高考物理之 基本粒子现象详解（含试题详解）

问题1：生活中有哪些常见的碰撞现象？答：碰撞是自然界中常见的现象。如图所示，除生活中常见的物体会发生碰撞外，大到宇宙中的天体，小到微观世界的粒子都会发生碰撞现象。其中通过微观粒子的碰撞来产生新现象并进行相应的研究是人类认识微观世界的重要方法之一。问题2：为什么碰撞过程中，发生碰撞的物体组成的系统总动量是守恒的？答：在《1.3

动量守恒定律》一节的学习中，我们确定了相互作用的系统在①系统不受外力或②所受合外力矢量和为0又或者③系统所受合外力远小于内力时，系统的总动量总是保持不变。

碰撞这种相互作用过程满足条件③：当两个或者两个以上的物体发生碰撞时，由于碰撞这种相互作用的时间很短，因此系统间相互作用的内力远大于外力，系统的动量可认为是守恒的。问题3：常见的碰撞现象是如何进行分类的？答：①对心碰撞和非对心碰撞（按照球心的连线与速度方向是否共线进行分类）如图所示，一个运动的球与一个静止的球碰撞，碰撞之前球的运动速度与两球心的连线在同一条直线上，碰撞之后两球的速度仍会沿着这条直线。这种碰撞称为正碰，也叫对心碰撞。一个运动的球与一个静止的球碰撞，如果碰撞之前球的运动速度与两球心的连线不在同一条直线上，碰撞之后两球的速度都会偏离原来两球心的连线。这种碰撞称为非对心碰撞。非对心碰撞有可能是如图所示的二维问题，也有可能是三维空间中更复杂的运动，高中阶段研究的不多。如图所示，对心碰撞和非对心碰撞在台球比赛中非常常见②弹性碰撞和非弹性碰撞（按照碰撞过程中是否有机械能损失进行分类）若碰撞过程没有机械能损失，即碰撞前后系统的总动能相等的碰撞，这种碰撞称为弹性碰撞，又称完全弹性碰撞。通常，微观粒子间的碰撞可视为弹性碰撞。日常生活中，有些球之间的碰撞也可视为弹性碰撞，比如台球。一般情况下，碰撞过程中系统的机械能并不守恒，总有一部分机械能损失掉，转化为其他形式的能，这种机械能有损失的碰撞称为非弹性碰撞。在非弹性碰撞中，如果碰撞后物体结合在一起，以相同的速度运动，此时系统的机械能损失最大，这种碰撞称为完全非弹性碰撞。问题4：如何求解两个物体发生弹性碰撞后的速度？答：假若发生碰撞的两个物体一个质量为m1，碰撞前的速度为v1，碰撞后的速度为v1′，另一个质量为m2，碰撞前的速度为v2，碰撞后的速度为v2′。。根据前面的分析可知，碰撞过程中动量守恒，因此有：碰撞过程中机械能守恒，因此有：方程①和②组成的二元二次方程组看上去不容易求解，稍加处理后变成两个二元一次方程组求解就容易多了。方法如下：将方程①和方程②移项后整理可得：m1（v1-

v1′）=

m2（v2′-v2）……③对方程④应用数学上的平方差公式整理可得：m1（v1-

v1′）（v1+

v1′）=

m2（v2′-v2）（v2′+v2）……⑤方程③和方程⑤联立可得：重点说明：方程⑥简单易记，考试过程中可以在草稿纸上直接写出后进行后续运算，但作为解答题时，绝对不可以将方程⑥直接替代方程②放到解答过程中。经过上述处理，方程①②组成的二元二次方程组变成了方程①⑥组成的二元一次方程组，求解后可得：当弹性碰撞满足一些特殊条件时，我们会有一些有趣的发现。当m1=m2时，有v1′=

