人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：第5節(jié)“基本”粒子

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1第5節(jié)“基本”粒子核心素養(yǎng)物理觀念科學(xué)思維1.了解構(gòu)成物質(zhì)的“基本”粒子。2.了解近代發(fā)現(xiàn)的粒子。3.知道粒子的分類。4.了解夸克模型的內(nèi)容。體會感受科學(xué)發(fā)展過程中蘊(yùn)藏著的科學(xué)和人文精神。知識點一“基本”粒子和發(fā)現(xiàn)新粒子〖觀圖助學(xué)〗如圖顯示的是質(zhì)子對質(zhì)子碰撞后粒子的徑跡，分叉的徑跡表明有新的粒子產(chǎn)生，這是否說明質(zhì)子仍有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？即質(zhì)子可能是由更小的粒子組成。1.“基本”粒子不基本“基本粒子”：直到19世紀(jì)末，人們認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子、中子是“基本粒子”，隨著科學(xué)的發(fā)展，一方面逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的新粒子，它們都不是由中子、質(zhì)子、電子組成的；另一方面科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。因此，20世紀(jì)后半期，就將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱粒子。2.發(fā)現(xiàn)新粒子(1)20世紀(jì)30年代以來，人們對宇宙射線的研究和加速器、對撞機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的新粒子達(dá)400多種。(2)反粒子實驗中發(fā)現(xiàn)，存在著這樣一類粒子，它們的質(zhì)量、壽命、自旋等物理性質(zhì)與過去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子相同，而電荷等其他性質(zhì)相反，這些粒子叫作反粒子?！妓伎寂袛唷?1)質(zhì)子、中子、電子都是不可再分的基本粒子。(×)(2)質(zhì)子和反質(zhì)子的電荷量相同，電性相反。(√)知識點二粒子的分類和夸克模型1.粒子的分類目前發(fā)現(xiàn)的粒子大體可被分為強(qiáng)子、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子幾種類別。2.夸克模型(1)夸克的提出：1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。(2)夸克的種類：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)、頂夸克(t)。(3)夸克所帶的電荷量：夸克帶的電荷為元電荷的－eq\f(1,3)或＋eq\f(2,3)。(4)夸克的意義：電子電荷不再是電荷的最小單位。(5)夸克的“禁閉”：夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克的“禁閉”。粒子類型發(fā)現(xiàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)時間基本特點原子道爾頓1803－電子湯姆孫1897質(zhì)量比質(zhì)子小得多，帶一個單位的負(fù)電荷質(zhì)子盧瑟福1911帶一個單位的正電荷中子查德威克1932質(zhì)量和質(zhì)子的質(zhì)量幾乎相等，不帶電19世紀(jì)末，人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小微粒?！l(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和中子后，許多人認(rèn)為光子和它們是組成物質(zhì)的“基本粒子”?！饾u發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不由質(zhì)子、中子、電子組成的新粒子；又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。從20世紀(jì)后半期起，就將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。反粒子符號的書寫：電子eq\o\al(0,－1)e、質(zhì)子eq\o\al(1,1)H、α粒子的反粒子的符號分別是：eq\o\al(0,＋1)e、eq\o\al(1,－1)H、eq\o\al(4,－2)He。原子結(jié)構(gòu)圖中的夸克核心要點新粒子的發(fā)現(xiàn)和分類〖觀察探究〗如圖所示為粒子發(fā)展示意圖。(1)為什么現(xiàn)在將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子？(2)為什么說夸克模型是物理學(xué)發(fā)展中的一個重大突破？〖提*示〗(1)隨著科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子都不是由質(zhì)子、中子、電子組成的，又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。所以現(xiàn)在將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。(2)夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展中的一個重大突破，它指出電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷?！继骄繗w納〗1.新粒子的發(fā)現(xiàn)(1)1931～1940年發(fā)現(xiàn)正電子μ子。(2)1941～1950年發(fā)現(xiàn)K介子和π介子。(3)1951～1960年發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子和電子中微子。(4)1861～1870年發(fā)現(xiàn)μ子中微子。(5)1971～1980年發(fā)現(xiàn)τ子、膠子、3/4介子。(6)1981～1990年發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子。(7)1991～2000年發(fā)現(xiàn)τ子中微子。(8)2001～至今發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。2.粒子的分類分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強(qiáng)子參與強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子、介子、超子強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子輕子不參與強(qiáng)相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)范玻色子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用希格斯玻色子目前最后一個被發(fā)現(xiàn)是由希格斯的量子激發(fā)〖試題案例〗〖例1〗在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出。中微子的性質(zhì)十分特別，因此在實驗中很難探測。