第十九章原子核 第8節(jié)粒子和宇宙 欄目鏈接 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 知道什么是 基本粒子 為什么它不基本 2 粒子的分類及其夸克模型的概念 3 初步了解恒星的演化 宇宙的演化 初步了解粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí) 1 基本粒子 不基本 1 19世紀(jì)末 許多人認(rèn)為光子 電子 質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本粒子 2 從20世紀(jì)起科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了400多種同種類的新粒子 它們不是由質(zhì)子 中子 電子組成的 3 科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)質(zhì)子 中子 電子等本身也是復(fù)合粒子 且還有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 4 研究粒子的主要工具 粒子加速器和粒子探測(cè)器是研究粒子物理的主要工具 欄目鏈接 2 粒子的分類 按照粒子與各種相互作用的關(guān)系 可以將粒子分為三大類 強(qiáng)子 輕子和媒介子 1 強(qiáng)子 強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子 如質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子 強(qiáng)子又分為介子和重子兩類 2 輕子 輕子是不參與強(qiáng)相互作用的粒子 如電子 中微子 子 子等 3 媒介子 媒介子是傳遞各種相互作用的粒子 如光子 中間玻色子 膠子 欄目鏈接 3 反粒子 反物質(zhì) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 許多粒子都有和它質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理量相反的粒子 叫反粒子 例如電子和正電子 質(zhì)子和反質(zhì)子等 由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)叫反物質(zhì) 反粒子 反物質(zhì) 最顯著的特點(diǎn)是當(dāng)它們與相應(yīng)的正粒子 物質(zhì) 相遇時(shí) 會(huì)發(fā)生 湮滅 即同時(shí)消失而轉(zhuǎn)化成其他的粒子 4 夸克模型 1 夸克的提出 許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明 強(qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 1964年提出的夸克模型 認(rèn)為強(qiáng)子由更基本的成分組成 這種成分叫作夸克 2 夸克的分類 夸克有6種 它們是上夸克 下夸克 奇異夸克 粲夸克 底夸克 頂夸克 它們帶的電荷分別為元電荷的 或 每種夸克都有對(duì)應(yīng)的反夸克 3 夸克模型的意義 夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展中的一個(gè)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 嘗試應(yīng)用1 中子內(nèi)有一個(gè)電荷量為的上夸克和兩個(gè)電荷量為 e的下夸克 一簡(jiǎn)單模型是三個(gè)夸克都在半徑為r的同一圓周上 上圖所示 在下圖給出的四幅圖中 能正確表示出各夸克所受靜電作用力的是 B 解析 本題考查的是庫(kù)侖力的大小 方向及力的合成 明確每個(gè)夸克皆受兩個(gè)力的作用 電荷量為的上夸克受兩個(gè)下夸克的吸引力 合力的方向一定向下 對(duì)其中一個(gè)下夸克 受力如圖所示 由于F1的水平分力與F2大小相等 方向相反 故F1與F2的合力的方向豎直向上 欄目鏈接 1 宇宙的演化 20世紀(jì)40年代 在大量天文學(xué)家觀測(cè)的基礎(chǔ)上 物理學(xué)家提出了宇宙演化的大爆炸假說 它的主要觀點(diǎn)是 宇宙是由一個(gè)超高溫 超高密度的 原始火球 發(fā)生大爆炸而開始的 然后經(jīng)歷了從熱到冷的演化 在這個(gè)時(shí)期里 宇宙不斷地膨脹 也稱暴脹 宇宙物質(zhì)從密到稀 當(dāng)溫度下降到幾千攝氏度時(shí) 宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì) 后來(lái)氣體逐漸凝聚成氣云 并且進(jìn)一步收縮形成各種各樣的恒星體系 成為我們今天看到的宇宙天體 2 恒星的演化 密度很低的星際物質(zhì)逐漸形成星云 大塊的星云由于引力作用而收縮逐漸凝成原恒星 原恒星繼續(xù)收縮 溫度不斷升高 發(fā)生熱核反應(yīng) 當(dāng)熱核反應(yīng)產(chǎn)生的斥力和引力作用達(dá)到平衡時(shí) 恒星不再收縮 進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段 當(dāng)核能源供應(yīng)不足時(shí) 