v2，v2′=

v1，即发生弹性碰撞的两个物体将交换速度。如就是如图所示的牛顿摆的基本工作原理。当m1>>m2时，有v1′=

v1，v2′=-

v2+2v1。这就是“引力弹弓”中给飞行器加速的工作原理。如图所示，《流浪地球》中就是利用同样的原理让木星给“流浪地球”加速的。

当m1>>m2且v1=0时，则v2′=-

v2。这就是我们之前的学习中遇到的小球与地面发生弹性碰撞时，小球将以原来的速率发生反弹的根本原因。生活中乒乓球与台面的碰撞、篮球与篮板的碰撞、台球与球台壁的碰撞等都近似于这种情况。问题5：为什么两个物体发生非弹性碰撞时，若碰撞后两者共速，动能的损失是最大的？答：假设非弹性碰撞过程中的动能损失为ΔE，则有：推理可知，当时，ΔE有极大值。

上述推理过程极为繁琐，可以通过讨论如下图所示的模型，加深对这个问题的理解。如图所示，光滑水平面上物体A和物体B分别以速度v1和v2运动，有一个轻弹簧固定在物体B上。当v1>v2时，物体A和物体B将逐渐接近，弹簧被压缩，弹簧的弹性势能增大。根据能量守恒定律可知，弹簧增加的弹性势能等于物体A和物体B减少的动能。

当物体A和物体B的速度相等时，弹簧将被压缩到最短，此时弹簧的弹性势能达到最大值，即物体A和物体B的总动能也减到最少。此后物体B被加速、物体A继续减速，AB之间的距离将增大，弹簧的弹性势能开始减小，物体A和物体B的总动能也开始增加。将两个物体发生非弹性碰撞的过程类比于以上模型中物体A和物体B及弹簧组成的系统相互作用的过程，碰撞过程中损失的机械能可类比于弹簧的弹性势能。经过上面的分析不难理解为什么两个物体速度相同时，系统损失的动能是最大的。问题6：如何判断一个碰撞过程是否能够发生？答：质量为1kg的物体A在光滑水平面上以6m/s的速度与质量为

2kg、速度为

2m/s的物体B发生正碰。碰撞后A、B两物体的速度可能值为

A.

vA

=5m/s，vB

=2.5m/s

B.

vA=2m/s，vB

=4m/s

C.

vA

=

-4m/s，vB

=7m/s

D.

vA

=7m/s，vB

=1.5m/s根据前面的分析可知，碰撞过程中遵循动量守恒定律。因此违反动量守恒定律的碰撞过程是不可能发生的。两个物体碰撞前的总动量为m1v1

+

m2v2=10kg·m/s。碰撞后的总动量为m1v1′+

m2v2′，将四个选项中的速度值代入可知，四个选项都是满足动量守恒的。根据能量守恒定律的普适性可知，碰撞后系统的总的机械能一定小于等于碰撞前系统总的机械能。两个物体碰撞前的总机械能为E=m1v12

/2+

m1v22/2=22J，碰撞后系统总的机械能为E′=m1v1′2

/2+

m1v2′2/2，将四个选项中的速度值代入可知，选项A的E′=18.75J，选项B

的E′=18J，选项C的E′=57J，选项D的E′=26.75J，显然选项C和选项D碰撞后系统总的机械能大于碰撞前系统总的机械能，因此不可能是两个物体碰撞后的状态。碰撞后的两个物体在没有外力的作用下不能再次发生碰撞。比如题目中的选项A和选项D两组速度值会使得两个物体再次发生碰撞，因此选项A和选项D表示的状态不是两个物体碰撞后的状态，而是碰撞过程中的某一时刻的状态。综合以上分析可知，只有选项B给出的速度值是两个物体发生碰撞后可能的状态。

问题1.

什么是基本粒子？答：基本粒子指的是不可再分的粒子，它们是组成世界的最小砖块。上世纪20年代，随着汤姆孙、卢瑟福、查德威克等人先后发现了电子、质子和中子，人们认为这即是组成世间万物的基本粒子。然而，随着量子力学的建立，人类通过对宇宙射线和原子核的进一步研究，发现粒子的结构与相互作用远比想象的复杂得多。随着量子电动力学的建立，粒子物理学应运而生。后续人们发现，质子和中子并非基本粒子。问题2.科学家们是如何发现中微子的？答：早在查德威克发现中子之前，卢瑟福和查德威克就已经从能量守恒的角度预测了中子的存在。然而，观测发现，β衰变过程产生的电子的能量与原子核初末状态的能量之差之间存在偏差，丹麦物理学家玻尔据此认为能量守恒定律在β衰变中失效了。奥地利物理学家泡利提出的反对意见认为：某一种尚未观测到的粒子带走了一部分能量。1930年，泡利基于实验数据，认为这种粒子质量为零，并且呈现电中性，不参与电磁相互作用，且穿透力很强，因此难以观测到。泡利还提出，这种粒子并不是光子。他认为，这种粒子就是卢瑟福和查德威克预言的中子。1932年，查德威克正式发现了中子。泡利所预言的粒子因此不得不“改名”。意大利物理学家费米将其命名为中微子，并把β衰变过程中核子之间发生的相互作用称为弱相互作用。我国物理学家王淦昌曾提出一种探测中微子的实验方案，但可惜未能实施。后续其他科学家利用相似的方法间接发现了中微子的存在。1956

年，中微子终于被正式发现。问题3.反粒子是什么，人类是如何发现反物质的？答：在大型的粒子对撞机建立之前，科学家们可在宇宙射线中寻找新粒子。1928年，英国物理学家狄拉克把量子力学的薛定谔方程与爱因斯坦的狭义相对论结合，得到了狄拉克方程。结合泡利不相容原理，狄拉克通过这个方程的负能解，从理论上预言了正电子的存在。它的质量与电子相同，但带有相反的电荷。在必修三的学习过程中，我们学习过正电子和电子相遇会湮没成一对γ粒子。基于此，我国物理学家赵忠尧发现了正电子存在的痕迹。1932年，美国物理学家，也是赵忠尧的同门师兄安德森在宇宙射线中找到了正电子。从此，人类对粒子的认识拓展到了正、反粒子层次。反粒子组成的物质就是反物质。值得注意是，有些粒子的反粒子就是其本身。4.杨-米尔斯理论在粒子物理发展历程上起到了什么作用？答：随着量子场论的建立与对撞机的发明以及宇宙射线的观测技术的提升，科学家们发现了更多的微观粒子。面对数以百计的微观粒子，追求简洁的物理学家们试图对其进行分类。人们发现很多微观粒子都会参与强相互作用。为了更好地描述强相互作用，1954年，杨振宁与合作者米尔斯基于外尔、克莱因和泡利等人的工作，把规范理论进一步推广，得到了杨-米尔斯理论。尽管这个理论存在着明显的缺陷，并且被泡利毫不留情地批评了一番，但杨振宁还是把文章发表了出来。后来证明，是泡利过度谨慎了。杨-米尔斯理论在后世得到了更多的推广，即各种非阿贝尔规范理论都可以看作是一种杨-米尔斯理论。（关于非阿贝尔规范理论，中学生只需要了解名称即可）后续，1956年，李政道和杨振宁提出了弱相互作用中宇称不守恒的观点，这不仅是华人在诺贝尔奖上零的突破，也为电弱规范理论（即统一电磁相互作用和弱相互作用）提供了基础。格拉肖、温伯格、萨拉姆、特霍夫特、维尔特曼等人逐渐建立并完善了电弱规范理论，而电弱规范理论框架中，其中一部分就可以视为一种杨-米尔斯理论。电弱规范理论中引入了希格斯机制，使得传递弱相互作用的W和Z玻色子获得了质量。问题5.夸克是什么？为什么质子和中子不再被视为基本粒子？答：上文提到，参与强相互作用的粒子被称为强子，质子和中子都是强子。强子的种类非常多，实验表明强子可能存在内部结构。1935年，日本物理学家汤川秀树曾提出介子理论，认为粒子之间是靠交换介子而产生相互作用的。1964年，美国物理学家盖尔曼提出的夸克模型模型认为，质子和中子都是由夸克组成的；其中，质子由两个上夸克（u）和一个下夸克（d）组成，即uud；中子由一个上夸克和两个下夸克组成（udd）。此外还有奇夸克（s）。这样，强子就可以归结为由夸克和传递强相互作用的胶子构成的粒子。显然，它们并非基本粒子。1974

