5.5“基本”粒子 学案（含答案）－2021年高中物理人教版（新教材）选择性必修第三册

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1、第第 5 节节 “基本基本”粒子粒子 核心 素养 物理观念 科学思维 1.了解构成物质的“基本”粒子。 2.了解近代发现的粒子。 3.知道粒子的分类。 4.了解夸克模型的内容。 体会感受科学发展过程中 蕴藏着的科学和人文精神。 知识点一 “基本”粒子和发现新粒子 观图助学 如图显示的是质子对质子碰撞后粒子的径迹，分叉的径迹表明有新的粒子产生， 这是否说明质子仍有其内部结构呢？即质子可能是由更小的粒子组成。 1.“基本”粒子不基本 “基本粒子”： 直到 19 世纪末， 人们认为光子、 电子、 质子、 中子是“基本粒子”， 随着科学的发展，一方面逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由中子、质 子

2、、电子组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结 构。因此，20 世纪后半期，就将“基本”二字去掉，统称粒子。 2.发现新粒子 (1)20 世纪 30 年代以来， 人们对宇宙射线的研究和加速器、 对撞机的开发及应用， 现已发现的新粒子达 400 多种。 (2)反粒子 实验中发现，存在着这样一类粒子，它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去 已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这些粒子叫作反粒子。 思考判断 (1)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。() (2)质子和反质子的电荷量相同，电性相反。() 知识点二 粒子的分类和夸克模型 1.粒子的分类 目前发现的粒子大体

3、可被分为强子、 轻子、 规范玻色子和希格斯玻色子几种类别。 2.夸克模型 (1)夸克的提出： 1964 年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型， 认为强子是 由夸克构成的。 (2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)、顶 夸克(t)。 (3)夸克所带的电荷量：夸克带的电荷为元电荷的1 3或 2 3。 (4)夸克的意义：电子电荷不再是电荷的最小单位。 (5)夸克的“禁闭”：夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的 “禁闭” 。 粒子 类型 发现 科学家 发现 时间 基本特点 原子 道尔顿 1803 电子 汤姆孙 1897 质量比质子小得多，

4、带一个 单位的负电荷 质子 卢瑟福 1911 带一个单位的正电荷 中子 查德 威克 1932 质量和质子的质量几乎相 等，不带电 19 世纪末，人们都认为原子是组成物质的最小微粒。 发现了电子、 质子和中子后， 许多人认为光子和它们是组成物质的“基本粒子”。 逐渐发现了数以百计的不由质子、中子、电子组成的新粒子；又发现质子、中子 等本身也有自己复杂的结构。从 20 世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称 为粒子。 反粒子符号的书写：电子 0 1e、质子11H、 粒子的反粒子的符号分别是： 0 1e、 1 1H、 4 2He。 原子结构图中的夸克 核心要点 新粒子的发现和分类 观察探究 如图所

5、示为粒子发展示意图。 (1)为什么现在将“基本”二字去掉，统称为粒子？ (2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破？ 提示 (1)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、 电子组成的， 又发现质子、 中子等本身也有自己的复杂结构。 所以现在将“基本” 二字去掉，统称为粒子。 (2)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。 探究归纳 1.新粒子的发现 (1)19311940 年发现正电子 子。 (2)19411950 年发现 K 介子和 介子。 (3)19511960 年发现反质子和电子中微子。 (4)186

6、11870 年发现 子中微子。 (5)19711980 年发现 子、胶子、3/4 介子。 (6)19811990 年发现 W 和 Z 玻色子。 (7)19912000 年发现 子中微子。 (8)2001至今发现希格斯玻色子。 2.粒子的分类 分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注 强子 参与强相互作用 质子、中子、介子、 超子 强子有内部结构， 由“夸克”构成； 强子又可分为介子 和重子 轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、 子、 子中微子、 子、 子中微子 未发现内部结构 规范玻 色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、 胶子 光子、中间玻色子、 胶子分别传递电 磁、弱、强相互作 用

7、 希格斯 玻色子 目前最后一个被发 现 是由希格斯的量子 激发 试题案例 例 1 在 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， 利用中微子与水中11H 的核反应， 间接地证实了中微子的存在。 (1)中微子与水中的11H 发生核反应， 产生中子(10n)和正电子( 0 1e)， 即中微子11H 1 0n 0 1e，可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是_。(填写选项前的字 母) A.0 和 0 B.0 和 1 C.1 和 0 D.1 和 1 (2)上述核反应产生的正电子与水中的电

