人教版高中物理舉一反三-選擇性必修三專題5.5基本粒子 （解析版）

專題5.5基本”粒子【人教版】TOC\o"1-3"\t"正文,1"\h【題型1粒子的形成】 【題型2粒子的分類】 【題型3夸克】 【題型4聯(lián)系實際】 【題型5反物質】 【題型6綜合問題】 【題型1粒子的形成】【例1】根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風采的時期，那么在大爆炸之后最早產生的粒子是()A．夸克、輕子、膠子等粒子B．質子和中子等強子C．光子、中微子和電子等輕子D．氫核、氘核、氦核等輕核【答案】A【解析】宇宙形成之初產生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經(jīng)歷了質子和中子等強子時代，再之后是自由的光子、中微子、電子大量存在的輕子時代，再之后是中子和質子結合成氘核，并形成氦核的核時代，之后電子和質子復合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此A正確，B、C、D的產生都在A之后，故B、C、D錯．【變式1-1】宇宙誕生過程中，產生如下粒子：①光子、中微子、電子等大量輕子；②氘核、氚核、氦3、氦核等輕核；③夸克、輕子、膠子等粒子；④質子和中子等強子；⑤電子、質子、氦核的混合電離氣體；⑥電子、質子復合成為中性氫原子。根據(jù)宇宙大爆炸理論，以上粒子形成的先后順序是()A．①②③④⑤⑥B．③①④②⑤⑥C．③④①②⑤⑥D．①③④②⑥⑤【答案】C【解析】根據(jù)大爆炸理論，宇宙形成之初是粒子家族，其后產生了夸克、輕子、膠子等粒子，然后按強子時代、輕子時代、核合成時代、混合電離氣體、中性氫原子的順序演化，故C項正確。故選：C。【變式1-2】現(xiàn)有的核電站常用的核反應之一是：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→14360Nd＋Zr＋3eq\o\al(1,0)n＋80－1e＋eq\x\to(ν)(1)核反應方程中的eq\x\to(ν)是反中微子，它不帶電，質量數(shù)為零，試確定生成物鋯(Zr)的電荷數(shù)與質量數(shù)．(2)已知鈾核的質量為235.0439u，中子的質量為1.0087u，釹(Nd)核的質量為142.9098u，鋯核的質量為89.9047u，試計算1kg鈾235裂變釋放的能量為多少焦耳？(已知1u質量相當于931.5MeV的能量，且1u＝1.6606×10－27kg)【解析】(1)鋯的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40，質量數(shù)A＝236－146＝90.(2)1kg鈾235中鈾核的個數(shù)為n＝eq\f(1,235.0439×1.6606×10－27)≈2.56×1024(個)不考慮核反應中生成的電子質量，1個鈾235核裂變產生的質量虧損為Δm＝0.212u，釋放的能量為ΔE＝0.212×931.5MeV≈197.5MeV則1kg鈾235完全裂變釋放的能量為E＝nΔE＝2.56×1024×197.5MeV＝5.056×1026MeV≈8.1×1013J.【答案】(1)4090(2)8.1×1013J【變式1-3】太陽內部的核聚變反應可以釋放出大量的能量，這些能量以電磁波輻射的形式向四面八方輻射出去，其總功率達P＝3.8×1026W.(1)估算太陽每秒鐘的質量虧損．(2)設太陽上的核反應都是4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e＋2ν＋28MeV這種形式的反應(ν是中微子，其質量遠小于電子質量，是穿透力極強的中性粒子)，地日距離L＝1.5×1011m，試估算每秒鐘太陽垂直照射地面上每平方米有多少中微子到達．(3)假設原始太陽全部由質子和電子組成，并且只有10%的質子可供“燃燒”，試估算太陽的壽命(太陽的質量為2.0×1030kg，質子的質量為1.67×10－27kg)．