年，美籍华裔物理学家丁肇中领导的研究组发现了J粒子。J粒子的属性无法用上述三种夸克描述。为此，物理学家进一步引入了第四种夸克——粲夸克（c）。后来，更高能量的研究又促进了底夸克（b）和顶夸克（t）的发现。前文所说的介子由1个夸克和1个反夸克组成，而重子则由3个夸克组成。为了进一步为夸克分类，科学家们引入了“色”的概念。不同的夸克具有不同的色荷。描述强相互作用的理论也因此得名量子色动力学。夸克无法独立存在，这一现象被称为色禁闭。问题6.什么是标准模型？答：经历了漫长的研究，物理学家们发现，宇宙万物仅仅由少数的几种粒子组成，原子是由电子和原子核组成的束缚态，电子和原子核之间的相互作用是电此相互作用，可以用量子电动力学描述；原子核是由质子和中子组成的束缚态，质子和中子束缚在一起的相互作用是强相互作用，可以用量子色动力学描述；而β衰变和恒星的核聚变中都有弱相互作用的参与。在这个过程中，会产生质量接近于零的粒子，即中微子。再加上引力相互作用，就可以描述人类所知的几乎全部的物理现象。随着高能对撞机和宇宙射线探测技术的发展，更多的基本粒子被发现。人们发现基本粒子还有三个世代，目前尚未有第四代粒子发现。总结上述对基本粒子的认识，科学家们提出了粒子物理的标准模型，如图所示。这其中包括六味夸克，每味夸克都有3种色，再加上它们的反粒子，共有6×3×2=36种夸克；还包括电子、缪子、陶子及其对应的中微子，以及其反粒子，共12种轻子。夸克和轻子是组成世界的砖块，它们被统称为费米子。而传递相互作用的粒子被成为规范玻色子，这包括传递强相互作用的胶子、传递电磁相互作用的光子、传递弱相互作用的Z、W玻色子，其中胶子有8种，W玻色子有两种，共计12种规范玻色子。再加上最后被实验发现的希格斯玻色子，基本的粒子的种类共计61种。标准模型是目前最为成功的物理理论之一。但它远非人类追求的爱因斯坦的圣杯。标准模型还不够简洁，并且存在着中微子的质量问题、暗物质的候选者问题等诸多疑难。为此科学家们做出了超对称理论等很有意义的尝试。问题7.我国物理学家在粒子物理的发展历程中做出了哪些贡献？答：赵忠尧：发现了反物质存在的痕迹。王淦昌：曾先后提出寻找中子和中微子的实验方法。杨振宁：与李政道一起提出量弱相互作用宇称不守恒。与米尔斯一起将规范理论推广到非阿贝尔情况下，即杨-米尔斯方程。这项工作是规范理论发展历程上的重要一步，为后续粒子物理标准模型的提出奠定了基础。杨振宁因此也被视作为标准模型做出重要贡献的物理学家之一。李政道：与杨振宁一起提出量弱相互作用宇称不守恒。在电弱统一理论也有贡献。丁肇中：发现J粒子，从而导致粲夸克的发现。段一士：他提出了任意自旋场的广义协变方程。他克服爱因斯坦、朗道等人