高中物理 第19章 第8节 粒子和宇宙同步辅导与检测课件 新人教版选修35.ppt

第8节粒子和宇宙 原子核 粒子和反粒子在20世纪初 人们认为所有的物质似乎都是由3种基本粒子构成的 即由质子 中子和电子组成 一直到1932年 人们在宇宙射线中观察到一种新的粒子 正电子 才打开了一扇通往新世界的窗口 这种新发现的粒子同自然界中已被认识的粒子 电子 具有相等的质量和电荷量 但又具有完全的对称对立性 当一对正 负电子相遇时 它们会同时湮灭而释放出能量 光子 这时便有科学家提出这样的设想 在宇宙中可能还存在一种与我们现在所处世界的物质相反的 反物质 也就是说 既然存在有负电子的反物质 正电子 也就可能存在质子的反物质 反质子 中子的反物质 反中子 原子的反物质 反原子等 从那时起 就不断有科学家证实 物质的每种粒子 电子 质子和中子 都有其相对应的反粒子 因此 反物质 我们所处世界物质的 镜像 物质的存在 就被越来越多的人所相信 现在也就有更多的科学家在寻找反物质 甚至想寻找一个由反物质构成的与我们的宇宙对称的反宇宙 由于一个粒子和其反粒子相遇时会发生湮灭 而产生能量和其他粒子 因此如何捕捉反粒子是一个难题 1 基本粒子 不基本直到19世纪末 人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒 后来发现了电子 和 又认为它们是组成物质的基本粒子 现在已发现粒子有400余种 有些也具有复杂的 2 发现新粒子 1 新粒子 20世纪30年代人们对 的研究发现一些新粒子 人们用高能加速器进行实验发现更多新粒子 1932年发现了 1937年发现 1947年发现 和 介子及以后的超子 反粒子等 答案 1 质子中子内部结构2 1 宇宙射线正电子 子k介子 2 粒子分类 按照粒子与各相互作用关系 可以将粒子分为 和强子三大类 强子是参与 的粒子 强子又分为介子和重子两类 轻子共发现6种 分别是电子 电子中微子 子中微子 子 子中微子 媒介子是传递 的粒子 如光子 中间玻色子 胶子等 3 夸克模型许多事实表明 强子是有内部结构 组成强子的内部成分叫 夸克有6种 它们是上夸克 下夸克 奇异夸克 粲夸克 和 它们带的电荷分别为元电荷的 每种夸克都有对应的反夸克 答案 2 2 媒介子轻子强相互作用 子各种相互作用3 夸克底夸克顶夸克 4 宇宙的演化研究微观世界的粒子物理 量子理论 与研究 的理论是相互沟通 相互支撑的 从大爆炸开始的不同时间里 对应的温度不同 组成宇宙的物质不相同 5 恒星的演化当温度降到 时 中性原子组成的宇宙尘埃在万有引力作用下 尘埃收缩凝集 引力势能转化为内能 温度升高 开始发光形成了恒星 当恒星核能耗尽时 进入末期 恒星的末期形态主要有 白矮星 中子星或 答案 4 宇宙5 3000k黑洞 一 基本粒子 不基本1 基本粒子 不基本 1 19世纪末 许多人认为光子 电子 质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子 2 从20世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子 它们不是由质子 中子 电子组成的 3 科学家进一步发现质子 中子 电子等本身也是复合粒子 且还有着复杂的结构 4 研究粒子的主要工具粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具 2 粒子的分类按照粒子与各种相互作用的关系 可以将粒子分为三大类 强子 轻子和媒介子 1 强子 强子是参与强相互作用的粒子 如质子是最早发现的强子 强子又分为介子和重子两类 2 轻子 轻子是不参与强相互作用的粒子 如电子 中微子 子 子等 3 媒介子 媒介子是传递各种相互作用的粒子 如光子 中间玻色子 胶子 3 反粒子 反物质 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 例如电子和正电子 质子和反质子等 由反粒子构成的物质叫反物质 反粒子 反物质 最显著的特点是当它们与相应的正粒子 物质 相遇时 会发生 湮灭 即同时消失而转化成其他的粒子 4 夸克模型 1 夸克的提出许多实验事实表明 强子是有内部结构的 1964年提出的夸克模型 认为强子由更基本的成分组成 这种成分叫做夸克 2 夸克的分类夸克有6种 它们是上夸克 下夸克 奇异夸克 粲夸克 底夸克 顶夸克 它们带的电荷分别为元电荷的 或 每种夸克都有对应的反夸克 3 夸克模型的意义夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破 它指出电子电荷不再是电荷的最小单元 即存在分数电荷 中子内有一个电荷量为 e上夸克和两个电荷量为 