【解析】(1)太陽每秒鐘釋放的能量為ΔE＝Pt＝3.8×1026J，由質能方程ΔE＝Δmc2可得Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(3.8×1026,3×1082)kg＝4.2×109kg.(2)設E0＝28MeV，每秒鐘的核反應的次數(shù)為：n＝eq\f(ΔE,E0)＝eq\f(3.8×1026,28×106×1.6×10－19)＝8.48×1037次每秒鐘產生的中微子為n1＝2n＝1.696×1038個建一個以L為半徑的球模型，球的表面積為S＝4πL2＝2.826×1023m2則每平方米上有中微子的個數(shù)為：n2＝eq\f(n1,S)＝eq\f(1.696×1038,2.826×1023)＝6×1014個．(3)能發(fā)生反應的總質量為m1＝M×10%＝2.0×1030×10%kg＝2.0×1029kg，每次聚變用四個質子，每秒鐘用的質子數(shù)為n3＝4n＝4×8.48×1037個，質子的質量mp＝1.67×10－27kg，太陽的壽命為：t＝eq\f(m1,n3mp)＝eq\f(2.0×1029,4×8.48×1037×1.67×10－27)s＝3.53×1017s≈112億年．答案(1)4.2×109kg(2)6×1014個(3)112億年【題型2粒子的分類】【例2】（多選）關于人們發(fā)現(xiàn)的新粒子，下列說法正確的是（）A．許多粒子都有自己的反粒子B．把粒子分為強子、輕子、媒介子，根據(jù)是粒子與各種相互作用的關系C．質子屬于強子D．光子屬于輕子【答案】ABC【解析】許多粒子都有自己的反粒子，“反粒子”與其對應的正粒子具有相同的質量和相同的電量，但電荷的符號相反，故A正確；粒子分為三大類：媒介子、輕子和強子，依據(jù)其相互作用的關系，質子和中子屬于強子，光子屬于媒介子，τ子屬于輕子，故BC正確，D錯誤；故選ABC?！咀兪?-1】現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的粒子達400多種。它們大體可被分為哪幾種類別（）A．光子、夸克、強子、質子 B．夸克、輕子、強子、電子C．規(guī)范玻色子、希格斯玻色子、輕子、強子 D．質子、中子、電子、光子【答案】C【解析】按照粒子與各種相互作用的關系，大體可以把粒子分為四大類，即強子、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子，所以選項C正確，ABD錯誤。故選C?！咀兪?-2】以下說法正確的是（）A．最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子，最早發(fā)現(xiàn)的強子是中子B．質子、中子、介子和超子都屬于強子C．現(xiàn)代實驗發(fā)現(xiàn)強子、輕子都有內部結構D．τ子質量比核子質量大，τ子不屬于輕子【答案】B【解析】最早發(fā)現(xiàn)的強子是質子，最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子，A錯誤；強子有內部結構，由夸克組成，現(xiàn)代實驗還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內部結構，C錯誤；質子、中子、介子、超子都屬于強子，τ子質量比核子質量大，但仍屬于輕子，D錯誤，B正確。故選B。【變式2-3】（多選）下列所述正確的是（）A．強子是參與強相互作用的粒子B．輕子是不參與強相互作用的粒子C．目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有4種D．夸克有6種，它們帶的電荷量分別為元電荷的+或-【答案】ABD【解析】由粒子的特性可知，強子是參與強相互作用的粒子；輕子是不參與強相互作用的粒子。故AB正確；目前發(fā)現(xiàn)的輕子有6種，故C錯誤；夸克模型經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已知夸克有6種，它們帶的電荷分別為元電荷的+或-，故D正確。故選ABD?！绢}型3夸克】【例3】中子內有一個電荷量為的上夸克和兩個電荷量為的下夸克，假設三個夸克都在半徑為的同一圓周上，如圖所示，則下列四幅圖中能正確表示出各夸克所受靜電作用力的是（