1953年，萊尼斯和柯文建造了一個由大水槽和探測器組成的實驗系統(tǒng)，利用中微子與水中eq\o\al(1,1)H的核反應(yīng)，間接地證實了中微子的存在。(1)中微子與水中的eq\o\al(1,1)H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子(eq\o\al(1,0)n)和正電子(eq\o\al(0,＋1)e)，即中微子＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(0,＋1)e，可以判定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是________。(填寫選項前的字母)A.0和0 B.0和1C.1和0 D.1和1(2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子(γ)，即eq\o\al(0,＋1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ。已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×10－31kg，求反應(yīng)中產(chǎn)生的每個光子的能量。正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€光子，原因是什么。審題指導(dǎo)解答本題時應(yīng)注意以下三點(1)核反應(yīng)根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，判斷質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)。(2)正電子和負(fù)電子的湮滅，根據(jù)質(zhì)能方程判斷光子的能量。(3)根據(jù)動量守恒定律判斷產(chǎn)生光子的個數(shù)?！冀馕觥?1)發(fā)生核反應(yīng)前后，粒子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0，選項A正確。(2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損。兩個電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱?，則E＝Δmc2，故一個光子的能量為eq\f(E,2)，代入數(shù)據(jù)得eq\f(E,2)＝8.2×10－14J。正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動量為零，故如果只產(chǎn)生一個光子是不可能的，因為此過程遵循動量守恒定律?！即鸢浮?1)A(2)8.2×10－14J此過程遵循動量守恒定律〖針對訓(xùn)練1〗已知π＋介子、π－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eq\o(u,\s\up6(－))或反夸克eq\o(d,\s\up6(－)))組成的，它們的帶電荷量如表所示，表中e為元電荷。粒子π＋π－Udeq\o(u,\s\up6(－))eq\o(d,\s\up6(－))帶電荷量＋e－e＋eq\f(2,3)e－eq\f(1,3)e－eq\f(2,3)e＋eq\f(1,3)e(1)按最簡單的組成，π＋介子由誰和誰組成？(2)按最簡單的組成，π－介子由誰和誰組成？〖解析〗(1)π＋介子帶有＋e的電荷量，且是由一個夸克和一個反夸克組成的，夸克u帶＋eq\f(2,3)e和反夸克eq\o(d,\s\up6(－))帶＋eq\f(1,3)e合成電荷量為e。(2)π－介子帶有－e的電荷量，是由一個夸克和一個反夸克組成的，夸克d帶－eq\f(1,3)e和反夸克eq\o(u,\s\up6(－))帶－eq\f(2,3)e合成電荷量為－e?！即鸢浮?1)π＋介子是由夸克u和反夸克eq\o(d,\s\up6(－))組成的(2)π－介子由夸克d和反夸克eq\o(u,\s\up6(－))組成1.(對“基本”粒子的理解)(多選)下列所述正確的是()A.強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子B.輕子是不參與強(qiáng)相互作用的粒子C.目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有8種D.夸克有6種，它們帶的電荷量分別為元電荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)〖解析〗強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子，輕子是不參與強(qiáng)相互作用的粒子，故選項A、B正確；強(qiáng)子由夸克組成，夸克有6種。它們的帶電荷量分別為＋eq\f(2,3)e或－eq\f(1,3)e，故選項D正確；目前能發(fā)現(xiàn)的輕子只有6種，故選項C錯誤?！即鸢浮紸BD2.(粒子的分類)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.氫核、氘核、氦核等輕核〖解析〗宇宙形成之初產(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經(jīng)歷了質(zhì)子和中子等強(qiáng)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(zhì)子結(jié)合成氘核，并形成氦核的核時代，之后電子和質(zhì)子復(fù)合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此選項A正確，B、C、D的產(chǎn)生都在A之后，故選項B、C、D錯誤?！即鸢浮紸3.(夸克模型)(多選)下列關(guān)于夸克模型的說法正確的是()A.強(qiáng)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＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)C.每種夸克都有對應(yīng)的反夸克D.夸克能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)〖解析〗夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)，選項D錯誤，A、B、C正確?！即鸢浮紸BC4.(“基本”粒子的性質(zhì)理解)(多選)K－介子衰變方程為K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子是帶負(fù)電的基元電荷，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(qiáng)磁場中，其軌跡為圓弧(圖中虛線)，π－介子和π0介子運(yùn)動軌跡可能是圖中的()〖解析〗根據(jù)動量守恒定律可以判斷核反應(yīng)后π－介子可能與K－介子運(yùn)動方向相同，也可能相反，結(jié)合左手定則和帶電粒子在磁場中的運(yùn)動知識可知，本題的正確選項為A、B?！即鸢浮紸B5.(對反粒子的理解)某一年，7顆人造衛(wèi)星同時接收到來自遠(yuǎn)方的中子星發(fā)射的γ光子，經(jīng)分析確認(rèn)，1個負(fù)電子和1個正電子湮滅時放出2個頻率相同的γ光子。已知負(fù)電子、正電子的靜止質(zhì)量m0＝9.1×10－31kg，又已知靜止質(zhì)量為m0的粒子，其能量E和湮滅前的動量p滿足關(guān)系E2＝c2p2＋meq\o\al(2,0)c4。式中c為光速，若負(fù)電子、正電子的動量為零，求：(1)寫出湮滅的核反應(yīng)方程式；(2)用動量的有關(guān)知識說明上述核反應(yīng)不可能只放出一個光子；(3)計算出γ光子的頻率。〖解析〗(1)核反應(yīng)方程式為eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(0,