高中物理 第4章 從原子核到夸克 4.4 粒子物理與宇宙的起源學案 滬科版選修35

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1、 4.4　粒子物理與宇宙的起源 學習目標 重點難點 1．知道粒子的分類及其作用。 2．知道夸克模型。 3．初步知道宇宙與恒星的演化。 重點：粒子的分類與宇宙的演化。 難點：夸克模型的理解。 一、物質結構的更深層次 1．對粒子的認識過程 （1）基本粒子：19世紀末，人們認為電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本粒子。原子核中放出電子的事實，使人們認識到“基本粒子”還有復雜結構。 （2）新粒子：20世紀中葉，科學家通過高能加速器進行實驗，發(fā)現了更多的新粒子，如μ子、K介子、π介子和Λ子。 2．夸克模型 （1）夸克：1964年，美國物理學家蓋爾曼提出了組

2、成強子的夸克模型，認為強子是由夸克構成的。 （2）分類：目前已經知道的夸克有六種：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。 3．粒子的分類 已經發(fā)現的粒子分三大類：參與強相互作用的強子、不參與強相互作用的輕子和傳遞相互作用的粒子。 預習交流1 夸克的帶電荷量是怎樣的？現在能否獲得自由夸克？ 答案：夸克帶電荷量為元電荷的分數，如上夸克帶電荷為＋e，下夸克帶電荷為－e。 現在還不能獲得自由的夸克。 二、自然界兩極的奇妙會合 1．暴脹的宇宙 宇宙是一個超高溫、超高密度的“原始火球”發(fā)生大爆炸開始形成的。 2．恒星的演化 （1）形成：大塊的星云由于引力作用收縮，逐漸凝

3、成原恒星。 （2）穩(wěn)定期：原恒星內部的溫度達到7106 K時，氫聚變成氦的熱核反應產生的斥力與引力作用達到平衡時，恒星不再收縮，進入相對穩(wěn)定期。目前發(fā)現的90%的恒星處于恒星一生中時間最長的穩(wěn)定期。 （3）衰老期：當氦核質量占到恒星質量的10%～15%時，核反應能量供應不足，恒星穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，恒星變化為紅巨星。 （4）末期：恒星核能耗盡后進入末期，末期形態(tài)有三種：白矮星、中子星和黑洞。 預習交流2 自然界中存在哪四種相互作用？這四種相互作用能統一起來嗎？ 答案：自然界中存在四種相互作用，它們分別是強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。目前科學家正試圖把這四種相互作

4、用統一起來。 一、對粒子的認識 新粒子各是哪年發(fā)現的？它們有什么特點？ 答案： 發(fā)現 時間 1932年 1937年 1947年 60年代后 新粒子 反粒子 μ子 K介子 與π介子 超子 基本 特點 質量與相對應的粒子相同而電荷及其他一些物理性質相反 比質子的質量小 質量介于電子與質子之間 其質量比 質子大 關于粒子，下列說法正確的是（　　）。 A．質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子 B．質子、中子本身也是復合粒子，它們擁有復雜的結構 C．質子是帶電的強子 D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位 答案：BCD

5、 解析：質子和中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，故A錯、B對；不同的夸克組成強子，有的強子帶電，有的強子不帶電，質子是最早發(fā)現的強子，故C正確；夸克模型是研究強子的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋e和－e，這說明電子電荷不再是電荷的最小單位，故D正確。 粒子分類 分類 參與的 相互作用 發(fā)現的粒子 備注 強子 參與強相互作用 質子、中子、介子、超子 強子有內部結構，由“夸克”粒子構成的 輕子 不參與強相互作用 電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未發(fā)現內部結構 媒介子 傳遞各種相互作用 光子、中間玻色子、膠子 光子、玻色子、膠