）A．B．C．D．【答案】B【解析】對電荷量為的上夸克，它受到電荷量為的兩個下夸克等大的靜電力作用，由對稱性得，上夸克所受靜電力豎直向下，對電荷量為的下夸克，另一個下夸克對它的靜電力為上夸克對它的靜電力方向沿著連線方向，由幾何關系可知因此F與的合力方向豎直向上，且有如下圖所示同理可知，另一個下夸克所受靜電力的合力也豎直向上，綜上所述，B正確。故選B?！咀兪?-1】目前普遍認為，質子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成，u夸克帶電量為，d夸克帶電量為，e為基本電荷，下列論斷可能正確的是（

）A．質子由1個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成B．質子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成C．質子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由2個權u克和1個d夸克組成D．質子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和1個d夸克組成【答案】B【解析】由質子帶一個單位正電荷，中子不帶電，設質子中u夸克、d夸克個數(shù)分別是x、y，x、y取正整數(shù)，則解得x=2、y=1；設中子中u夸克d夸克個數(shù)分別是m、n，m、n取正整數(shù)。解得m=1、n=2即質子由2個u夸克和1個d夸克組成；中子由1個u夸克和2個d夸克組成。質子由1個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成，與結論不相符，選項A錯誤；質子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成，與結論相符，選項B正確；質子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由2個權u克和1個d夸克組成，與結論不相符，選項C錯誤；質子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和1個d夸克組成，與結論不相符，選項D錯誤；故選B?！咀兪?-2】已知介子、介子都是由一個夸克（夸克u或夸克d）和一個反夸克（反夸克或反夸克）組成的，它們的帶電荷量如下表所示，表中e為元電荷。ud帶電荷量下列說法正確的是（）A．由u和組成 B．由和d組成C．由u和組成 D．由和d組成【答案】D【解析】根據(jù)各種粒子帶電情況，的帶電荷量為，故由u和組成；的帶電荷量為，故由和d組成。故選D?！咀兪?-3】（多選）下列關于夸克模型的說法正確的是（）A．強子是由更基本的夸克組成的B．夸克的電荷量分別為元電荷的＋或－C．每種夸克都有對應的反夸克D．夸克能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)【答案】ABC【解析】強子是由更基本的夸克組成的。A正確；夸克的電荷量分別為元電荷的＋或－。B正確；每種夸克都有對應的反夸克，C正確；夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)，D錯誤。故選ABC?！绢}型4聯(lián)系實際】【例4】20世紀30年代以來,人們在對宇宙線的研究中,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子,K介子和π介子就是科學家在1947年發(fā)現(xiàn)的,K-介子的衰變方程為K-→π0+π-,其中K-介子和π-介子帶負電,電荷量等于元電荷的電荷量,π0介子不帶電。