8　粒子和宇宙.doc

19.8粒子和宇宙課時(shí)作業(yè)1關(guān)于粒子，下列說法中正確的是()A光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本粒子B質(zhì)量比核子大的粒子都參與強(qiáng)相互作用C強(qiáng)子、輕子、媒介子都由更基本的粒子夸克組成D許多粒子都存在反粒子解析：質(zhì)子、中子本身有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，A錯(cuò)誤，子的質(zhì)量比核子的質(zhì)量大，但它屬于輕子，不參與強(qiáng)相互作用，B錯(cuò)誤；現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，C錯(cuò)誤。答案：D2已知介子、介子都是由一個(gè)夸克(夸克u或夸克d)和一個(gè)反夸克(反夸克u或反夸克d)組成的，它們的帶電量如下表所示，表中e為元電荷。ud帶電量eeeeee下列說法正確的是()A由u和組成B由d和組成C由u和組成 D由d和組成解析：根據(jù)電荷量關(guān)系可知，由于介子帶有e的電量，又由于介子是由u夸克和d夸克組成，根據(jù)題意可知介子(e)應(yīng)由一個(gè)u夸克和反d夸克合成，同理介子由d夸克和反u夸克構(gòu)成。答案：A、D3根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時(shí)期，那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是()A夸克、輕子、膠子等粒子B質(zhì)子和中子等強(qiáng)子C光子、中微子和電子等輕子D氦核、氚核、氦子等輕核答案：A4正電子是電子的反粒子，它跟普通電子的電荷量相等，而電性相反，科學(xué)家設(shè)想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)反物質(zhì)。1997年，歐洲和美國的科學(xué)研究機(jī)構(gòu)先后宣布：他們分別制造出9個(gè)和7個(gè)反氫原子。這是人類探索反物質(zhì)的一大進(jìn)步，你推測反氫原子的結(jié)構(gòu)是()A一個(gè)帶正電荷的質(zhì)子和一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成B一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子和一個(gè)帶正電荷的中子構(gòu)成C由一個(gè)不帶電荷的中子和一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成D由一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶正電荷的電子構(gòu)成解析：氫原子由質(zhì)子和電子組成，它們的反粒子分別是反質(zhì)子和正電子，D正確。答案：D5宇宙誕生過程中，產(chǎn)生如下粒子：光子、中微子、電子等大量輕子；氘核、氚核、氦3、氦核等輕核；夸克、輕子、膠子等粒子；質(zhì)子和中子等強(qiáng)子；電子、質(zhì)子、氦核的混合電離氣體；電子、質(zhì)子復(fù)合成為中性氫原子。根據(jù)宇宙大爆炸理論，以上粒子形成的先后順序是()A BC D解析：根據(jù)大爆炸理論，宇宙形成之初是粒子家族，其后產(chǎn)生了夸克、輕子、膠子等粒子，然后按強(qiáng)子時(shí)代、輕子時(shí)代、核合成時(shí)代、混合電離氣體、中性氫原子的順序演化，故C正確。答案：C62002年，美國科學(xué)雜志評出的“2001年世界十大科技突破”中，有一個(gè)是加拿大薩德伯里中微子觀測站的結(jié)果，該站揭示了中微子失蹤的原因，即觀測到的中微子數(shù)目比理論值少是因?yàn)椴糠种形⒆釉谶\(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)化為一個(gè)子和一個(gè)子。在上述研究中有以下說法：若發(fā)現(xiàn)子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向一致，則子的運(yùn)動(dòng)方向與中微子的運(yùn)動(dòng)方向一定相反若發(fā)現(xiàn)子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向一致，則子的運(yùn)動(dòng)方向與中微子的運(yùn)動(dòng)方向可能一致若發(fā)現(xiàn)子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向相反，則子的運(yùn)動(dòng)方向與中微子的運(yùn)動(dòng)方向一定一致若發(fā)現(xiàn)子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向相反，則子的運(yùn)動(dòng)方向與中微子的運(yùn)動(dòng)方向可能相反其中正確的是()A BC D解析：中微子轉(zhuǎn)化過程中動(dòng)量守恒，ppp，若p、p同向，且p0，否則p0，正確。答案：B7.中子內(nèi)有一個(gè)電荷量為e的上夸克和兩個(gè)電荷量為e的下夸克，一簡單模型是三個(gè)夸克都在半徑為r的同一圓周上，如圖201所示。