8、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()，即 0 1e 0 1e2。已知正电子和电子的质量都为 9.110 31 kg，求反应中产生的每个光子的能量。正电子与电子相遇不可能只转 变为一个光子，原因是什么。 审题指导 解答本题时应注意以下三点 (1)核反应根据质量数和电荷数守恒，判断质量数和电荷数。 (2)正电子和负电子的湮灭，根据质能方程判断光子的能量。 (3)根据动量守恒定律判断产生光子的个数。 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，选项 A 正确。 (2)产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，质

9、量变为零，则 Emc2，故一个光子的能量为E 2，代入数据得 E 28.210 14 J。正电子与水中的 电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个 光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律。 答案 (1)A (2)8.210 14 J 此过程遵循动量守恒定律 针对训练 1 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u 或反夸克d )组成的，它们的带电荷量如表所示，表中 e 为元电荷。 粒子 U d u d 带电荷量 e e 2 3e 1 3e 2 3e 1 3e (1)按最简单的组成， 介子由谁和谁组成？ (2)按最简单的组成，

10、 介子由谁和谁组成？ 解析 (1) 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，夸克 u 带2 3e 和反夸克 d 带1 3e 合成电荷量为 e。 (2) 介子带有e 的电荷量，是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克 d 带1 3e 和反夸克 u 带2 3e 合成电荷量为e。 答案 (1) 介子是由夸克 u 和反夸克 d组成的 (2) 介子由夸克 d 和反夸克 u组成 1.(对“基本”粒子的理解)(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2 3或 1

11、 3 解析 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，故选项 A、B 正确；强子由夸克组成，夸克有 6 种。它们的带电荷量分别为2 3e 或 1 3e， 故选项 D 正确；目前能发现的轻子只有 6 种，故选项 C 错误。 答案 ABD 2.(粒子的分类)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、氘核、氦核等轻核 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、

12、电子大量存在的轻子时代，再之后 是中子和质子结合成氘核， 并形成氦核的核时代， 之后电子和质子复合成氢原子， 最后形成恒星和星系，因此选项 A 正确，B、C、D 的产生都在 A 之后，故选项 B、C、D 错误。 答案 A 3.(夸克模型)(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 3或 1 3 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 解析 夸克不能以自由的状态单个出现，选项 D 错误，A、B、C 正确。 答案 ABC 4.(“基本”粒子的性质理解)(多选)K 介子衰变方程为 K0，其中 K介 子和 介子是

13、带负电的基元电荷，0 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，其轨迹为圆弧(图中虚线)， 介子和 0 介子运 动轨迹可能是图中的( ) 解析 根据动量守恒定律可以判断核反应后 介子可能与K介子运动方向相同， 也可能相反，结合左手定则和带电粒子在磁场中的运动知识可知，本题的正确选 项为 A、B。 答案 AB 5.(对反粒子的理解)某一年，7 颗人造卫星同时接收到来自远方的中子星发射的 光子， 经分析确认， 1 个负电子和 1 个正电子湮灭时放出 2 个频率相同的 光子。 已知负电子、 正电子的静止质量 m09.110 31 kg， 又已知静止质量为 m 0的粒子，

14、 其能量 E 和湮灭前的动量 p 满足关系 E2c2p2m20c4。 式中 c 为光速， 若负电子、 正电子的动量为零，求： (1)写出湮灭的核反应方程式； (2)用动量的有关知识说明上述核反应不可能只放出一个光子； (3)计算出 光子的频率。 解析 (1)核反应方程式为 0 1e01e2。 (2)若只放出一个光子，说明反应后总动量不为零，而反应前总动量为零，违反动 量守恒定律，所以只放出一个光子是不可能的。 (3)正、 负电子湮灭前的动量为零， 即 c2p2项为零， 可知其对应的能量为 Em0c2， 光子的能量满足 Eh，由能量守恒有：m0c2m0c22h，即得频率为 m0c 2 h 9.110 31（3108）2 6.6310 34 Hz1.241020 Hz。 答案 见解析