1、4.7 小粒子与大宇宙 学案 【学习目标】 (1)初步了解恒星的演化 (2)初步了解粒子物理学的知识 【学习重点】 宇宙演化过程的理解 【知识要点】 一、小粒子与大字宙的空间跨度 1宇宙的起源 20 世纪 40 年代，在大量天文学观测的基础上，物理学家提出了宇宙演化的大爆炸 假说它的主要观点是，宇宙是由一个超高温、超高密度的“原始火球“发生大爆炸而开 始的然后经历了从热到冷的演化，在这个时期里，宇宙不断地膨胀(也称暴胀)，宇宙 物质从密到稀。当温度下降到几千度时，宇宙间主要是气态物质后来气体逐渐凝聚成 气云，并且进一步收缩形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙天体 2微观粒子 直到 1
2、9 世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来发现了电 子、质子和中子随着科学家们的研究逐步发现了 400 多种不同的新粒子，它们不是质 子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身是复合粒子，并且还有着自己的复杂 结构，所以电子、质子、中子并不是组成物质世界的基本粒子 说明：对微观粒子分类如下表所示： 分类 参与的相互作用 发现的粒子 备 注 强子 强相互作用 质子、中子、介子、超子 质子是最早发现的强子 强子有内部结构 轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、 子 子中微子、 子、 子 中微子 无内部结构 媒介子 各种相互作用 光子、玻色子、胶子 光子传递电磁相互作用 玻
3、色子传递弱相互作用 胶子传递强相互作用 3空间跨度 人类认识的空间可以分为三个层次：我们日常生活的空间为宏观层次，分子、原子 大小发更小的空间为微观层次，地球大气层外浩淼的宇宙为字观层次从微 观空间到字观 空间约从10 -5到 1027 m，共跨越了大约42个数量级 二、小粒子与大宇宙的时间跨度 宇宙的寿命约为10 18s，微观粒子的寿命最短的只有10 -25 s，可见物质世界的时间尺度， 约从0 18s到10 -25s，共跨越了将近43个数量级 三、统一场论 物理学 向微观和宇观两个领域的研究今天得到了初步统一，物理学完整、和谐美在这 里又得到了充：分体现“物理学中研究最 大和最小对象的两个
4、分支宇宙学和粒子物理 学就奇妙地衔接在一起，犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴” 【典型例题】 例：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 u或反夸克 d）组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中 e 为元电荷。 + - u d 带 电 量 +e -e e321e3 下列说法正确的是（ ） A +由 u 和 d组成 B +由 和 d 组成 C -由 u 和 组成 D -由 和 d 组成 解析：根据各种粒子带电情况， 的带应为 u 和 d（“+”或“-” ）所以选“AD” 归纳：基本粒子不基本（列出框架图） 点评：逐步突现物质世界的微观与宏观的和谐统一。 【当堂
5、反馈】 1、目前普遍认为 ，质子和中子都由被称为 夸克和 d 夸克的两类夸克组成， 夸克 带电量为 2e/3，d 夸克带电量为-e/3，e 为元电荷，则下列论断可能的是（ ） A质子由 1 个 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 夸克和 2 个 d 夸克组成 B质子由 2 个 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 夸克和 2 个 d 夸克组成 C质子由 1 个 夸克和 2 个 d 夸克组成，中子由 2 个 夸克和 1 个 d 夸克组成 D质子由 2 个 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 夸克和 1 个 d 夸克组成 2、 K介子衰变方程为： K -+ o其中 介子
