2022年高中物理同步讲义（人教版选修性必修第3册）：第23讲“基本”粒子（解析版）

第23讲“基本”粒子目标导航目标导航课程标准课标解读了解人类对物质结构的探索历程。1.了解粒子的发现史。2.知道粒子的分类及特点。3.了解夸克模型。知识精讲知识精讲知识点01基本粒子与粒子的分类一、“基本”粒子1．人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”。2．随着科学的发展，科学家们发现很多新粒子不能看作由质子、中子、电子组成，并发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。二、发现新粒子1932年发现了正电子，1937年发现了μ子,1947年发现了K介子和π介子，后来发现了超子等。三、粒子的分类1．强子：是参与(填“参与”或“不参与”)强相互作用的粒子，质子和中子都是强子。2．轻子：不参与(填“参与”或“不参与”)强相互作用。电子、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子。3．规范玻色子：是传递各种相互作用的粒子，如光子，中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子。4．希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发。【知识拓展】1．新粒子的发现发现时间1932年1937年1947年20世纪60年代后新粒子反粒子μ子K介子与π介子超子基本特点质量、寿命、自旋等物理性质与对应粒子相同，而电荷等其他性质相反比质子的质量小质量介于电子与质子之间质量比质子大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、中子等强子有内部结构，由“夸克”构成轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ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、胶子等光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用希格斯玻色子是希格斯场的量子激发【即学即练1】下列说法正确的是（）A．聚变是裂变的逆反应B．核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量C．轻核聚变比裂变更为安全、清洁D．强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子【答案】C【解析】A．聚变和裂变的反应物和生成物完全不同，两者无直接关系，并非互为逆反应，故A错误；B．实现聚变反应必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，所以聚变反应还是释放能量，故B错误；C．实现聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了，另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，容易处理，故C正确；D．质子是最早发现的强子，故D错误。故选C。【即学即练2】关于粒子，下列说法正确的是（）A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子B．强子都是带电粒子C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位【答案】D【解析】由于中子、质子是由不同的夸克组成的，它们不再是基本粒子，夸克模型是探究强子结构的理论，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的不带电，不同夸克带电不同，可能为或，说明电子电荷不再是电荷的最小单位.A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子，与结论不相符，选项A错误；B.强子都是带电粒子，与结论不相符，选项B错误；C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论，与结论不相符，选项C错误；D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位，与结论相符，选项D正确；知识点02夸克与粒子物理标准模型1．夸克、夸克模型：1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克。2．粒子物理标准模型是一整套关于粒子的理论．其中，夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子。【知识拓展】1．夸克的提出：1964年美国物理学家盖尔曼等人提出了夸克模型，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)和顶夸克(t)。3．夸克所带电荷：夸克所带的电荷是元电荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)。4．意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。【即学即练3】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（反夸克或反夸克）组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷。ud带电荷量下列说法正确的是（）A．由u和组成 B．由和d组成C．由u和组成 D．由和d组成【答案】D【解析】根据各种粒子带电情况，的带电荷量为，故由u和组成；的带电荷量为，故由和d组成。故选D。【即学即练4】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【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A正确，B、C、D的产生都在A之后，故B、C、D错．