1、优质文档优质文档第四节 “基本粒子”与恒星演化90 分钟 100 分一、选择题（本题包括 10 小题，每小题给出的四个选项中，有的只有一个选项正确，有的有多个选项正确，全部选对的得 4 分，选对但不全的得 2 分，有选错或不选的得 0 分，共40 分）1.下列说法中正确的是（ ）A.日前还未发现媒介子、轻子和夸克这三类粒子的内部结构B.自然界存在着能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对基本粒子不适用C.反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象D.强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子2.为了探究宇宙起源， “阿尔法磁谱仪” （AMS）将在太空中寻找“反物质”.所谓“反物质”是
2、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 个带负电荷的电子构成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3.目前普遍认为，质子和中子都是由被称为 u 夸克和 d 夸克的两类夸克组成.u 夸克带电荷量为 ,d 夸克带电荷量为 , 为元电荷.下23e -13ee列论断可能正确的是（ ）A.质子由 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克
3、和 2 个 d 夸克组成B.质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成C.质子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成，中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成D.质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成4. 介子衰变的方程为 + ，其中K- K- - 0介子和 介子带负的基元电荷， 介K- - 0子不带电荷，一个 介子沿垂直于磁场的方K-向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧 ，衰变AP后产生的 介子的轨迹为圆弧 ，两轨迹 - PB在 点相切，如图 1 所示.它们的半径 与P
4、 RK-之比为 21. 介子的轨迹未画出.由R - 0此可知 的动量大小与 的动量大小之比 - 0为（ ）图 1A.11 B.12C.13 D.165.下列说法中正确的是（ ）A.太阳是宇宙的中心B.太阳系中只存在太阳和它的八大行星C.太阳系是由太阳和若干行星以及它的卫星和彗星组成D.以上说法都正确6.正电子是电子的反粒子，它跟普通电子电荷量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质反物质.1997 年年初和年底，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布；他们分别制造出 9个和 7 个反氢原子.这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是（ ）A.由一个带正电荷
5、的质子与一个带负电荷的电子构成B.由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C.由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成D.由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的优质文档优质文档电子构成7.加拿大萨德伯里中微子观察站的结果揭示了中微子失踪的原因，即观察到的中微子数目比理论值少是因为中微子在运动过程中转化为一个 子和一个 子.在上述研究中有以下说法，正确的是（ ）若发现 子和中微子的运动方向一致，则 子的运动方向与中微子的运动方向相反.若发现 子和中微子的运动方向一致，则 子的运动方向与中微子的运动方向可能一致.若发现 子和中微子的运动方向相反，则 子的运动方向与中微子的运动方向一定一致.若发
6、现 子和中微子的运动方向相反，则 子的运动方向与中微子的运动方向可能相反.A. B.C. D.8.阿尔法磁谱仪（简称 AMS） ，是人类送入太空的第一台磁谱仪，其核心部分是中国研制的一台用铷铁硼材料制成的大型永磁体.AMS 将在太空中寻找反物质、暗物质等，来回答有关宇宙起源的重要问题.反物质是指由质量相同但电荷符号相反的反电子（即正电子） 、反质子和反中子组成的反原子构成的物质.AMS 原理是利用这些物质的粒子在磁场中运动时表现出的不同特点来探测的.如图 1 所示，是三种等速粒子在永磁体形成的磁场内的运动轨迹，下面对这三种粒子判断可能正确的是（ ）图 1A. 粒子是反质子， 粒子是反电子a b