6、子分別傳遞電磁、弱、強相互作用 二、關于宇宙大爆炸的模型 1932年勒梅特首次提出現代宇宙大爆炸理論，這個理論是目前多數科學家認可的宇宙起源，你通過讀書能對這個理論做簡單的闡述嗎？ 答案：宇宙的演化可用下面的方框圖表示出來： →→→→→ 在天體演變過程中，紅巨星發(fā)生“超新星爆炸”后，可以形成中子星（電子被迫同原子核中的質子結合而形成中子），中子星具有極高的密度。 （1）寫出質子演變成中子的反應方程； （2）若已知某中子星的密度為1017 kg/m3，該中子星的衛(wèi)星繞它做圓軌道運動，試求該中子星的衛(wèi)星運行的最小周期。 答案：（1）H＋e→n?。?）1.210－3 s 解

7、析：（1）。 （2）如圖所示，設中子星的衛(wèi)星圓軌道半徑為R，質量為m，由萬有引力提供向心力，可得。 又當R=r（中子星的半徑）時，衛(wèi)星運行周期最小，注意到，由此可得Tmin=1.210-3 s。 物理學的研究范圍很廣，小到微觀粒子，大到浩瀚的宇宙，諾貝爾物理學獎得主格拉肖曾經非常形象地把從宇觀世界到微觀世界的鏈條比喻成一條咬住自己尾巴的大蛇，從尾到首依次為粒子、原子核、原子、細胞、一直到星系團、整個宇宙。 1．已知π＋介子、π－介子都是由一個夸克（夸克u或反夸克d）和一個反夸克（反夸克或反夸克）組成的，它們的帶電荷量如下表所示，e為元電荷。 π＋ π－ u d

8、 帶電 荷量 ＋e －e ＋e －e －e ＋e 下列說法中正確的是（　?。? A．π＋由u和組成　　　　B．π＋由d和組成 C．π－由u和組成 D．π－由d和組成 答案：AD 解析：因π＋介子帶有＋e的電荷量，且是由一個夸克和一個反夸克組成的，則只有夸克u帶＋e和一個反夸克帶＋e合成后電荷量為e，那么π＋介子就是由夸克u和反夸克d組成，同理π介子由夸克d和反夸克組成，故A、D正確，B、C錯。 2．2006年美國和俄羅斯的科學家利用回旋加速器，通過Ca（鈣48）轟擊Cf（锎249）發(fā)生核反應，成功合成第118號元素，這是迄今為止門捷列夫元素周期表中原

9、子序數最大的元素，實驗表明，該元素的原子核先放出3個相同的粒子x，再連續(xù)經過3次α衰變后，變成質量數為282的第112號元素的原子核，則上述過程中粒子x是（　　）。 A．中子 B．質子 C．電子 D．α粒子 答案：A 解析：由于最終經3次α衰變變成原子核Z，由此可知原來的核應為Y，而該核是由某原子核放出了3個粒子x形成的。而Ca和Cf的總質子數為118，質量數為297，由此可知Ca＋Cf→X，X→Y＋3n，故A正確。 3．下列說法中正確的是（　?。? A．太陽是宇宙的中心 B．太陽系中只存在太陽和它的八大行星 C．太陽系是由太陽和若干行星和它們的衛(wèi)星

10、和彗星組成 D．以上說法都正確 答案：C 解析：太陽系中以太陽為中心，有八大行星繞太陽運行，有的行星還有衛(wèi)星，此外還有2 000多顆比較小的小行星和彗星等，所以敘述較完整的是C項。通常我們所說的八大行星是指太陽系中較大的幾顆行星，太陽系的組成中還有小行星和彗星。 4．關于宇宙的成因，目前比較容易被接受的是宇宙起源于________。 答案：大爆炸 解析：目前關于宇宙成因有許多說法，其中具代表性和多數科學家所接受的是“大爆炸”學說，認為宇宙起源于一次大爆炸。盡管“大爆炸”學說受到很多人支持，但仍有很多不解之謎。 5．現在科學家們正在設法探尋“反物質”，所謂“反物質”是由“反粒子”構

11、成的，“反粒子”與其對應的正粒子有相同的質量和相同的電荷量，但電荷符號相反。據此，若有反α粒子，它的質量數和電荷數為多少？ 答案：4?。? 解析：因“反粒子”與其對應的正粒子具有相同的質量相同的電荷量，但電荷的符號相反。所以，反α粒子質量數為4，電荷數為－2。 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375