如圖所示,一個K-介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中,其軌跡為圖中的圓弧虛線,K-介子衰變后,π0介子和π-介子的軌跡可能是()答案：A解析:π0介子不帶電,在磁場中不偏轉,π-介子帶負電,在磁場中洛倫茲力作用下做勻速圓周運動,再根據(jù)動量守恒判定知A正確。【變式4-1】太陽放出的大量中微子向地球飛來，但實驗測定的數(shù)目只有理論的三分之一，后來科學家發(fā)現(xiàn)中微子在向地球傳播的過程中衰變成一個μ子和一個τ子。若在衰變過程中μ子的速度方向與中微子的速度方向一致，則τ子的運動方向（）A．一定與μ子的方向相同 B．一定與μ子的方向相反C．一定與μ子在同一直線上 D．不一定與μ子在同一直線上【答案】C【解析】中微子衰變成μ子和τ子的過程中滿足動量守恒定律，μ子的速度方向與中微子的速度方向一致，則τ子的運動方向必定也在這條直線上，由于質量關系不確定，則不能確定其速度方向與μ子的方向相同還是相反。故選C?！咀兪?-2】為了探究宇宙起源，科學家將利用阿爾法磁譜儀（AMS）在太空中尋找“反物質”，所謂“反物質”是由“反粒子”構成的?！胺戳Ｗ印迸c其對應的正粒子具有相同的質量和相同的電荷量，但電荷的符號相反，則反氫原子是（）A．由1個帶正電荷的質子和1個帶負荷的電子構成B．由1個帶負電荷的反質子和1個帶正電荷的正電子構成C．由1個帶負電荷的反質子和1個帶負電荷的電子構成D．由1個不帶電荷的中子和1個帶正電荷的正電子構成【答案】B【解析】反氫原子由1個帶負電荷的反質子和1個帶正電荷的正電子構成。故選B。【變式4-3】天文學家認為星際介質在某些條件下會形成恒星，然后進入稱為主序星的穩(wěn)定期。太陽目前正處子主序星演化階段，它主要由正、負電子和質子，氮原子核組成，維持太陽輻射的是它內部的核聚變反應，其反應是四個質子聚變?yōu)橐粋€氦原子核和兩個正電子并釋放出大量的能量，這些釋放出的核能最后轉化為輻射能，并同時以每秒向外拋出大量物質，最終塌陷為密度很大的白矮星。(1)地球只接受了太陽輻射能的二十二億分之一，就使地面溫暖，萬物生長。地球接受的輻射來自太陽中的核____________反應。(2)太陽內部進行的核反應是______________，并釋放出能量。(3)請將太陽演化過程中經(jīng)歷的幾個階段補充完整：星際介質—→____________—→主序星—→紅巨星—→____________。(4)太陽從現(xiàn)在演化到最終，經(jīng)歷的幾個階段相比，其密度的變化情況大致是______________________。答案：聚變

恒星

白矮星

先變小后變大解析：(1)地球接收的輻射主要來自太陽中的核聚變反應。(2)太陽內部進行的核反應是即四個質子聚變成一氦原子核和兩個正電子，并釋放出大量的能量。(3)根據(jù)材料論述可知太陽演化過程中經(jīng)歷的幾個階段是：星際介質→恒星→主序星→紅巨星→白矮星。(4)太陽從現(xiàn)在演化到最終，經(jīng)歷的幾個階段相比，其密度的變化情況大致是先變小后變大，最后塌陷為密度很大的白矮星?！绢}型5反物質】【例5】2010年3月31日，歐洲大型強子對撞機實現(xiàn)首次質子束對撞成功。科學家希望以接近光速飛行的質子在發(fā)生撞擊之后，能模擬宇宙大爆炸的能量，并產生新的粒子，幫助人類理解暗物質、反物質以及其他超對稱現(xiàn)象，從根本上加深了解宇宙本質，揭示宇宙形成之謎。歐洲科研機構宣布他們已經(jīng)制造出9個反氫原子。問題探究：(1)什么是反粒子？(2)請推測反氫原子的結構？答案：(1)見解析；(2)見解析解析：(1)“反粒子”與“正粒子”具有相同的質量，但帶有等量的異種電荷；(2)“反氫原子”應該具有與氫原子相同的質量，相反的電荷符號且相等的電荷量，所以反氫原子是核和構成的?！咀兪?-1】現(xiàn)在科學家們正在設法探尋“反物質”，所謂“反物質”是由“反粒子”構成的，“反粒子”與其對應的正粒子有相同的質量和相同的電荷量，但電荷符號相反。據(jù)此，若有反α粒子，它的質量數(shù)和電荷數(shù)分別為（）A．