恒星的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞 引力作用又開始大于斥力 星體又開始收縮 溫度升高 發(fā)光能力增強(qiáng) 光度增加 外部膨脹 表面積增大 但表面溫度降低 看上去呈紅色 這時(shí)恒星便演化為紅巨星或新星 當(dāng)恒星核能耗盡時(shí) 就進(jìn)入末期 恒星的末期形態(tài)主要有三種 白矮星 中子星或黑洞 嘗試應(yīng)用2 現(xiàn)在科學(xué)家們正在設(shè)法探尋 反物質(zhì) 所謂 反物質(zhì) 是由 反粒子 構(gòu)成的 反粒子 與其對(duì)應(yīng)的正粒子有相同的質(zhì)量和相同的電荷量 但電荷符號(hào)相反 據(jù)此 若有反 粒子 它的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別為 B A 4 2B 4 2C 4 2D 4 2解析 因 反粒子 與其對(duì)應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量 相同的電荷量 但電荷的符號(hào)相反 所以 反 粒子質(zhì)量數(shù)為4 電荷數(shù)為 2 故只有B選項(xiàng)正確 其他選項(xiàng)都不符合實(shí)際 多選 在研究宇宙發(fā)展演變的理論中 有一種說法叫做 宇宙膨脹說 認(rèn)為引力常量G在緩慢地減小 根據(jù)這種理論 在太陽(yáng)系中地球的公轉(zhuǎn)軌道半徑 周期 速率與很久很久以前相比變化的情況是 A 太陽(yáng)系中地球公轉(zhuǎn)的軌道半徑比現(xiàn)在大B 周期比現(xiàn)在小C 速率比現(xiàn)在小D 太陽(yáng)系中地球公轉(zhuǎn)的軌道半徑比現(xiàn)在小 審題指導(dǎo) 1 選擇地球繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)作為研究系統(tǒng) 根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力 推導(dǎo)出地球運(yùn)行周期 線速度 角速度公式 2 根據(jù)周期 線速度 角速度公式分析與運(yùn)動(dòng)半徑的關(guān)系 注意萬(wàn)有引力常數(shù)G的變化 解析 根據(jù) 宇宙膨脹說 宇宙是由一個(gè)大爆炸的火球開始形成的 大爆炸后各星球即以不同的速度向外運(yùn)動(dòng) 這種學(xué)說認(rèn)為地球離太陽(yáng)的距離逐漸增加 即公轉(zhuǎn)半徑逐漸增大 故A錯(cuò)誤 D正確 研究地球繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力 列出等式 得 這種學(xué)說認(rèn)為萬(wàn)有引力常量G在緩慢地減小 所以T在增大 所以太陽(yáng)系中地球的公轉(zhuǎn)情況與現(xiàn)在相比公轉(zhuǎn)周期T較小 故B正確 研究地球繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力 列出等式得 所以太陽(yáng)系中地球的公轉(zhuǎn)情況與現(xiàn)在相比公轉(zhuǎn)速率v較大 故C錯(cuò)誤 答案 BD 變式訓(xùn)練1 科學(xué)家試圖模擬宇宙大爆炸初的情境 他們使兩個(gè)帶正電的不同的重離子加速后 沿同一條直線相向運(yùn)動(dòng)而發(fā)生猛烈碰撞 為了使碰撞前的動(dòng)能盡可能多地轉(zhuǎn)化為其他形式的能 關(guān)鍵是設(shè)法使這兩個(gè)重離子在碰撞前的瞬間具有相同大小的 C A 速率B 質(zhì)量C 動(dòng)量D 動(dòng)能 解析 碰撞后盡可能多的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 也就是在碰撞過程中損失的機(jī)械能盡可能多 在完全非彈性碰撞中 碰撞后兩粒子粘在一起時(shí) 粒子損失的機(jī)械能最多 而在碰撞過程中遵循動(dòng)量守恒定律可知 碰撞前系統(tǒng)的總動(dòng)量為零則碰撞后系統(tǒng)的總動(dòng)量亦為零 所以本題關(guān)鍵是設(shè)法使這兩個(gè)重離子在碰撞前瞬間具有大小相等方向相反的動(dòng)量 這樣可以保證碰撞后粒子的動(dòng)能最小 關(guān)于天然放射現(xiàn)象 自然過程和宇宙 下列說法中不正確的是 A 1903年英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫在研究鈾礦的熒光效應(yīng)時(shí)首先發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象B 三種放射線中 射線的電離作用最強(qiáng) 穿透本領(lǐng)最弱C 大量事實(shí)表明 自然界中的一切實(shí)際變化過程都具有方向性 朝某個(gè)方向的變化是可以自發(fā)發(fā)生的 相反方向的變化卻是受到限制的 D 從地球上看月球 總是看到相同的一些月海 因?yàn)樵虑蚩偸且酝粋€(gè)面對(duì)著地球 審題指導(dǎo) 1 射線是氦原子核 射線是電子流 射線是電子躍遷產(chǎn)生的光子流 放射性元素的放射性由其本身決定 2 