人教版高中物理题型训练：基本粒子 （解析版）

【题型1粒子的形成】

【例1】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.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.氢核、笊核、氮核等轻核

【答案】A

【解析】宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子

时代，再之后是自由的光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结合

成笈核，并形成筑核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此

A正确，B、C、D的产生都在A之后，故B、C、D错.

【变式1-1】宇宙诞生过程中，产生如下粒子：①光子、中微子、电子等大量轻子；②笊核

、家核、氮3、氮核等轻核；③夸克、轻子、胶子等粒子；④质子和中子等强子：⑤电子、

质子、氮核的混合电离气体；⑥电子、质子兔合成为中性氢原子。

根据宇宙大爆炸理论，以上粒子形成的先后顺序是（）

A.①②③④⑤⑥B.③①④②⑤@

C.③④①②®®D.①③④②©®

【答案】C

【解析】根据大爆炸理论，宇宙形成之初是粒子家族，其后产生了夸克、轻子、胶子等粒

子，然后按强子时代、轻子时代、核合成时代、混合电离气体、中性氢原子的顺序演化，故

C项正确c故选：C.

【变式1-2］现有的核电咕常用的核反应之一是:

道U+H-1436oNd+Zr+3而+8O-ie+V

(1)核反应方程中的T是反中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物错(Zr)的电荷数与

质量数.

(2)已知铀核的质量为2350439u,中子的质量为1.0087u,铉(Nd)核的质量为142.9098u,

倍核的质量为89.9047u,试计算1kg铀235裂变释放的能量为多少焦耳？(已知1u质量相

当于931.5MeV的能量，且Iu=1.6606x1027kg)

【解析】⑴钻的电荷数Z=92—60+8=40,质量数4=236—146=90.

(2)1kg铀235中铀核的个数为

"=235.0439x1,6606xl0-27^2>56X10?4(个)

不考虑核反应中生成的电子质量，1个铀235核裂变产生的质量亏损为A〃?=0.212u,释放

的能量为

AE=0.212x931.5MeV=197.5MeV

则1kg铀235完全裂变释放的能量为

E=/?△£=2.56x1()24x197.5MeV=5.056xl026MeV=8.lx10"J.

【答案】⑴4090(2)8.1x10%

【变式1-3】太阳内部的核聚变反应可以释放出大量的能量，这些能量以电磁波辐射的形式

向四面八方辐射出去，其总功率达P=3.8X1026W.

(I)估算太阳每秒钟的质量亏损.

⑵设太阳上的核反应都是4|HTHe+2?e+2V+28MeV这种形式的反应。是中微子，其质

量远小于电子质量，是穿透力极强的中性粒子)，地日距离乙=1.5x10"m,试估算每秒钟太

阳垂直照射地面上每平方米有多少中微子到达.

⑶假设原始太阳全部由质子和甩子组成，并且只有10%的质子可供“燃烧”，试估算太阳的

寿命(太阳的质量为2.0x1*kg,质子的质量为1.67x10-27kg).

【解析】⑴太阳每秒钟释放的能量为AE=P/=3.8X10：6J,由质能方程△£=△/必可得

A£3.8x1026

kg=4.2xl09kg.

=7r=3x10s2

(2)设Eo=28MeV,每秒钟的核反应的次数为:

26

XE3.8x10=8.48x1()37次

n=£o=28x|O6xl.6xlO-K

每秒钟产生的中微子为=2〃=1.696x1每个

建一个以L为半径的球模型，球的表面积为

5=4nL2=2.826xlO23nr

则每平方米上有中微子的个数为：

1.696x1()38

W2_T_2.826X1023~6X1°1-

⑶能发生反应的总质量为孙=Mxl0%=2.0xl030x10%kg=2.0xl（）29kg,每次聚变用四个质

子，每秒钟用的质子数为/"=4〃=4X8.48X1（）37个，质子的质量加p=1.67x1027kg,

2.0x1029

太阳的寿命为：f=ni\27s=3.53xlOl7s~112亿年.

