鲁科版选修35 “基本粒子”与恒星演化 课件（54张）.ppt

5 4 基本粒子 与恒星演化 19世纪末 人们认为光子 质子和 是组成物质的不可再分的 并把它们叫做 基本粒子 从20世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的粒子 它们不是由质子 中子 电子组成的 科学家们进一步发现质子 中子等本身也是 它也有自己的 自然界中存在四种相互作用 一 基本粒子 初步 最基本的粒子 中子 电子 复杂结构 复合粒子 引力相互作用 引力 电磁相 互作用 电磁力 强相互作用 强力 弱相互作用 弱力 基本粒子 家族 按粒子参与相互作用的性质来分 可将其分为 和 强子是有内部结构的 它由更基本的成分 组成 基本粒子 的探测 加速器和探测器是研究粒子物理的主要工具 探测器分两大类 一类是 一类是 二 恒星的演化 恒星的形成 大爆炸后 在万有引力作用下形成 进一步凝聚使得引力势能转变为 温度升高 直到发光 于是 诞生了 媒介子 轻子 强子 夸克 计时器 径迹探测器 星云 内能 恒星 团 恒星演变 核聚变反应 层级递进地在恒星内发生 直到 不再发生时 恒星的 达到极大 恒星归宿 恒星最后的归宿有三种 它们是 宇宙大爆炸至今 经历了至少 年 这是一个漫长的历程 大宇宙的 与微小的 紧密地联系在一起了 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 时期 时期 时期 继续冷却 质子 电子 原子等与光子分离组成恒星和星系 三 极大与极小的奇遇 各种热核反应 中心密度 白矮星 中子星 黑洞 150亿 演化 基本粒子 强子 轻子 核合成 一 基本粒子 初步认识 基本粒子 间的相互作用自然界中存在四种相互作用 如下表所示 粒子的分类按照粒子与各种相互作用的关系 分类如下表所示 二 恒星演化过程 预习导学梳理 识记 点拨 一 德布罗意的假设1 德布罗意波 任何一个的物体都有一种波与它相对应 这种波叫 也称为德布罗意波 2 德布罗意关系 粒子能量e与相应的波的频率 之间的关系为 动量p与相应波长 之间的关系为 上述关系称为德布罗意关系 两式中的h为 通过普朗克常量把和联系起来 运动 物质波 e h p 普朗克常量 粒子 性 波动性 二 德布罗意假说的实验探索1 实验探究思路干涉 衍射是波特有的现象 如果实物粒子具有波动性 则在一定条件下 也应该能发生干涉和衍射现象 2 实验验证1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了的实验 得到了电子的 证实了电子的波动性 电子束衍射 衍射图样 三 不确定性关系1 微观粒子运动的基本特征 不可能同时准确地知道粒子的和 2 不确定性关系 以 x表示粒子位置的不确定范围 以 p表示粒子动量的不确定范围 那么 x p 式中h是普朗克常量 位置 动量 四 电子云用点的表示的电子出现的分布 称为电子云 五 基本粒子 初步1 发现了原子核内部结构后 人们认为光子 质子和是组成物质的 2 影响 基本粒子 的相互作用 疏密 电子 中子 概率 基本粒子 引力相互作用 引力 电磁相互作用 电磁力 强相互作用 强力 弱相互作用 弱力 3 基本粒子 家族 按粒子参与相互作用的性质来分 可将其分为 和 强子是有内部结构的 它由更基本的成分 组成 4 基本粒子 的探测 加速器和探测器是研究粒子物理的主要工具 探测器分两大类 一类是 一类是 媒介子 轻子 强子 夸克 计数器 径迹探测器 六 恒星演化1 恒星的形成 大爆炸后 在万有引力作用下形成 进一步凝聚使得引力势能转变为 温度升高 直到发光 于是诞生了 2 恒星演变 当热核反应产生的斥力与引力作用达到平衡时 恒星停止收缩进入最 最的主序星阶段 3 恒星归宿 恒星最后的归宿有三种 它们是 星云 内能 恒星 长 稳定 白矮星 中子星 黑洞 七 极大与极小的奇遇1 宇宙大爆炸至今 经历了至少年 在大爆炸初期宇宙发生了巨大的变化 大宇宙的与微小的紧密地联系在一起了 2 在大爆炸之后逐渐形成了夸克 轻子和胶子等粒子 随后经过时期 时期 时期 150亿 演化 基本粒子 强子 轻子 质子和中子结合成氢 氦 锂和氘 课堂讲义理解 深化 探究 一 对物质波的理解1 任何物体 小到电子 质子 大到行星 太阳都存在波动性 我们之所以观察不到宏观物体的波动性 是因为宏观物体对应的波长太小的缘故 3 德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广 包括了所有的物质粒子 即光子与实物粒子都具有粒子性 又都具有波动性 与光子对应的波是电磁波 与实物粒子对应的波是物质波 例1下列关于德布罗意波的认识 正确的解释是 a 任何一个物体都有一种波和它对应 这就是物质波b x光的衍射证实了物质波的假设是正确的c 电子的衍射证实了物质波的假设是正确的d 宏观物体运动时 看不到它的衍射或干涉现象 所以宏观物体不具有波动性 解析运动的物体才具有波动性 a项错 宏观物体由于动量太大 德布罗意波波长太小 所以看不到它的干涉 衍射现象 但仍具有波动性 d项错 x光是波长极短的电磁波 是光子 它的衍射不能证实物质波的存在 b项错 只有c项正确 答案c 例2如果一个中子和一个质量为10g的子弹都以103m s的速度运动 则它们的德布罗意波的波长分别是多大 中子的质量为1 67 10 27kg 普朗克常量为6 63 10 34j s 解析中子的动量为p1 m1v子弹的动量为p2 m2v 将m1 1 67 10 27kg v 103m sh 6 63 10 34j s m2 1 0 10 2kg代入上面两式可解得 1 4 0 10 10m 2 6 63 10 35m答案4 0 10 10m6 63 10 35m 2 宏观物体的质量比微观粒子大得多 