能力拓展能力拓展考法01恒星的演化【典例1】晴朗的夜空繁星闪烁，有的恒星颜色偏红，有的恒星颜色偏蓝关于“红星”和“蓝星”表面的温度，下列说法正确的是（）A．恒星表面的温度越高，表面颜色越偏红，所以“红星”表面的温度高B．恒星表面的温度越高，表面颜色越偏蓝，所以“蓝星”表面的温度高C．“红星”和“蓝星”表面的温度一样高D．恒星的表面颜色与其表面温度无关【答案】B【解析】恒星的表面颜色取决于它的表面温度，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝。故选B。考法02宇宙的演化【典例2】下列关于宇宙的说法错误的是（）A．质量大的恒星寿命反而比较短B．恒星的演化分为诞生期、存在期和死亡期C．光年（1.y.）是一个时间单位，表示一年的时间D．银河系是一种旋涡状星系，太阳现在正处于其中的一条旋臂上【答案】C【解析】A．恒星的寿命和它的质量有关，质量越大的恒星寿命越短，故A正确；B．恒星的演化分为诞生期、存在期和死亡期，故B正确；C．光在一年中走过的路程是光年，光年是天文学上常用的长度单位，故C错误；D．宇宙是由很多星系组成的，银河系是一种旋涡状星系，太阳是银河系中的一颗恒星，故D正确；本题选择错误的，故选C。分层提分分层提分题组A基础过关练1．下面关于宇宙的说法正确的是（）A．宇宙是由银河系和太阳系组成的B．宇宙是由地球和银河系组成的C．太阳系中只有八大行星绕它运行D．宇宙中有数十亿个星系，银河系是其中的一员【答案】D【解析】宇宙中有数十亿个星系，银河系是这数十亿个星系中的一员，太阳是银河系中的一员。太阳周围除了八大行星之外，还有若干小行星，彗星等天体绕太阳运动。故选D。2．现代宇宙学告诉我们，恒星在演变过程中，会形成密度很大的天体，如白矮星、中子星或黑洞。据推测，中子星物质的质量是，则中子星的密度约（）A． B．C． D．【答案】C【解析】依题意，有，根据密度公式，有可得中子星的密度约为故选C。4．下列关于恒星观测的叙述正确的是（）A．没有闪烁现象 B．亮度最大C．在星空中位置相对不变 D．在星空中移动【答案】C【解析】恒星的定义是能够自身发光发热的星体称为恒星，地球是围绕恒星运动的行星，故观测恒星时会发现其在星空中的位置相对不变。故选C。5．关于恒星的描述，下列说法中正确的是（）A．质量越大的恒星，寿命越短B．质量越大的恒星，寿命越长C．表面温度比太阳高的恒星呈现出比太阳稍红的颜色D．表面温度比太阳低的恒星呈现出比太阳稍蓝的颜色【答案】A【解析】AB．恒星的寿命和它的质量体积有关，质量越大的恒星寿命越短，这是因为质量越大压力就越大，这种情况下恒星内部的核反应就更加剧烈，故A正确，B错误；CD．恒星的表面颜色取决于它的表面温度，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝。恒星表面颜色主要有四种，分别是红、黄、白、蓝。太阳的表面颜色是黄色，属于温度中等偏低的恒星，故CD错误。故选A。6．为了探究宇宙起源，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B。7．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．τ子质量比核子质量大，τ子不属于轻子【答案】B【解析】A．最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，A错误；C．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；BD．质子、中子、介子、超子都属于强子，τ子质量比核子质量大，但仍属于轻子，D错误，B正确。故选B。8．读天体系统层次框图，完成下列问题。(1)写出图中字母所代表的天体系统的名称：A_______________；B_______________；C_______________；D_______________；(2)图中天体系统C的中心天体是_______________；(3)目前我们人类能观测到的最远的星系估计为________________亿光年。【答案】总星系河外星系太阳系地月系太阳150~200【解析】(1)[1]总星系[2]河外星系[3]太阳系[4]地月系(2)[5]图中天体系统C的中心天体是太阳。(3)[6]目前我们人类能观测到的最远的星系估计为150~200亿光年。9．仙女座星系是人们能用肉眼看到的最遥远的天体，但由于光速有限，你看到来自那里的光线，实际上已经在太空中行进了_________年，因此观察遥远的天体就等于在观察__________________．宇宙很大，所以计算天体间的距离时常用_________作为单位，它等于_________．【答案】200万宇宙的过去光年【解析】[1]仙女座星系离地球大约200万光年，看到来自那里的光线，实际上已经在太空中行进了200万年，因此观察遥远的天体就等于在观察宇宙的过去；[2]由于距离太远，因此常用光年作单位；[3]光年是光一年走过的距离题组B能力提升练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。2．中国大科学装置“东方超环”（EAST）近期实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破．由于其内部核反应原理与太阳类似，因此“东方超环”也被称为“人造太阳”“人造太阳”采用的核反应方程可能是（）A． B．C． D．【答案】B【解析】“人造太阳”利用类似于太阳的核聚变原理产生能量，与核电站中的核裂变不同，其核聚变方程可能为ACD错误，B正确。故选B。3．关于宇宙，下列说法中正确的是（）A．当恒星变为红色的巨星或超巨星时，就意味着这颗恒星正处于壮年B．恒星的寿命取决于亮度C．太阳能够发光、放热，主要是因为太阳内部不断发生化学反应D．银河系是一种旋涡星系，太阳处在其中的一个旋臂上【答案】D【解析】A．当恒星变为红色的巨星或超巨星时，就意味着这颗恒星处于死亡期了，A错误；B．