8　粒子和宇宙

第 1 页 共 5 页 19 819 8 粒子和宇宙粒子和宇宙 课时作业课时作业 1 关于粒子 下列说法中正确的是 D A 光子 电子 质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子 B 质量比核子大的粒子都参与强相互作用 C 强子 轻子 媒介子都由更基本的粒子夸克组成 D 许多粒子都存在反粒子 2 已知 介子 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 u 或反夸克 d 组成的 它们的带电量如下表所示 表中 e 为元电荷 udud 带电量 e e e 2 3 e 1 3 e 2 3 e 1 3 下列说法正确的是 A D A 由 u 和 组成 B 由 d 和 组成 du C 由 u 和 组成 D 由 d 和 组成 du 3 根据宇宙大爆炸的理论 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 A 夸克 轻子 胶子等粒子 B 质子和中子等强子 C 光子 中微子和电子等轻子 D 氦核 氚核 氦子等轻核 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 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 D A 一个带正电荷的质子和一个带负电荷的电子构成 B 一个带负电荷的质子和一个带正电荷的中子构成 C 由一个不带电荷的中子和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正电荷的电子构成 5 宇宙诞生过程中 产生如下粒子 光子 中微子 电子等大量轻子 氘核 第 2 页 共 5 页 氚核 氦 3 氦核等轻核 夸克 轻子 胶子等粒子 质子和中子等强子 电 子 质子 氦核的混合电离气体 电子 质子复合成为中性氢原子 根据宇宙大爆 炸理论 以上粒子形成的先后顺序是 C A B C D 6 2002 年 美国 科学 杂志评出的 2001 年世界十大科技突破 中 有一个是加 拿大萨德伯里中微子观测站的结果 该站揭示了中微子失踪的原因 即观测到的中微 子数目比理论值少是因为部分中微子在运动过程中转化为一个 子和一个 子 在 上述研究中有以下说法 若发现 子和中微子的运动方向一致 则 子的运动方向与中微子的运动方 向一定相反 若发现 子和中微子的运动方向一致 则 子的运动方向与中微子的运动方 向可能一致 若发现 子和中微子的运动方向相反 则 子的运动方向与中微子的运动方 向一定一致 若发现 子和中微子的运动方向相反 则 子的运动方向与中微子的运动方 向可能相反 其中正确的是 B A B C D 7 中子内有一个电荷量为 e 的上夸克和两个电荷量为 e 的下夸克 一简单模型 2 3 1 3 是三个夸克都在半径为r的同一圆周上 如图所示 下面给出的四 幅图中 能正确表示出各夸克所受静电作用力的是 B 8 现在 科学家们正在设法寻找 反物质 所谓 反物质 是由 反粒子 构成的 第 3 页 共 5 页 反粒子 与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷数 但电荷的符号相反 据此 若有反 粒子 则它的质量数为 4 电荷数为 2 9 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 2 3 1 3 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 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 2 3e 2 3e l2 4 9 e2 l2 代入数值 得Fuu 46 N 为斥力 上夸克与下夸克之间的静电力为 Fud k k 1 3e 2 3e l2 2 9 e2 l2 代入数值 得Fud 23 N 为吸力 10 K 介子衰变的方程为 K 0 其中 K 介子和 介子带负的基元电荷 0介子不带电 一个 K 介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中 其轨迹为圆弧 AP 衰变后产生的 介子的轨迹为圆弧 PB 两轨迹在 P 点相切 它们的半径 RK 与 R 之比为 2 1 如图所示 0介子的轨迹未画出 由此可 知 介子的动量大小与 0介子的动量大小之比是多少 解析 由题意及图示可知 K 介子在P点处动量方向向下 衰变后生成的 介子动 量方向向上 由在匀强磁场中带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动的半径公式 R 知 在q B相同的情况下 动量和半径成正比 所以 mv qB p p RK R 2 1 若选向下方向为正 则由 K 介子衰变过程中动量 K 第 4 页 共 5 页 守恒 得 p p p 整理得 p p 1 3 K 0 0 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 为同星体的退行速度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 m s 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 解析 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 1 H T 1 H 1 3 10 2 m s 光年 1秒 光年 3 10 2 m 年 1 1010年 1 365 24 3 600 3 108 3 10 2 3 600 24 365 12 太阳内部的核聚变可以释放出大量的能量 这些能量以电磁辐射的形式向四面八 方辐射出去 其总功率达P 3 8 1026 W 1 估算一下太阳每秒钟损失的质量 2 设太阳内部的核反应都是 4 H He 2e 2 e 25 8 MeV 这种形式的反应 e 1 14 2 是中微子 其质量远小于电子质量 是穿透能力极强的中性粒子 地日距离 L 1 5 1011 m 试估算每秒钟太阳垂直照射在地球表面上每平方米有多少中微子到 达 3 假设原始太阳全部由质子和电子组成 并且只有 10 的质子可供 燃烧 试估算 太阳的寿命 太阳质量约为 2 0 1030 kg 质子质量为 1 67 10 27 kg 解析 1 太阳每秒钟放出的能量E Pt 3 8 1026 J 由质能方程E mc2可得 第 5 页 共 5 页 m kg 4 2 109 kg 4 2 106 t E c2 3 8 1026 3 108 2 2 每秒钟聚变反应的次数 N 次 9 2 1037次 E E 3 8 1026 25 8 106 1 6 10 19 每秒钟产生的中微子数N1 2N 1 84 1038个 距太阳L 1 5 1011 m 的球面面积S 4 L2 4 3 14 1 5 1011 2 m2 2 826 1023 m2 设每平方米有N2个中微子 则N2 个 N1 S 1 84 1038 2 826 1023 6 5 1014个 3 电子的质量远小于质子的质量