氦→氢大部分聚变为氦→收缩→氦聚合成碳→（类似）直到产生铁元素。 恒星最后的归宿：恒星质量小于太阳1.4倍→白矮星 恒星质量是太阳1.4~2倍→中子性 恒星质量更大时(无法抵抗)→黑洞
达标检测 1．19世纪末，人们认为光子、______、______和______是组成物质的不可再分的最基本的粒子，20世纪后半期，科学家发现组成原子核的______和______等也有着自己的复杂结构，于是基本粒子不再“基本”。2．在实验中发现，对应着许多粒子都存在着质量与之_______，电荷电性与之_______的粒子叫反粒子。如电子的反粒子是_____。3．物理学中将粒子分为_______、_______和______三类。4．科学家认为强子由更小的成分组成，这种成分叫_______，它的电荷量为元电荷的_____倍或_____倍。这一理论说明了元电荷不再是电荷量的最小值。5．目前普遍认为宇宙起源于_______________。6．原子核的组成目前普遍认为：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，则( )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1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2个d夸克组成7．下列关于太阳系的说法正确的是( )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．大阳系是由太阳和若干行星以及它们的卫星和慧星组成D．以上说法均不正确8．现在科学家正在设法寻找“反物质”。所谓“反物质”是由“反粒子”组成的，则反α粒子的符号是( )A．He B．He C．He D．He9．“轨道电子俘获”也是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核（称为母核）俘获一个核外电子，其内部一个质子变为中子，从而变成一个新核（称为子核），并放出一个中微子的过程。中微子的质量很小，不带电，很难被探测到，人们最早就是通过子核的反冲而间接证明中微子的存在的。一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子。下列关于该过程的说法正确的是( )A．母核的质量数等于子核的质量数 B．母核的电荷数大于子核的电荷数C．子核的动量大小等于中微子的动量大小 D．子核的动能大于中微子的动能10．中子星是完全由中子组成的星体，具有极大的密度。通过观察已知某中子星的自转角速度为60π rad/s，该中子星并没有因为自转而解体，根据这些推导出中子星的密度表达式，并计算其值为多少。 11．1997年8月26日在日本举行的国际学术大会上，德国Max Plank学会的一个研究组宣布了他们的研究结果：银河系的中心可能存在一个大“黑洞”。“黑洞”是某些天体的最后演变结果。（引力常量G=6.67×10－11N·m2/kg2）（1）根据长期观测发现，距离某“黑洞”6×1012m的另一个星体（设其质量为m）正以2×106m/s的速度绕“黑洞”旋转，求该“黑洞”的质量M？（结果要求1位有效数字） （2）根据天体物理学知识，物体从某天体上的逃逸速度公式为，其中G为引力常量，M为天体质量，R为天体半径，且已知逃逸速度大于真空中光速的天体叫“黑洞”，真空中光速c=3×108m/s，请估算（1）中“黑洞”可能的最大半径？（结果保留1位有效数字）




1