2022年高中物理第章从原子核到夸克_粒子物理与宇宙的起源教师用书沪科版选修- .pdf

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1、1 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. 了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. 初步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 先填空 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1912 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. 人们用高能加速器实验，发现了更多的新粒子，如193

2、7 年发现 子， 1947 年发现了 k 介子和 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23e或13e. (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、 子、 子以及与之相联系的三种中微子. (3) 传

3、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、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 2 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3109_eV以上的加速器 . 再判断 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

4、再是电荷的最小单元.( ) 后思考 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. 核心点击 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 子K介子与 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

5、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轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、 子、 子中微子、 子、 子中微子未发现内部结构媒介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、强相互作名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 3 用3. 两点提醒(

6、1) 质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子， 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.强子中也有不带电的粒子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E.超子的质量比质子的质量还大【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，

7、不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A错误， B正确；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23e和e3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误， D正确；超子属于强子，其质量比质子质量还大些，E正确 . 【答案】BDE 2. 在 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11H的核反应，间接地证实了中微子的存在. (1) 中微子与水中的11H 发生核反应，产生中子(10n) 和正电子 (01e) ，即中微子11H10n01e. 可以

8、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( ) ，即01e01e2.已知正电子和电子的质量都为9.1 1031 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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -

9、- - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 4 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Emc2，故一个光子的能量为E2，代入数据得E28.2 1014 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hp，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即p2mEk，因为mnme，所以pnpe，故 nc，所以

10、R2GMc22.95 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，它们是白名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 7 矮星、中子星、黑洞. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -