5.5“基本”粒子-学案

5.5“基本”粒子【学习目标】一、知识与技能1．了解构成物质的“基本粒子”。2．了解粒子物理的发展史。二、过程与方法1．感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法。2．能够突破传统思维重新认识客观物质世界。三、情感、态度与价值观1．真正感受自然的和谐统一，深知创建和谐社会的必要性。2．培养科学探索精神。【学习重点】了解构成物质的粒子。【学习难点】各种微观粒子模型的理解。【学习过程】一、发现新粒子1．19世纪末，人们认为光子、_____________、_____________和_____________是组成物质的不可再分的最基本的粒子，20世纪后半期，科学家发现组成原子核的___________和___________等也有着自己的复杂结构，于是基本粒子不再“基本”。2．在实验中发现，对应着许多粒子都存在着质量与之___________，电荷电性与之___________的粒子叫反粒子。如电子的反粒子是___________。二、粒子的分类1．物理学中将粒子分为_____________、_____________、_____________和_____________四类。（1）强子：__________强相互作用的粒子。比如：__________和___________。（2）轻子：__________强相互作用。比如：__________和___________。每种轻子都有对应的________。（3）规范玻色子：______________________________的粒子。比如：________________________________________________________。（4）希格斯玻色子：希格斯场的____________________。2．科学家认为强子由更小的成分组成，这种成分叫_____________，它分为：__________、__________、__________、__________、__________、__________。它的电荷量为元电荷的__________________。这一理论说明了元电荷不再是电荷量的最小值。【练习巩固】1．关于粒子，下列正确的是（）A．质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B．质子、中子本身也是复合粒子，它们拥有复杂的结构C．质子是带电的弱子D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位答案：BD2．关于分子的说法下列正确的是（）A．分子是组成物质的最小微粒B．分子是物质中不能再分的最小微粒C．分子是组成物质，并能保持物质化学性质的最小微粒D．分子是人们为了描述物质结构而想象出来的模型，实际是不存在的答案：C3．下列粒子呈带正电荷性质的是（）A．质子 B．中子C．电子 D．原子答案：A4．下列物体的尺寸由小到大排列的是（）A．夸克/电子、原子核、质子/中子、原子、分子、物质B．夸克/电子、质子/中子、原子核、原子、分子、物质C．夸克/电子、原子核、原子、质子/中子、分子、物质D．物质、分子、原子、原子核、质子/中子、夸克/电子答案：C第五章5A组·基础达标1．(多选)下列说法中正确的是()A．目前还未发现玻色子、轻子和夸克这三类粒子的内部结构B．自然界存在着能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对基本粒子不适用C．反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子【答案】ACD【解析】玻色子、轻子和夸克在现代实验中还没有发现其内部结构，故A正确．反粒子带等量异种电荷，反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象，故C正确．质子是最早发现的强子，故D正确．2．(多选)下列所述正确的是()A．强子是参与强相互作用的粒子B．轻子是不参与强相互作用的粒子C．目前发现的轻子只有8种D．夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)【答案】ABD【解析】由三类粒子的特性可知A、B正确；而目前发现的轻子只有6种，C错误；夸克模型经过几十年的发展，已知夸克有6种，它们带的电荷分别为元电荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)，D正确．3．阿尔法磁谱仪(简称AMS)，是人类送入太空的第一台磁谱仪，其核心部分是中国研制的一台用铷铁硼材料制成的大型永磁体．AMS将在太空中寻找反物质、暗物质等，回答有关宇宙起源的重要问题．反物质是指由质量相同但电荷符号相反的反电子(即正电子)、反质子和反中子组成的反原子构成的物质．AMS原理是利用这些物质的粒子在磁场中运动时表现出的不同特点来探测的．如图所示，是三种等速粒子在永磁体形成的磁场内的运动轨迹，下面对这三种粒子判断可能正确的是()A．a粒子是反质子，b粒子是反电子B．a粒子是反质子，c粒子是反电子C．b粒子是反质子，c粒子是反电子D．c粒子是反质子，b粒子是反电子【答案】C【解析】首先由左手定则可知，向左偏转的粒子带正电，向右偏转的粒子带负电，根据r＝eq\f(mv,qB)可知，等速的反质子比反电子的运动半径大；反质子带负电，反电子带正电，由此可得b可能为反质子，c可能为反电子．4.1956年，李政道和杨振宁提出在弱相互作用中动量不守恒，并由吴健雄用eq\o\al(60,27)Co放射进行了实验验证，1957年李、杨两人为此获得诺贝尔物理学奖.eq\o\al(60,27)Co的衰变方程是eq\o\al(60,27)Co→eq\o\al(A,Z)Ni＋eq\o\al(0,－1)e＋eq\x\to(νe)，eq\x\to(νe)是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可认为是零，则衰变产物eq\o\al(A,Z)Ni的质量数和核电荷数分别为()A．60,28 B．60,26C．59,26 D．59,28【答案】A【解析】根据核电荷数守恒得27＝Z－1，Z＝28，；根据质量数守恒得60＝A＋0，A＝60.故A正确．5．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夸克带电荷量为eq\f(2,3)e，d夸克的带电荷量为－eq\f(1,3)e，e为元电荷．下列论断中可能正确的是()A．质子由1个u夸克和2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2个u夸克和1个d夸克组成【答案】B【解析】质子eq\o\al(1,1)H带电荷量为2×eq\f(2,3)e＋(－eq\f(1,3)e)＝e，中子eq\o\al(1,0)n带电荷量为eq\f(2,3)e＋2×(－eq\f(1,3)e)＝0.可见B正确．6．正电子是电子的反粒子，它跟普通电子电荷量相等，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年初和年底，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()A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C．由一个不带电的中子与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负电荷的电子构成【答案】B【解析】氢原子是由质子和电子构成，那么反氢原子也应由它们的反粒子构成，即反质子和反电子，因此B正确，A、C、D错误．7．(多选)加拿大萨德伯里中微子观察站揭示了中微子失踪的原因，即观察到的中微子数目比理论值少是因为中微子在运动过程中转化为一个μ子和一个τ子．对上述研究有以下说法，正确的是()A．若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向相反B．若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能一致C．若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向一定一致D．若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能相反【答案】BC【解析】对微观粒子运用动量守恒定律，关键在于明确动量守恒定律的适用条件，它包括高速运动物体和低速运动物体，包括宏观物体和微观物体，因此由动量守恒定律可得B、C正确．8．已知π＋介子、π－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eq\o(u,\s\up6(－))或反夸克eq\o(d,\s\up6(－)))组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷.粒子π＋π－udeq\o(u,\s\up6(－))eq\o(d,\s\up6(－))带电荷量＋e－e＋eq\f(2e,3)－eq\f(e,3)－eq\f(2e,3)＋eq\f(e,3)由此可知π＋由______和______组成，π－由______和______组成．【答案】ueq\o(d,\s\up6(－))deq\o(u,\s\up6(－))【解析】因π＋介子带有＋e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u带＋eq\f(2,3)e和反夸克eq\o(d,\s\up6(－))带＋eq\f(1,3)e合成电荷量为e，那么π＋介子就是由夸克u和反夸克eq\o(d,\s\up6(－))组成的；同理，π－介子由夸克d和反夸克eq\o(u,\s\up6(－))组成．B组·能力提升9．K－介子衰变的方程为K－→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是带负电的基元电荷，π0介子不带电．如图所示的1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π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径Rk－与Rπ－之比为2∶1，π0介子的轨迹未画出．由此可知π－的动量大小与π0的动量的大小之比为()A．1∶1 B．1∶2C．1∶3 D．1∶6【答案】C【解析】带电粒子K－与π－在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力Bqv＝eq\f(mv2,R)，得R＝eq\f(mv,Bq)＝eq\f(p,Bq).K－介子与π－介子带电量相同，故运动的半径之比等于动量之比pK－∶pπ－＝Rπ－∶Rπ0＝2∶1，在衰变后π－介子与π0介子动量方向相反，设K－介子的动量为正，则π－介子动量为负值，由动量守恒pK－＝－pπ－＋pπ0，则pπ－∶pπ0＝1∶3，故A、B、D错误；C正确．10．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子ν与水中eq\o\al(1,1)H的核反应，间接地证实了中微子的存在．(1)中微子与水中的eq\o\al(1,1)H发生核反应，产生中子(eq\o\al(1,0)n)和正电子(eq\o\al(0,1)e)，即ν＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(0,1)e，可以判定，中微子ν的质量数和电荷数分别是________．(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子γ，即eq\o\al(0,1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ.已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31kg，反应中产生的每个光子的能量约为______J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么？【答案】(1)0和0(2)8.2×10－14原因略【解析】(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0.(2)产生能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2，故一个光子的能量为eq\f(E,2)，代入数据得eq\f(E,2)＝8.2×10－14J．正电子与水中的电子相遇，两电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故只有产生2个光子，此过程才遵循动量守恒定律．11．下面一系列核反应是恒星内部发生的．p＋eq\o\al(12,6)C→eq\o\al(13,7)Neq\o\al(13,7)N→eq\o\al(13,6)C＋e＋＋νp＋eq\o\al(13,6)C→eq\o\al(14,7)Np＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(15,8)Oeq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,7)N＋e＋＋νp＋eq\o\al(15,7)N→eq\o\al(12,6)C＋α其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，ν为一种中微子．已知质子的质量mp＝1.672648×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.644929×10－27kg，正电子的质量me＝9.11×10－31kg，中微子的质量