小叫一4x8.48x1037x1.67x10

答案（l）4.2xlOykg（2）6xl（）x个（3）112亿年

【题型2粒子的分类】

【例2】（多选）关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是（）

A.许多粒子都有自己的反粒子

B.把粒子分为强子、轻子、媒介子，根据是粒子与各种相互作用的关系

C.质子属于强子

D.光子属于轻子

【答案】ABC

【解析】许多粒子都有自己的反粒子，“反粒子”与具对应的止粒子具有相同的质量和相同的

电量，但电荷的符号相反，故A正确；粒子分为三大类；媒介子、轻子和强子，依据其相

互作用的关系，质子和中子属于强子，光子属于媒介子，T子属于轻子，故BC正确，D错

误;故选ABC。

【变式2-1］现已发现的粒子达400多种。它们大体可被分为哪几种类别（）

A.光子、夸克、强子、质子B.夸克、轻子、强子、电子

C.规范玻色子、希格斯玻色子、轻子、强子D.质子、中子、电子、光子

【答案】C

【解析】按照粒子与各种相互作用的关系，大体可以把粒子分为四大类，即强子、轻子、规

范玻色子和希格斯玻色子，所以选项C正确，ABD错误。故选C。

【变式2-2］以下说法正确的是（）

A.最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子

B.质子、中子、介子和超子都属于强子

C.现代实验发现强子、轻子都有内部结构

D.T子质量比核子质量大，T子不属于轻子

【答案】B

【解析】最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，A错误；强子有内部结构，由夸

克组成，现代实验还没有发现轻子的内部结构，C错误；质子、中子、介子、超子都属于强

子，r子质量比核子质量大，但仍属于轻子，D错误，B正确。故选B。

【变式2-3］（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4种

D.夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的+［或1

JJ

【答案】ABD

【解析】由粒子的特性可知，强子是参与强相互作用的粒子；轻子是不参与强相互作用的粒

子。故AB正确；目前发现的轻子有6种，故C错误；夸克模型经过几十年的发展，已知夸

71

克有6种，它们带的电荷分别为元电荷的+彳或一,故D正确。故选ABD。

【题型3夸克】

21

【例3】中子内有一个电荷量为+"的上夸克和两个电荷量为Je的下夸克，假设三个夸

克都在半径为〃的同一圆周上，如图所示，则下列四幅图中能正确表示出各夸克所受静电作

用力的是（）

2I

【解析】对电荷量为十：e的上夸克，它受到电荷量为-2的两个下夸克等大的静电力作用,

由对称性得，上夸克所受静电力竖直向下，对电荷量为-je的下夸克，另一个下夸克对它

]_J

的静电力为/

1(鬲2

上夸克对它的静电力F_声1.丁2

方向沿着连线方向，由几何关系可知“'sin3。。="

因此F与F的合力方向竖直向上，且有因=F'cos30。

如下图所示

同理可知，另一个下夸克所受静电力的合力也竖直向上，综上所述，B正确。

故选Bo

【变式3-1】目前普遍认为，质子和中子都是由被称为〃夸克和d夸克的两类夸克组成，〃

夸克带电量为胃，d夸克带电量为-(，。为基本电荷，下列论断可能正确的是()

JD

A.质子由1个“夸克和1个d夸克组成,中子由1个〃夸克和2个d夸克组成

B.质子由2个〃夸克和1个d夸克组成,中子由1个“夸克和2个d夸克组成

C.质子由1个“夸克和2个d夸克组成,中子由2个权〃克和1个4夸克组成

D.质子由2个〃夸克和1个d夸克组成,中子由1个〃夸克和1个d夸克组成

【答案】B

【解析】由质子带一个单位正电荷，中子不带电，设质子中〃夸克、”夸克个数分别是)，,

%、y取正整数，则xx,+)，x(-()=e解得x=2、产1；设中子中〃夸克d夸克个数分别

是〃?、〃，〃八〃取正整数.+-5)=()解得〃2=1、"=2即质子由2个〃夸克和

1个d夸克组成；中子由1个“夸克和2个〃夸克组成。质子由1个〃夸克和1个d夸克组

成，中子由1个〃夸克和2个"夸克组成，与结论不相符，选项A错误；质子由2个“夸克

和1个d夸克组成，中子由1个〃夸克和2个d夸克组成，与结论相符，选项B正确；质子

由1个〃夸克和2个d夸克组成，中子由2个权〃克和1个d夸克组成，与结论不相符，选

项C错误；质子由2个“夸克和1个d夸克组成，中子由1个〃夸克和1个d夸克组成，与

结论不相符，选项D错误；

故选Bo

【变式3-2】己知；r+介子、T-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G或反夸克汗）组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷。

4'乃-udud

2121

带电荷量+e-e+—e一一e—e+-e

3333

下列说法正确的是（）

A.二由u和口组成B./由G和d组成

C.I-由u和3组成D.I-由£和d组成

【答案】D

【解析】根据各种粒子带电情况，小的带电荷品为+e，故由u和d组成：乃一的带电荷最为

-e，故由G和d组成。故选D.