6、和 -介子带负的基元电荷， o 介子不带电，如图所示，一个 介子沿垂直于磁场的方 向射入匀强磁场中，其轨迹 为圆弧 Ap，衰变后产生的 -介子的轨迹 为圆弧 pB,两轨迹在 p 点相切，它们半径 Rk-与 R- 之比为 2：1（ o介子的轨迹未画出）由此可知 -的动量大小与 o的动 量大小之比为（ ） A1：1 B1：2 C1：3 D1：6 【参考答案】 1、B 2、C 【本章达标训练】 1铀裂变的产物之一氪 90（ Kr）是不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的锆9036 90（ Zr） ，这些衰变是（ ）904 A.1 次 衰变，6 次 衰变。 B.4 次 衰变。 C.2 次 衰变。 D
7、.2 次 衰变，2 次 衰变。 2图中 P 为放在匀强 电场中的天然放射源，其放出的射线在电场的作用下分 成 a、 b、 c 三束，以下判断正确的是（ ） A.a 为 射线， b 为 射线。 B. a 为 射线， b 为 射线。 C.b 为 射线， c 为 射线。 D. b 为 射线， c 为 射线。 3关于 、 、 三种射线，下列说法中正确的是（ ） A. 射线是原子核自发放射出的氦核，它的穿透能力最强。 B. 射线是原子核外电子电离形成的电子流，它具有中等的穿透能力。 C. 射线一般伴随着 和 射线产生，它的穿透能力最强。 D. 射线是电磁波，它的穿透能力最弱。 4有三个核反应方程分别是：
8、(1) H+HHe+n。(2) Ra Rn+He。268 2 (3) U+n Xe+ Sr+10n。它们的核反应类型分别是；（ ）2359 90413658 A裂变、衰变、人工转变。B 聚变、衰变、裂变 。 C聚变、衰变、人工转变。D 人工转变、衰变、裂变。 5下列关于重要的物理史实的说法中正确的是（ ） A卢瑟福在用 粒子轰击金箔的实验中发现了质子， B爱因斯坦为解释光电效应的实验规律提出了光子说， C查德威克在用 粒子轰击铍核的实验中发现了中子， D居里夫人首先发现了天然放射现象。 6下列叙述中符合物理学史的是 （ ） A汤姆生发现了电子，提出了原子的核式结构学说。 B贝克勒尔通过对天然放
9、射性的研究，发现了放射性元素钋（Pa）和镭（Ra） 。 C麦克斯韦提出了光的电磁说。 D爱因斯坦首先发现了光电效应现象。 7牛顿为了说明光的性质，提出了光的微粒说，如今，人们对光的性质已有了进一步的认 识，下列四个示意图所表示的实验，能说明光性质的是（ ） A 8、如图所示是查得威克发现中子的实验装置示意 图，图中粒子 X 代表的是_粒子，粒子 X 轰击铍核的核反应方程是 _。 9、核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。近年来， 受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电 站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘（又叫重氢）和氚
10、（又叫超重氢）聚合成氦， 并释放一个中子。若已知氘原子的质量为 2.0141u，氚原子的质量为 3.0160u，氦原子的质 量为 4.0026u，中 子的质量为 1.0087u，1u1.6610 -27kg。 （1）写出氘和氚聚合的反应方程。 （2）试计算这个核反应释放出来的能量 （3）若建一座功率为 3.0105kw 的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成 了电 能，每年要消耗多少氘的质量？（一年按 3.2107s 计算，光速 c3.0010 8m/s，结果取 二位有效数字） 10、静止在匀强磁场中的 核俘获一个速度为 v0=7.7104m/s 的中子发生核反应Li63 。若已知 的速
11、度为 m/s，其方向与反应前中子的速HenLi4231063e4221. 度方向相同。求 （1） 的速度多大？3 （2）求出轨道半径之比。 （3）当粒子 旋转 3 周时，粒子 旋转几周？He42H31 【达标训练参考答案】 1B 2C 3C 4B 5BC 6C 7BC 8.a 粒子 9 （ ）12132401Hen（ ） 2810223EmcmcJHHen(). （3）设每年需核能为 E 总 ，发电量为 E 则 EPt 总 总， 19 16. 每年消耗氘： ukgH 总2302328. 10解析（1）中子撞击锂核生成氘核和氦核过程中动量守恒 ，代210vmv 入数据解得 ，方向与 v0相同。smv/10.31 （2）氘核、氦核在磁场中做匀速圆周运动的半径之比为 40:3:212Bqvr （3）氘核、氦核做圆周运动的周期之比为 所以它们旋转的:2121mqT 周数之比为 当氦核旋转 3 周时，氘核旋转 2 周。:2:121Tn 点评 中子撞击锂核生成氘核和氦核过程中动 量守恒，注意生成的核在磁场中运动的情 景。 【反思】 收 获 疑 问