运动时的动量很大 对应的德布罗意波的波长就很小 根本无法观察到它的波动性 2 不确定性关系表明微观粒子的位置坐标测得越准确 即 x越小 则动量就越不准确 即 p越大 微观粒子的动量测得越准确 即 p越小 则位置坐标就越不准确 即 x越大 注意不确定性关系不是说微观粒子的坐标测不准 也不是说微观粒子的动量测不准 更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准 而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准 3 不确定性关系是自然界的一条客观规律对任何物体都成立 并不是因为测量技术和主观能力而使微观粒子的坐标和动量不能同时测准 对于宏观尺度的物体 其质量m通常不随速度v变化 因为一般情况下 v远小于c 即 p m v 所以 x v 由于m远大于h 因此 x和 v可以同时达到相当小的地步 远远超出最精良仪器的精度 完全可以忽略 可见 不确定现象仅在微观世界方可观测到 例3一颗质量为10g的子弹 具有200m s的速率 若其动量的不确定范围为动量的0 01 这在宏观范围是十分精确的了 则该子弹位置的不确定范围为多大 解析子弹的动量为p mv 0 01 200kg m s 2 0kg m s动量的不确定范围 p 0 01 p 1 0 10 4 2 0kg m s 2 0 10 4kg m s 答案大于或等于2 6 10 31m 借题发挥我们知道 原子核的数量级为10 15m 所以 子弹位置的不确定范围是微不足道的 可见子弹的动量和位置都能精确地确定 不确定性关系对宏观物体来说没有实际意义 针对训练1在单缝衍射实验中 若单缝宽度是1 0 10 9m 那么光子经过单缝发生衍射 动量不确定量是多少 解析由题意可知光子位置的不确定量 x 1 0 10 9m 解答本题需利用不确定性关系 单缝宽度是光子经过狭缝的位置不确定量 即 x 1 0 10 9m 得 p 5 3 10 26kg m s 答案 p 5 3 10 26kg m s 三 基本粒子 初步认识1 基本粒子 间的相互作用自然界中存在四种相互作用 如下表所示 2 粒子的分类按照粒子与各种相互作用的关系 分类如下表所示 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2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1个d夸克组成解析 答案b ad 对点练习巩固 应用 反馈 对物质波的理解1 一颗质量为10g的子弹 以200m s的速度运动着 则由德布罗意理论计算 要使这颗子弹发生明显的衍射现象 那么障碍物的尺寸为 a 3 0 10 10mb 1 8 10 11mc 3 0 10 34md 无法确定 答案c 2 下列说法中正确的是 a 物质波属于机械波b 只有像电子 质子 中子这样的微观粒子才具有波动性c 德布罗意认为任何一个运动的物体 小到电子 质子 中子 大到行星 太阳都有一种波与之相对应 这种波叫物质波d 宏观物体运动时 看不到它的衍射和干涉现象 所以宏观物体运动时不具有波动性 解析任何一个运动的物体都具有波动性 但因为宏观物体的德布罗意波波长很短 所以很难看到它的衍射和干涉现象 所以c项对 b d项错 物质波不同于宏观意义上的波 故a项错 答案c 对不确定性关系的理解3 下述说法正确的是 a 宏观物体的动量和位置可准确测定b 微观粒子的动量和位置可准确测定c 微观粒子的动量和位置不可同时准确测定d 宏观粒子的动量和位置不可同时准确测定解析宏观物体在经典力学中 位置和动量可以同时精确测定 在量子理论建立之后 微观粒子的动量和位置要同时测出是不可能的 ac 4 关于不确定性关系 下列说法正确的是 a 在微观世界中 粒子的位置和动量存在一定的不确定性 不能同时准确测量b 自然界中的任何物体的动量和位置之间都存在不确定性c 海森堡不确定性关系说明粒子的位置和动量存在一定的不确定性 都不能测量d 不确定性关系 x p x与 p测量精度与测量仪器及测量方法是否完备无关 解析微观世界中 粒子的位置和动量存在一定的不确定性 不能同时准确测量 a正确 如果同时测量某个微观粒子的位置和动量 位置的测量结果越精确 动量的测量误差就越大 反之 动量的测量结果越精确 位置的测量误差就越大 c错误 普朗克常量是一个很小的量 对宏观物体来说 这种不确定关系可以忽略不计 b正确 答案abd 基本粒子初步5 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 反粒子 与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量 但电荷的符号相反 据此 反 粒子为 解析根据题目中的描述 结合 粒子的特点很容易选出正确选项d 答案d 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2个d夸克组成 典例1 对 基本粒子 的认识 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1个d夸克组成解析答案b 答案ad 变式1 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 也就是宇宙在膨胀 不同星体的退行速度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 由上述理论和天文观察结果 可估算宇宙年龄t 其计 典例2 恒星演化的认识 算式为t 哈勃常数h 3 10 2m 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