【变式3-3］（多选）下列关于夸克模型的说法正确的是（）

A.强子是由更基本的夸克组成的

B.夸克的电荷量分别为元电荷的+；2或一:1

C.每种夸克都有对应的反夸克

D.夸克能以自由的状态单个出现

【答案】ABC

【解析】强子是由更基本的夸克组成的。A正确；夸克的电荷量分别为元电荷的+：2或一：1。

B正确；每种夸克都有对应的反夸克，C正确；夸克不能以自由的状态单个出现，D错误。

故选ABCo

【题型4联系实际】

［例4］20世纪30年代以来,人们在对宇宙线的研究中,陆续发现了一些新的粒子,K介子和

又介子就是科学家在1947年发现的,K介子的衰变方程为K-兀°+又，其中K介子和n介子

带负电，电荷量等于元电荷的电荷量，/介子不带电。如图所示，一个K介子沿垂直于磁场的

方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线,K介子衰变后，一介子和n介子的轨迹可

能是（）

XXXXXXXXXXXXXXX

XXX

nz

xxxx区xxx>GJox

咫XXXX爻XXXKXXXXXXX

ABCD

答案：A

解析：一介子不带电，在磁场中不偏转，n介子带负电,在磁场中洛伦兹力作用下做匀速圆

周运动,再根据动量守恒判定知A正确。

【变式4-1】太阳放出的大量中微子向地球飞来，但实验测定的数目只有理论的三分之一，

后来科学家发现中微子在向地球传播的过程中衰变成一个H子和一个T子。若在衰变过程中

H子的速度方向与中微子的速度方向一致，则T子的运动方向()

A.一定与日子的方向相同B.一定与口子的方向相反

C.一定与日子在同一直线上D.不一定与日子在同一直线上

【答案】C

【解析】中微子衰变成H子和T子的过程中满足动量守恒定律，H子的速度方向与中微子的

速度方向一致，则T子的运动方向必定也在这条直线上，由于质量关系不确定，则不能确定

其速度方向与H子的方向相同还是相反。

故选C。

【变式4-2】为了探究宁宙起源，科学家将利用阿尔法磁谱仪(AMS)在太空中寻找“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，则反氢原子是()

