人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案：第5节“基本”粒子

人教版(新教材)高中物理选择性必修第三册PAGEPAGE1第5节“基本”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、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－eq\f(1,3)或＋eq\f(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，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eq\o\al(0,－1)e、质子eq\o\al(1,1)H、α粒子的反粒子的符号分别是：eq\o\al(0,＋1)e、eq\o\al(1,－1)H、eq\o\al(4,－2)He。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)1931～1940年发现正电子μ子。(2)1941～1950年发现K介子和π介子。(3)1951～1960年发现反质子和电子中微子。(4)1861～1870年发现μ子中微子。(5)1971～1980年发现τ子、胶子、3/4介子。(6)1981～1990年发现W和Z玻色子。(7)1991～2000年发现τ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、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、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用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β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eq\o\al(1,1)H的核反应，间接地证实了中微子的存在。(1)中微子与水中的eq\o\al(1,1)H发生核反应，产生中子(eq\o\al(1,0)n)和正电子(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1C.1和0 D.1和1(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即eq\o\al(0,＋1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ。已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31kg，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，质量变为零，则E＝Δmc2，故一个光子的能量为eq\f(E,2)，代入数据得eq\f(E,2)＝8.2×10－14J。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)8.2×10－14J此过程遵循动量守恒定律〖针对训练1〗已知π＋介子、π－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eq\o(u,\s\up6(－))或反夸克eq\o(d,\s\up6(－)))组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷。粒子π＋π－Udeq\o(u,\s\up6(－))eq\o(d,\s\up6(－))带电荷量＋e－e＋eq\f(2,3)e－eq\f(1,3)e－eq\f(2,3)e＋eq\f(1,3)e(1)按最简单的组成，π＋介子由谁和谁组成？(2)按最简单的组成，π－介子由谁和谁组成？〖解析〗(1)π＋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＋eq\f(2,3)e和反夸克eq\o(d,\s\up6(－))带＋eq\f(1,3)e合成电荷量为e。(2)π－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－eq\f(1,3)e和反夸克eq\o(u,\s\up6(－))带－eq\f(2,3)e合成电荷量为－e。〖答案〗(1)π＋介子是由夸克u和反夸克eq\o(d,\s\up6(－))组成的(2)π－介子由夸克d和反夸克eq\o(u,\s\up6(－))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＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)〖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＋eq\f(2,3)e或－eq\f(1,3)e，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〗ABD2.(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、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〗A3.(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＋eq\f(2,3)或－eq\f(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〗ABC4.(“基本”粒子的性质理解)(多选)K－介子衰变方程为K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子是带负电的基元电荷，π0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)，π－介子和π0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π－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〗AB5.(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γ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γ光子。已知负电子、正电子的静止质量m0＝9.1×10－31kg，又已知静止质量为m0的粒子，其能量E和湮灭前的动量p满足关系E2＝c2p2＋meq\o\al(2,0)c4。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γ光子的频率。〖解析〗(1)核反应方程式为eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(0,