下面給出的四幅圖中，能正確表示出各夸克所受靜電作用力的是()圖201解析：本題考查的是庫侖力的大小方向及力的合成，明確每個(gè)夸克皆受兩個(gè)力的作用。電荷量為e的上夸克受兩個(gè)下夸克的吸引力，合力的方向一定向下，對其中一個(gè)夸克，受力如右圖所示，由于F1的水平分力與F2大小相等，方向相反，故F1與F2的合力豎直向上。答案：B8現(xiàn)在，科學(xué)家們正在設(shè)法尋找“反物質(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電荷數(shù)，但電荷的符號相反。據(jù)此，若有反粒子，則它的質(zhì)量數(shù)為_，電荷數(shù)為_。解析：由于“正粒子”為He，質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為2，根據(jù)題中對“反粒子”的定義，反粒子，質(zhì)量數(shù)也為4，而電荷數(shù)則應(yīng)為2。答案：429已經(jīng)證實(shí)，質(zhì)子、中子都是由稱為上夸克和下夸克的兩種夸克組成的，上夸克帶電為e，下夸克帶電為e，e為電子所帶電量的大小，如果質(zhì)子是由三個(gè)夸克組成的，且各個(gè)夸克之間的距離都為l，l1.51015 m。試計(jì)算質(zhì)子內(nèi)相鄰兩個(gè)夸克之間的靜電力(庫侖力)。解析：質(zhì)子帶電為e，所以它是由2個(gè)上夸克和1個(gè)下夸克組成的。按題意，三個(gè)夸克必位于等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)處，這時(shí)上夸克與上夸克之間的靜電力應(yīng)為Fuukk。代入數(shù)值，得Fuu46 N，為斥力。上夸克與下夸克之間的靜電力為Fudkk。代入數(shù)值，得Fud23 N，為吸力。答案：上夸克間靜電力F46 N，為斥力。上、下夸克間靜電力F23 N，為吸力。10.K介子衰變的方程為K0，其中K介子和介子帶負(fù)的基元電荷，0介子不帶電。一個(gè)K介子沿垂直于磁場的方向射入勻強(qiáng)磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產(chǎn)生的介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點(diǎn)相切，它們的半徑RK與R之比為21，如圖202所示，0介子的軌跡未畫出。由此可知介子的動(dòng)量大小與0介子的動(dòng)量大小之比是多少？圖202解析：由題意及圖示可知，K介子在P點(diǎn)處動(dòng)量方向向下，衰變后生成的介子動(dòng)量方向向上。由在勻強(qiáng)磁場中帶電粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑公式R知，在q、B相同的情況下，動(dòng)量和半徑成正比，所以|p|p|RKR21。若選向下方向?yàn)檎瑒t由K介子衰變過程中動(dòng)量守恒，得|p|p|p|，整理得|p|p|13。答案：1311天文觀測表明，幾乎所有遠(yuǎn)處的恒星(或星系)都在以各自的速度背離我們而運(yùn)動(dòng)，離我們越遠(yuǎn)的星體，背離我們運(yùn)動(dòng)的速度(稱為退行速度)越大；也就是說，宇宙在膨脹。為同星體的退行速度v和它們離我們的距離r成正比，即vHr。式中H為一常量，稱為哈勃常數(shù)，已由天文觀察測定。為解釋上述現(xiàn)象，有人提出一種理論，認(rèn)為宇宙是從一個(gè)大爆炸的火球開始形成的。假設(shè)大爆炸后各星體以不同的速度向外勻速運(yùn)動(dòng)，并設(shè)想我們就位于其中心，則速度大的星體現(xiàn)在離我們越遠(yuǎn)。這一結(jié)果與上述天文觀測一致。(1)由上述理論和天文觀測結(jié)果，可估算宇宙年齡T，其計(jì)算式是什么？(2)根據(jù)觀測，哈勃常數(shù)H3102 m/s光年，其中光年是光在一年中行進(jìn)的距離，由此估算宇宙的年齡約為多少年？解析：由于爆炸后各星體做的是勻速運(yùn)動(dòng)，令宇宙年齡為T，則星球現(xiàn)距我們的距離為rvTHrT，得：T。T年11010年。答案：(1)T(2)11010年12太陽內(nèi)部的核聚變可以釋放出大量的能量，這些能量以電磁輻射的形式向四面八方輻射出去，其總功率達(dá)P3.81026 W。(1)估算一下太陽每秒鐘損失的質(zhì)量；(2)設(shè)太陽內(nèi)部的核反應(yīng)都是4HHe2e2e25.8 MeV這種形式的反應(yīng)(e是中微子，其質(zhì)量遠(yuǎn)小于電子質(zhì)量，是穿透能力極強(qiáng)的中性粒子)，地日距離L1.51011 m，試估算每秒鐘太陽垂直照射在地球表面上每平方米有多少中微子到達(dá)？(3)假設(shè)原始太陽全部由質(zhì)子和電子組成，并且只有10%的質(zhì)子可供“燃燒”，試估算太陽的壽命。(太陽質(zhì)量約為2.01030 kg，質(zhì)子質(zhì)量為1.671027 kg)解析：(1)太陽每秒鐘放出的能量EPt3.81026 J，由質(zhì)能方程Emc2可得，m kg4.2109 kg4.2106 t。(2)每秒鐘聚變反應(yīng)的次數(shù)N次9.21037次，每秒鐘產(chǎn)生的中微子數(shù)N12N1.841038個(gè)，距太陽L1.51011 m的球面面積S4L243.14(1.51011)2 m22.8261023 m2，設(shè)每平方米有N2個(gè)中微子，則N2個(gè)6.