A.由1个带正电荷的质子和1个带负荷的电子构成

B.由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成

C.由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成

D.由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成

【答案】B

【解析】反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成。故选Bo

【变式4-3】天文学家认为星际介质在某些条件下会形成恒星，然后进入称为主序星的稳定

期。太阳目前正处子主序星演化阶段，它主要由正、负电子和质子，氮原子核组成，维持太

阳辐射的是它内部的核聚变反应，其反应是四个质子聚变为一个氮原子核和两个正电子并释

放出大量的能量，这些释放出的核能最后转化为辐射能，并同时以每秒4.2xlO')kg向外抛出

大量物质，最终塌陷为密度很大的白矮星。

(1)地球只接受了太阳辐射能的二十二亿分之一，就使地面温暖，万物生长。地球接受的辐

射来自太阳中的核____________反应。

(2)太阳内部进行的核反应是,并释放出能量。

⑶请将太阳演化过程中经历的几个阶段补充完整：

星际介质一►--►主序星一一＞红巨星一＞O

(4)太阳从现在演化到最终，经历的几个阶段相比，其密度的变化情况大致是

答案：聚变4；H-；He+2：e恒星白矮星光变小后变大

解析：（1）地球接收的辐射主要来自太阳中的核聚变反应。

（2）太阳内部进行的核反应是4；H7:He+2%

即四个质子聚变成一家原子核和两个正电子，并释放出大量的能量。

⑶根据材料论述可知太阳演化过程中经历的几个阶段是：

星际介质一恒星一主序星->红巨星一白矮星。

（4）太阳从现在演化到最终，经历的几个阶段相比，其密度的变化情况大致是先变小后变大，

最后塌陷为密度很大的白矮星。

【题型5反物质】

【例5】2010年3月31F1,欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功。科学家希望以

接近光速飞行的质子在发生撞击之后，能模拟宇宙大爆炸的能量，并产生新的粒子，帮助人

类理解暗物质、反物质以及其他超对称现象，从根本上加深了解宇宙本质，揭示宇宙形成之

谜。欧洲科研机构宣布他们已经制造出9个反氢原子。

问题探究：

⑴什么是反粒子？

（2）请推测反氢原子的结构？

答案：（1）见解析；（2）见解析

解析：（1）“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异种电荷；

（2）“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且相等的电荷量，所以反氢

原子是:H核和枭构成的。

【变式5-1］现在科学家们正在设法探寻“反物质〃，所谓“反物质”是由“反粒子〃构成的，“反

粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反。据此，若有反a

粒子，它的质量数和电荷数分别为（）

A.-4,-2B.4,-2C.-4,2D.4,2

【答案】B

【解析】因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反。

所以，反a粒子质量数为4,电荷数为-2。故选B“

【变式5-2］（多选）关于人们发现的粒子，下列说法正确的是（）

A.许多粒子都有自己的反粒子

B.目前还未发现轻子的内部结构

C.质子属于强子

D.光子属于轻子

【答案】ABC

【解析】许多粒子都有自」的反粒子，反粒子与其对应的止粒子具有相同的质量和相同的电

荷量，但电荷的符号相反，故A正确；H前还没有发现轻子的内部结构，故B正确；质子

和中子属于强子，光子属于规范玻色子，故C正确，D错误。故选ABC。

【变式5-3】阿尔法磁谱仪（简称4MS）,是人类送入太空的第一台磁谱仪，其核心部分是中国

研制的一台用锄铁硼材料制成的大型永磁体.4Ms将在天空中寻找反物质、暗物质等，来问

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=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。故C正确，ABD错误。故选C。

【题型6综合问题】

【例6】（多选）2020年12月4日，新一代“人造太阳〃装置一中国环流器二号M装置（〃心2M）

在成都建成并实现首次放电，“心2M反应堆的成功对于全世界而言都有重大研究意义，它

意味着中国能够掌握利用核聚变技术发电，笊核聚变反应的方程为：：H+：Hrx+：）n,已知

笊核的比结合能为E,核反应中释放的核能为团£核反应中发射一种7光子，该丫光子照射

到逸出功为的金属上打出的最大初动能的光电子的速度为v,已知光电子的质量为机，

光速为c,普朗克常量为力，下列说法正确的是（）

AF

A.裂变反应比聚变反应更难控制B.x的比结合能为4+半

C.光电子的德布罗意波长为心~D.7光子的频率为吗芈

me2h

【答案】BD

【解析】聚变反应比裂变反应更难控制，A错误：根据4E+AE=3E,可得

4AEh

+亭B正确：光电子的德布罗意波长为」■,C错误；根据光电效应方程

33mv

占机2="_叱）可得y光子的频率为把士芈，D1E硝。故选BD。

22/1

【变式6-1］（多选）1961年，理论物理学家提出夸克模型，指出重子是由3个夸克组成的亚

原子粒子，现代物理学认为，夸克共分6种3类：上夸克、下夸克；粲夸克、奇异夸克；顶

夸克、底夸克（如下表）.质子由两个上夸克加一个下夸克组成，则中子的构成是两个下夸克加

一个上夸克，因此人类目前所接触的物质都是由第一类夸克组成的.某次对撞实验发现的新

型粒子（欧米伽》重子）是曰2个奇异夸克和1个底夸克组成的这是物理学界首次发现由后两

类夸克混合组成的重子.（1G=109）

符号中文名称带电荷量（e）质量(GcV/c?)

2

U上夸克+—0004

3

\_

下夸克

(1~30.008

2

C粲夸克+—1.5

3

£

奇异夸克

S~30.15

2

t顶夸克+—176

3

,1

b底夸克4.7

3

根据以上信息可以判定（）

A.欧米伽。重子带的电荷为-e

B.欧米伽b重子的质量是质了•质量的250倍