-4，-2 B．4，-2 C．-4，2 D．4，2【答案】B【解析】因“反粒子”與其對應的正粒子具有相同的質量、相同的電荷量，但電荷的符號相反。所以，反α粒子質量數(shù)為4，電荷數(shù)為-2。故選B?！咀兪?-2】（多選）關于人們發(fā)現(xiàn)的粒子，下列說法正確的是（）A．許多粒子都有自己的反粒子B．目前還未發(fā)現(xiàn)輕子的內部結構C．質子屬于強子D．光子屬于輕子【答案】ABC【解析】許多粒子都有自己的反粒子，反粒子與其對應的正粒子具有相同的質量和相同的電荷量，但電荷的符號相反，故A正確；目前還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內部結構，故B正確；質子和中子屬于強子，光子屬于規(guī)范玻色子，故C正確，D錯誤。故選ABC。【變式5-3】阿爾法磁譜儀(簡稱AMS)，是人類送入太空的第一臺磁譜儀，其核心部分是中國研制的一臺用銣鐵硼材料制成的大型永磁體．AMS將在太空中尋找反物質、暗物質等，來回答有關宇宙起源的重要問題．反物質是指由質量相同但電荷符號相反的反電子(即正電子)、反質子和反中子組成的反原子構成的物質．AMS原理是利用這些物質的粒子在磁場中運動時表現(xiàn)出的不同特點來探測的．如圖所示，是三種等速粒子在永磁體形成的磁場內的運動軌跡，下面對這三種粒子判斷可能正確的是()A．a粒子是反質子，b粒子是反電子B．a粒子是反質子，c粒子是反電子C．b粒子是反質子，c粒子是反電子D．c粒子是反質子，b粒子是反電子【答案】C【解析】首先由左手定則可知,向左偏轉的粒子帶正電,向右偏轉的粒子帶負電,根據(jù)R=mv/qB可知，等速的反質子比反電子的運動半徑大；反質子帶負電，反電子帶正電，由此可得：b可能為反質子，c可能為反電子。故C正確，ABD錯誤。故選C。【題型6綜合問題】【例6】（多選）2020年12月4日，新一代“人造太陽”裝置一中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）在成都建成并實現(xiàn)首次放電，HL-2M反應堆的成功對于全世界而言都有重大研究意義，它意味著中國能夠掌握利用核聚變技術發(fā)電，氘核聚變反應的方程為：，已知氘核的比結合能為E，核反應中釋放的核能為△E，核反應中發(fā)射一種γ光子，該γ光子照射到逸出功為W0的金屬上打出的最大初動能的光電子的速度為v，已知光電子的質量為m，光速為c，普朗克常量為h，下列說法正確的是（

）A．裂變反應比聚變反應更難控制 B．x的比結合能為C．光電子的德布羅意波長為 D．γ光子的頻率為【答案】BD【解析】聚變反應比裂變反應更難控制，A錯誤；根據(jù)可得B正確；光電子的德布羅意波長為，C錯誤；根據(jù)光電效應方程可得γ光子的頻率為，D正確。故選BD?！咀兪?-1】(多選)1961年，理論物理學家提出夸克模型，指出重子是由3個夸克組成的亞原子粒子，現(xiàn)代物理學認為，夸克共分6種3類：上夸克、下夸克；粲夸克、奇異夸克；頂夸克、底夸克(如下表).質子由兩個上夸克加一個下夸克組成，則中子的構成是兩個下夸克加一個上夸克，因此人類目前所接觸的物質都是由第一類夸克組成的.某次對撞實驗發(fā)現(xiàn)的新型粒子(歐米伽b重子)是由2個奇異夸克和1個底夸克組成的這是物理學界首次發(fā)現(xiàn)由后兩類夸克混合組成的重子.()符號中文名稱帶電荷量()質量()u上夸克0.004d下夸克0.008c粲夸克1.5s奇異夸克0.15t頂夸克176b底夸克4.7根據(jù)以上信息可以判定()A．歐米伽b重子帶的電荷為B．歐米伽b重子的質量是質子質量的250倍C．歐米伽b重子的質量是中子質量的250倍D．由質能方程得知【解析】由表中信息可知，歐米伽b重子帶的電荷量為，選項A正確；質子質量，故可知選項B錯誤；歐米伽b重子的質量為，中子的質量為，故可知選項C正確；，選項D正確.故選ACD?！敬鸢浮緼CD【變式6-2】下列說法正確的是()A．人類第一次實現(xiàn)原子核的人工核轉變是查德威克用粒子轟擊鈹原子