7、B. 粒子是反质子， 粒子是反电子a cC. 粒子是反质子， 粒子是反电子b cD. 粒子是反质子, 粒子是反电子c b9.下列说法中正确的是（ ）A.质量相同、电荷等值而电性相反的粒子叫做反粒子B.光子是传递电磁相互作用的，属于媒介子C.轻子就是质量很轻的粒子D.强子就是强相互作用的粒子10. 1956 年，李政道和杨振宁提出在弱相互作用中动量不守恒，并由吴健雄用 放射源进行6027Co了实验验证，1957 年李、杨两人为此获得诺贝尔物理学奖. 的衰变方程是： 6027Co + + ， 是反中微子，它的电6027CoAZNi0-1e e e荷量为零，静止质量可认为是零，则衰变产物 的质量数和
8、核电荷数分别为（ ）AZNiA.60，28 B.60，26C.59，26 D.59，28二、填空题（本题共 2 小题，每小题 6 分，共 12分.请将正确的答案填到横线上）11.按照现代的粒子理论，可以将粒子分为 、和 三大类，从目前的观点看， 、 和 可以认为是今日的“基本粒子”.12.现在科学家们正在设法探寻“反物质”.所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，与其对应的正粒子具有相同的质量数和相同的电荷量，但电荷的符号相反.据此，若有“反 粒子” ，则它的质量数为 ，电荷数为 .三、计算题（本题共 4 小题，共 48 分.解答时应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤，只写出最后答案的不能
9、得分.有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位）13.(10 分)一个负电子和一个正电子相遇会发生湮灭而转化为 一对光子，计算核反应中放出的能量（电子的质量为 9.110-31 kg）.优质文档优质文档14.(13 分)太阳现正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和 11H、42He 等原子核组成的，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程为 2 +4 ，并释放核能，这01e 11H 42He些核能最后转化为辐射能.根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的核数目从现有数减少 10%，太阳将离开主序11H星阶段而转入红巨星的演化阶段.为了简化，假定目前太阳全部由电子和 H
10、核组成.11H(1)为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量 .已知地球半径 =6.4106 m，地球质M R量 =6.01024 kg，日地中心的距离m=1.51011 m,地球表面处的重力加速度r10 m/s2,1 年约为 3.2107 s，试估算目g=前太阳的质量 .M(2)已知质子质量 =1.672610-27 kg， 质mp 42He量 =6.645 810 -27 kg，电子质量m=0.910-30 kg，光速 c=3108 m/s，求每me发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能.(3)又知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能 1.35103 W=W/m2.
11、试估算太阳继续保 持在主序星阶段还有多少年的寿命？（估算结果只要求保留一位有效数字）15.（12 分）已经证实，质子、中子都是由上夸克和下夸克的两种夸克组成，上夸克带电荷量为 ，下夸克带电荷量为 ， 为电+23e -13e e子所带电荷量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都是 ，l=1.510-15 m，试计算质子内相邻两个夸克l之间的静电力（库仑力）.16.（13 分）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 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 光子.已知负电子、 正电子的静止质量 =9.110-31 kg，又已知静
12、止质量m0为 的粒子，其能量 和湮灭前的动量 满足关m0 E p系 .式中 为光速，若负电子、E2 c2p2+m20c4 c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 光子的频率.优质文档优质文档第四节 “基本粒子”与恒星演化 答题纸得分： 一、选择题题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10答案二、填空题11 12. 三、计算题1314.1516.优质文档优质文档第四节 “基本粒子”与恒星演化 参考答案一、选择题1. ACD 解析： 媒介子、轻子和夸克在现代实验中还没有发现其内部结构，故 A 正确.反粒子带等
