上海市甘泉高中2019-2020学年物理沪科版选修3-5：4.4粒子物理与宇宙的起源 跟踪训练（含解析）

4.4粒子物理与宇宙的起源
1．下列关于太阳及太阳系的说法中正确的是（ ）
A．太阳向外辐射能量主要来自太阳内部的核裂变反应
B．太阳系中距离太阳越近的行星绕太阳公转速度越大
C．太阳系中内行星都没有坚硬的外壳，外行星都有坚硬的外壳
D．太阳系虽然是银河系中很小很小的一部分，但它位于银河系的中心
2．关于恒星的寿命，下列说法正确的是（ ）
A．恒星的质量越大，寿命就越长 B．恒星的温度越高，寿命就越长
C．恒星的亮度越大，寿命就越长 D．恒星的质量越小，寿命就越长
3．关于恒星的说法正确的是（ ）
A．极少数恒星有着和太阳相同的化学成分
B．当恒星变为红色的巨星或超巨星时，就意味着这颗恒星刚刚诞生
C．恒星就是宇宙中永远存在的星星
D．超巨星、巨星、主序星、白矮星和中子星实际上就是恒星不同年龄阶段的形态
4．除了氦以外，恒星中最常见的化学元素是（ ）
A．氢 B．铁 C．碳 D．钠
5．关于粒子的分类，目前人们认为粒子世界是由下列哪三类粒子构成的（ ）
A．媒介子、夸克、强子
B．夸克、轻子、强子
C．媒介子、轻子、强子
D．质子、中子、电子
6．目前，科学家们正在设法探寻“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量，但电荷的符号相反．设α粒子质量为m，所带电荷量为q，若有反α粒子，它的质量应为____________，电荷量应为____________．
7．我们观测到得恒星有____________、____________、____________、____________和____________．其中____________体积最大，____________和太阳差不多大，____________像地球一样大，____________直径只有左右．
8．星系是由宇宙中的一大群_________、大量_________和_________组成的物质系统，宇宙中的星系估计有_________个以上，银河系以外的星系称为__________________．
9．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．
10．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，它们的带电量如下表所示，表中e为元电荷。
π+ π— u d

带电量 +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和组成
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。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,则速度越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多少年?
12．如下一系列核反应是在恒星内部发生的。
p＋―→ ―→＋e＋＋ν
p＋―→ p＋―→
―→＋e＋＋ν P＋―→＋α
其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，ν为中微子，已知质子的质量为mp＝1.672 648×10－27kg，α粒子的质量为mα＝6.644 929×10－27kg, 正电子的质量为me＝9.11×10－31kg，中微子的质量可忽略不计，真空中的光速c＝3.00×108m/s，试计算该系列核反应完成后释放的能量。
13．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）．
参考答案
1．B
【解析】
【详解】
A．太阳向外辐射能量主要来自太阳内部的聚变反应，A错误；
B．太阳系中距离太阳越近的行星绕太阳公转速度越大，周期越短，B正确；
C．太阳系中内行星除了木星外都有坚硬的外壳，C错误；
D．太阳系位于银河系的轴上，不处于银河系中心，D错误。
故选B。
2．D
【解析】
【详解】
恒星质量越大，内部压力越大，核反应越快，质量亏损越快，寿命越短，故恒星的质量越小，寿命就越长。
A． 恒星的质量越大，寿命就越长与分析不符，故A错误。
B． 恒星的温度越高，寿命就越长与分析不符，故B错误。
C． 恒星的亮度越大，寿命就越长与分析不符，故C错误。
D． 恒星的质量越小，寿命就越长与分析相符，故D正确。
3．D
【解析】
【详解】
A． 绝大多数恒星都有着和太阳相同的化学成分，故A错误。
B． 恒星燃料耗尽后其核心不再释放能量，核心开始收缩，而外部开始膨胀，于是恒星就变成了一颗红色的巨星或超巨星，故B错误。
CD． 超巨星、巨星、主序星、白矮星和中子星实际上就是恒星不同年龄阶段的形态，恒星并非永远存在，故C错误D正确。
4．A
【解析】
【详解】
除了氦以外，恒星中最常见的化学元素是氢。
A． 氢与分析相符，故A正确。
B． 铁与分析不符，故B错误。
C． 碳与分析不符，故C错误。
D． 钠与分析不符，故D错误。
5．C
【解析】按照粒子与各种相互作用的不同关系，把粒子分为三大类，即强子、轻子和媒介子．
6．m； -q
【解析】
【分析】
【详解】
α粒子质量为m，所带电荷量为q，由题意：“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电量，但电荷的符号相反，所以反α粒子，它的质量应为m，电荷量应为-q．
7．超巨星 巨星 主序星 白矮星 中子星 超巨星 主序星 白矮星 中子星
【解析】
【详解】
[1][2][3][4][5][6][7][8][9] 我们观测到得恒星有超巨星、巨星、主序星、白矮星、中子星；超巨星体积最大，主序星和太阳差不多大，白矮星像地球一样大，中子星直径只有左右．
8．恒星 气体 尘埃 1000亿 河外星系
【解析】
【详解】
[1][2][3]一大群恒星、大量气体和尘埃构成星系，宇宙中的星系估计有1000亿个以上，银河系以外的星系统称为河外星系。
9．u d
【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．
10．A
【解析】
【详解】
根据题意可知， 带电量为+e，故由u和组成； 带电量为-e，故由d和 组成，A正确BCD错误。
11．（1）T= （2）1×1010年
【解析】（1）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=。
（2）T==1×1010年。
12． 3.95×10－12J
【解析】为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的诸核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系统反应最终等效为
4p―→α＋2e＋＋2ν
设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得
4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q
代入数值可得
Q＝3.95×10－12J
13．上夸克间静电力F＝46 N，为斥力
上、下夸克间静电力为23 N，为吸力
【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
代入数值解得Fuu＝46 N，为斥力
上、下夸克之间的静电力F′ud＝k＝k
代入数值解得：F′ud＝23 N，为吸引力．