恒星的寿命取决于质量，B错误；C．太阳能够发光、放热，主要是因为太阳内部不断发生核反应，C错误；D．银河系是一种旋涡星系，太阳处在其中的一个旋臂上，D正确。故选D。4．“轨道电子俘获”是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核（称为母核）俘获一个核外电子，使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核（称为子核）的过程。中微子的质量远小于质子的质量，且不带电，很难被探测到，人们最早就是通过核的反冲而间接证明中微子的存在的，一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子，下面说法正确的是（）A．母核的质量数小于子核的质量数B．子核的动量与中微子的动量大小相同C．母核的电荷数小于子核的电荷数D．子核的动能大于中微子的动能【答案】B【解析】A．质量数等于质子数和中子数之和，母核的质子数减少1个但中子数增加1个，说明母核质量数等于子核的质量数，故A错误；B．一个静止的原子核，动量为零，发生“轨道电子俘获”，系统动量守恒仍为零，所以子核的动量与中微子的动量大小相同，方向相反，故B正确；C．母核失去了一个质子变成子核，因此电荷数大于子核的电荷数，故C错误；D．子核和中微子动量大小相等，动量和动能关系为因子核质量大，所以子核的动能小于中微子的动能，故D错误。故选B。5．一个静止的放射性同位素的原子核衰变为，另一个也静止的天然放射性元素的原子核衰变为，在同一磁场中得到衰变后粒子的运动轨迹1、2、3、4，如图所示，则这四条径迹依次是（）A．电子、、、正电子B．、电子、正电子、C．、正电子、电子、D．正电子、、、电子【答案】B【解析】放射性元素放出正电子时，正粒子与反冲核的速度方向相反，而电性相同，则两个粒子受到的洛伦兹力方向相反，两个粒子的轨迹应为外切圆．而放射性元素放出β粒子时，β粒子与反冲核的速度方向相反，而电性相反，则两个粒子受到的洛伦兹力方向相同，两个粒子的轨迹应为内切圆．放射性元素放出粒子时，两带电粒子的动量守恒．由半径公式，可得轨迹半径与动量成正比，与电量成反比，而正电子和β粒子的电量比反冲核的电量小，则正电子和β粒子的半径比反冲核的半径都大，故轨迹1、2、3、4依次是：、电子、正电子、，故B正确，ACD错误．6．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为，，，方程式中Q1，Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核质量/u1.00783.01604.002612.000013.005715.0001以下推断正确的是（）A．X是，Q2>Q1 B．X是，Q2>Q1C．X是，Q2<Q1 D．X是，Q2<Q1【答案】B【解析】AC．由核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒知：X是He，AC错误；BD．前一核反应过程的质量亏损Δm1=(1.0078+12.0000-13.0057)u=0.0021u而后一核反应的质量亏损Δm2=(1.0078+15.0001-12.0000-4.0026)u=0.0053u，Δm2>Δm1，故Q2>Q1D错误，B正确。故选B。题组C培优拔尖练1．下列有关核反应的方程中，表述正确的是（）A．是核聚变反应 B．是衰变C．是核裂变反应 D．是核裂变反应【答案】AD【解析】AB．是轻核聚变反应，A正确，B错误；C．核裂变是重核在中子轰击下分裂成中等核，并放出大量核能的反应，不是核裂变反应，C错误；D．是重核裂变反应，D正确。故选AD。2．科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为和．下列表述正确的有（）A．是中子 B．的质子数是3，中子数是6C．两个核反应都没有质量亏损 D．氘和氚的核反应是核聚变反应【答案】AD【解析】A．根据核反应方程的质量数电荷数所以是中子，A正确；B．根据核反应方程是中子，所以的质量数电荷数所以的质子数是3，中子数是3，B错误；C．两个核反应都有大量的能量释放出来，所以一定都有质量亏损，C错误；D．氘和氚的核反应是核聚变反应，D正确。故选AD。3．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】A．许多粒子都有自己的反粒子，“反粒子”与其对应的正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；BCD．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，τ子属于轻子，故BC正确，D错误；故选ABC。4．2017年10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次利用激光干涉法直接探测到来自双中子星合并（距地球约1.3亿光年）的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号，此后2秒，美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴，这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件，标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代，也证实了爱因斯坦100多年前在广义相对论中有关引力波的预言，引力波是由黑洞、中子星等碰撞产生的一种时空涟漪，宛如石头丢进水里产生的波纹．根据以上信息判断正确的是A．引力波的传播速度等于光束B．具有质量的物体能产生引力波C．干涉是波具有的性质，所以激光也是一种波D．引力波的传播需要空气作为介质【答案】ABC【解析】A．发现引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号，说明引力波的传播速度等于光束，故A正确；B．引力波是由黑洞、中子星等碰撞产生的一种时空涟漪，