13、量异种电荷，反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象，故 C 正确.质子是最早发现的强子，故 D 正确.2. B 解析：根据反粒子的定义可以知道反氢原子是由 和 构成的.11H 01e3.B 解析：题目中给出的信息是 u 夸克与 d 夸克的带电荷量，故应从质子带一个元电荷的电荷量、中子不带电的角度考虑.4.C 解析：设带电荷量为 ，动量大小为 的带电粒子垂直进入磁感应强度为 的匀强磁场，其轨迹半径q p B为 ，由牛顿第二定律和洛伦兹力公式，得 R qvB=mv2R有 ，R=mvqB=pqB对于 、 介子，因电荷量相同，K- -所以 pK-p - =RK-R - =21考虑动量的矢量性，由图可
14、知， 与 介子动量方向相反.K- -据动量守恒定律，有：pK- = -p - +p 0由得 p 0=pK- +p - =p -所以 .p - p 0=1 35.C 解析： 太阳系中以太阳为中心，有八大行星绕太阳运行，有的行星还有卫星，此外还有 2 000 多颗比较小的小行星和彗星等，所以叙述较完整的是 C 项.通常我们所说的八大行星是指太阳系中较大的几颗行星，太阳系的组成中还有小行星和彗星.6.B 解析：氢原子是由质子和电子构成，那么反氢原子也应由它们的反粒子构成，即反质子和反电子，因此选项 B 正确，选项 A、C、D 错误.6.B 解析：对微观粒子运用动量守恒定律，关键在于明确动量守恒定律的
15、适用条件，它包括高速运动物体和低速运动物体，包括宏观物体和微观物体，因此可由动量守恒定律得 B 正确.8.C 解析：首先由左手定则可知，向左偏转的粒子带正电，向右偏转的粒子带负电，根据 可知，r=mvqB等速的反质子比反电子的运动半径大；反质子带负电，反电子 带正电，由此可得: 可能为反质子，b可能为反电子.c9.ABD 解析：所谓反粒子，即质量相同且电荷等值而电性及其他一些物理性质相反的粒子；强子是参与强相互作用的粒子；轻子的质量不一定很轻，如 子的质量比核子的质量还大.10.A 解析:根据核电荷数守恒得： ， ；根据质量数守恒得： ， .故27=Z-1 Z=28 60=A+0 A=60优质
16、文档优质文档选项 A 是正确的.二、填空题11.媒介子 轻子 强子 媒介子 轻子 夸克12.4 -2三、计算题13. 1.610-13J解析：负电子和一个正电子相遇会湮灭的核反应方程式为 + 2，0-1e 0-1e由 得 E= mc2一个负电子和一个正电子相遇后湮灭放出的能量为 E= mc2=29.110-31(3108)2J=1.610-13J14.（1）210 30 kg （2）4.210 -12 J （3）1 百亿年解析：（1）设 为地球绕日心做匀速圆周运动的周期，则 =3.2107 s，T T由万有引力定律和牛顿定律可知GmMr2=m(2T)2r地球表面处的重力加速度为g=GmR2由式
17、联立解得太阳质量为kg=21030 kg.M=m(2T)2r3R2g=6.01024（ 23.143.2107） 2 （ 1.51011） 3（ 6.4106） 210（2）根据太阳内部核聚变反应方程及质能方程，可求得该核反应每发生一次释放的核能为 E= mc2=（ 4mp+2me-m ） c2代入数值，得 J. E=4.210-12（3）由题意可知太阳继续保持在主序星阶段的时间内，发生题中所述的核聚变反应的次数为10%，N= M4mp太阳总共辐射出的能量为 E=N E设太 阳辐射是各向同性的，则每秒内太阳向外放出的辐射能为 =4 r2W所以太阳继续保持在主序星阶段的时间为t=E由以上各式解得
18、t=0.1M（ 4mp+2me-m ） c24mp4 r2W将题给数据代入，并以年为单位，可得11010 年 1 百亿年.t= =15.见 解析 解析：质子带电 ，所以它是由 2 个上夸克和 1 个下夸克组成的，且三个夸克都位于等+e边三角形的三个顶点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为优质文档优质文档F1=k（23e23e）l2 =49ke2l2代入数值，得 46 N，为斥力F1上夸克与下夸克之间的静电力为F2=k（23e13e）l2 =29ke2l2代入数值，得 23 N，为引力.F2=16.(1) + 2 (2)见解析 （3）1.2410 20 Hz 0-1e 0-1e解析：（1） + 20-1e 0-1e（2）若只放出一个 光子，则反应后总动量不为零，而反应前总动量为零，违反动量守恒定律，所以只放出一个 光子是不可能的.（3）正、负电子湮灭前的动量为零，即 项为零，可知其对应的能量为 ，光子的能量满足c2p2 E m0c2，得频率 ，代入数据解得 1.2410 20 Hz.E h m0c2h