e的下夸克 一简单模型是三个夸克都在半径为r的同一圆周上 右图所示 在下图给出的四幅图中 能正确表示出各夸克所受静电作用力的是 解析 本题考查的是库仑力的大小 方向及力的合成 明确每个夸克皆受两个力的作用 电荷量为 e的上夸克受两个下夸克的吸引力 合力的方向一定向下 对其中一个下夸克 受力如下图所示 由于f1的水平分力与f2大小相等 方向相反 故f1与f2的合力的方向竖直向上 答案 b 变式迁移 1 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 其轨迹为右下图中圆弧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 0介子的轨迹未画出 由此可知 的动量大小与 0的动量大小之比为 a 1 1b 1 2c 1 3d 1 6 解析 设k 介子 介子和 0介子的质量分别为m m1和m2 在p点衰变前k 介子的速度为v 衰变后 介子和 0介子的速度分别为v1和v2 根据图中衰变前k 介子和衰变后 介子的运动轨迹 由左手定则可知v1和v的方向相反 对衰变过程应用动量守恒定律得 mv m1v1 m2v2 k 介子和 介子在匀强磁场中做匀速圆周运动 r 则mv qbr r 已知rk 与r 大小之比为2 1 即mv 2m1v1 将 代入 得 2m1v1 m1v1 m2v2 得m2v2 3m1v1 选项c正确 答案 c 二 宇宙的演化1 宇宙的演化20世纪40年代 在大量天文学家观测的基础上 物理学家提出了宇宙演化的大爆炸假说 它的主要观点是 宇宙是由一个超高温 超高密度的 原始火球 发生大爆炸而开始的 然后经历了从热到冷的演化 在这个时期里 宇宙不断地膨胀 也称暴胀 宇宙物质从密到稀 当温度下降到几千摄氏度时 宇宙间主要是气态物质 后来气体逐渐凝聚成气云 并且进一步收缩形成各种各样的恒星体系 成为我们今天看到的宇宙天体 2 恒星的演化密度很低的星际物质逐渐形成星云 大块的星云由于引力作用而收缩逐渐凝成原恒星 原恒星继续收缩 温度不断升高 发生热核反应 当热核反应产生的斥力和引力作用达到平衡时 恒星不再收缩 进入相对稳定阶段 当核能源供应不足时 恒星的稳定状态遭到破坏 引力作用又开始大于斥力 星体又开始收缩 温度升高 发光能力增强 光度增加 外部膨胀 表面积增大 但表面温度降低 看上去呈红色 这时恒星便演化为红巨星或新星 当恒星核能耗尽时 就进入末期 恒星的末期形态主要有三种 白矮星 中子星或黑洞 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 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测结果 可估算宇宙年龄t 其计算式为t 根据长期观测 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 由此估算宇宙的年龄约为 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 年 1 1010年 答案 1 1010 变式迁移 2 双选 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 反夸克或反夸克组成的 它们的带电荷量如下表所示 表示e为元电荷 下列说法正确的是 a 由u和组成b 由d和组成c 由u和组成d 由d和组成 解析 由题目给的图表可以知道各种带电粒子的带电量及 介子 介子都是由一个夸克和一个反夸克组成的 运用电荷守恒定律可得a d两选项正确 答案 ad 基础巩固 1 目前普遍认为 质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成 u夸克带电量为e d夸克带电量为 e e为基元电荷 下列论断可能正确的是 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 原子带电量为2 e e 中子带电量为e 2 0 答案 b 2 双选 雷蒙德 戴维斯因研究来自太阳的中微子 ve 而获得了2002年度诺贝尔物理学奖 他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615吨四氯乙烯 c2cl4 溶液的巨桶 中微子可以将一个氯核转变为一个氩核 其核反应方程式为ve 已知核的量为36 95658u 核的质量为36 95691u 的质量为0 00055u 1u质量对应的能量为931 5mev 根据以上信息 可以判断 a 中微子不带电b 中微子就是中子c 和是同位素d 参与上述反应的中微子的最小能量约为0 82mev 解析 在核反应中 电荷数守恒 质量数