一切自發(fā)進(jìn)行的與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程 都具有方向性 擴(kuò)散 熱傳遞等現(xiàn)象具有方向性 3 月球自轉(zhuǎn)的同時(shí)還在繞地球公轉(zhuǎn) 由于自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期相等 故一面總是對(duì)著地球 解析 1896年 法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn) 鈾和含鈾的礦物能夠發(fā)出看不見的射線 這種射線可以穿透黑紙使照相底片感光 故A錯(cuò)誤 三種放射線中 射線的電離作用最強(qiáng) 穿透本領(lǐng)最弱 一張紙片就可以擋住 故B正確 大量事實(shí)表明 自然界中的一切實(shí)際變化過程都具有方向性 朝某個(gè)方向的變化是可以自發(fā)發(fā)生的 相反方向的變化卻是受到限制的 故C正確 月球的公轉(zhuǎn)周期與自轉(zhuǎn)周期相同 故從地球上看月球 總是看到相同的一些月海 月球總是以同一個(gè)面對(duì)著地球 故D正確 答案 A 欄目鏈接 變式訓(xùn)練2 關(guān)于粒子和宇宙 下列說法中正確的是 B A 質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)揭示了原子是有結(jié)構(gòu)的B 2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予 發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹 的三位科學(xué)家C 宇宙是一個(gè)有層次的天體結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 太陽(yáng)是宇宙的中心D 氣體分子間有空隙 固體分子間沒有空隙 解析 本題考查內(nèi)容有 分子動(dòng)理論 人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí) 原子結(jié)構(gòu)等 原子又是由原子核與核外電子組成的 電子的發(fā)現(xiàn)揭示了原子是有結(jié)構(gòu)的 故A說法錯(cuò)誤 2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予 發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹 的三位科學(xué)家 故B說法正確 宇宙是一個(gè)有層次的天體結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 宇宙是無(wú)限大的 太陽(yáng)不是宇宙的中心 故C說法錯(cuò)誤 氣體分子間有空隙 固體分子間也有間隙 故D說法錯(cuò)誤 下列說法中正確的是 A 在天空中呈現(xiàn)暗紅色的恒星的溫度比呈現(xiàn)白色的恒星的溫度高B 太陽(yáng)發(fā)出的光和熱來(lái)自于太陽(yáng)上碳 氧等物質(zhì)的燃燒C 太陽(yáng)系中距離太陽(yáng)越近的行星 公轉(zhuǎn)速度越小D 由于光速有限 因此觀察遙遠(yuǎn)的天體就等于在觀察宇宙的過去 審題指導(dǎo) 1 發(fā)光能力既和表面溫度有關(guān) 也和發(fā)光面積有關(guān) 恒星的顏色是由溫度決定的 溫度越低 顏色越偏紅 溫度越高 顏色越偏藍(lán) 2 太陽(yáng)能夠釋放的能量很多 主要取決于內(nèi)部發(fā)生的核聚變 向外界不斷地釋放光和熱 解析 恒星的顏色是由溫度決定的 溫度越低 顏色越偏紅 溫度越高 顏色越偏藍(lán) 在天空中呈現(xiàn)暗紅色的恒星的溫度比呈現(xiàn)白色的恒星的溫度低 故A錯(cuò)誤 太陽(yáng)發(fā)出的光和熱來(lái)自于在太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行著大規(guī)模的核聚變釋放的能量 故B錯(cuò)誤 欄目鏈接 根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力得 v 得太陽(yáng)系中距離太陽(yáng)越近的行星 公轉(zhuǎn)速度越大 故C錯(cuò)誤 由于光速有限 因此觀察遙遠(yuǎn)的天體就等于在觀察宇宙的過去 故D正確 答案 D 變式訓(xùn)練3 下列關(guān)于宇宙及星系的說法中正確的是 D A 銀河系是一種漩渦狀的系星 太陽(yáng)系就位于漩渦的中心B 太陽(yáng)系中距離太陽(yáng)越近的行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)速度越小 C 宇宙中恒星都是不動(dòng)的星球 行星都是繞著恒星運(yùn)動(dòng)的D 宇宙中恒星是有壽命的 每一顆恒星都有其誕生 存在和死亡的過程 一顆恒星的壽命取決于它的質(zhì)量解析 銀河系是一種漩渦狀的系星 太陽(yáng)系不是漩渦的中心 A錯(cuò) 由線速度公式v 可知太陽(yáng)系中距離太陽(yáng)越近的行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)速度越大 B錯(cuò) 宇宙中的恒星在一個(gè)特定位置周圍振動(dòng) C錯(cuò)