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1、 4.4　粒子物理與宇宙的起源 學(xué)習(xí)目標(biāo) 重點(diǎn)難點(diǎn) 1．知道粒子的分類(lèi)及其作用。 2．知道夸克模型。 3．初步知道宇宙與恒星的演化。 重點(diǎn)：粒子的分類(lèi)與宇宙的演化。 難點(diǎn)：夸克模型的理解。 一、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的更深層次 1．對(duì)粒子的認(rèn)識(shí)過(guò)程 （1）基本粒子：19世紀(jì)末，人們認(rèn)為電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本粒子。原子核中放出電子的事實(shí)，使人們認(rèn)識(shí)到“基本粒子”還有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。 （2）新粒子：20世紀(jì)中葉，科學(xué)家通過(guò)高能加速器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了更多的新粒子，如μ子、K介子、π介子和Λ子。 2．夸克模型 （1）夸克：1964年，美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出了組

2、成強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。 （2）分類(lèi)：目前已經(jīng)知道的夸克有六種：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。 3．粒子的分類(lèi) 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子分三大類(lèi)：參與強(qiáng)相互作用的強(qiáng)子、不參與強(qiáng)相互作用的輕子和傳遞相互作用的粒子。 預(yù)習(xí)交流1 夸克的帶電荷量是怎樣的？現(xiàn)在能否獲得自由夸克？ 答案：夸克帶電荷量為元電荷的分?jǐn)?shù)，如上夸克帶電荷為＋e，下夸克帶電荷為－e。 現(xiàn)在還不能獲得自由的夸克。 二、自然界兩極的奇妙會(huì)合 1．暴脹的宇宙 宇宙是一個(gè)超高溫、超高密度的“原始火球”發(fā)生大爆炸開(kāi)始形成的。 2．恒星的演化 （1）形成：大塊的星云由于引力作用收縮，逐漸凝

3、成原恒星。 （2）穩(wěn)定期：原恒星內(nèi)部的溫度達(dá)到7106 K時(shí)，氫聚變成氦的熱核反應(yīng)產(chǎn)生的斥力與引力作用達(dá)到平衡時(shí)，恒星不再收縮，進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定期。目前發(fā)現(xiàn)的90%的恒星處于恒星一生中時(shí)間最長(zhǎng)的穩(wěn)定期。 （3）衰老期：當(dāng)氦核質(zhì)量占到恒星質(zhì)量的10%～15%時(shí)，核反應(yīng)能量供應(yīng)不足，恒星穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，恒星變化為紅巨星。 （4）末期：恒星核能耗盡后進(jìn)入末期，末期形態(tài)有三種：白矮星、中子星和黑洞。 預(yù)習(xí)交流2 自然界中存在哪四種相互作用？這四種相互作用能統(tǒng)一起來(lái)嗎？ 答案：自然界中存在四種相互作用，它們分別是強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。目前科學(xué)家正試圖把這四種相互作

4、用統(tǒng)一起來(lái)。 一、對(duì)粒子的認(rèn)識(shí) 新粒子各是哪年發(fā)現(xiàn)的？它們有什么特點(diǎn)？ 答案： 發(fā)現(xiàn) 時(shí)間 1932年 1937年 1947年 60年代后 新粒子 反粒子 μ子 K介子 與π介子 超子 基本 特點(diǎn) 質(zhì)量與相對(duì)應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反 比質(zhì)子的質(zhì)量小 質(zhì)量介于電子與質(zhì)子之間 其質(zhì)量比 質(zhì)子大 關(guān)于粒子，下列說(shuō)法正確的是（　?。? A．質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子 B．質(zhì)子、中子本身也是復(fù)合粒子，它們擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu) C．質(zhì)子是帶電的強(qiáng)子 D．夸克模型說(shuō)明電子電荷不再是電荷的最小單位 答案：BCD

5、 解析：質(zhì)子和中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，故A錯(cuò)、B對(duì)；不同的夸克組成強(qiáng)子，有的強(qiáng)子帶電，有的強(qiáng)子不帶電，質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子，故C正確；夸克模型是研究強(qiáng)子的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋e和－e，這說(shuō)明電子電荷不再是電荷的最小單位，故D正確。 粒子分類(lèi) 分類(lèi) 參與的 相互作用 發(fā)現(xiàn)的粒子 備注 強(qiáng)子 參與強(qiáng)相互作用 質(zhì)子、中子、介子、超子 強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”粒子構(gòu)成的 輕子 不參與強(qiáng)相互作用 電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 媒介子 傳遞各種相互作用 光子、中間玻色子、膠子 光子、玻色子、膠

6、子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用 二、關(guān)于宇宙大爆炸的模型 1932年勒梅特首次提出現(xiàn)代宇宙大爆炸理論，這個(gè)理論是目前多數(shù)科學(xué)家認(rèn)可的宇宙起源，你通過(guò)讀書(shū)能對(duì)這個(gè)理論做簡(jiǎn)單的闡述嗎？ 答案：宇宙的演化可用下面的方框圖表示出來(lái)： →→→→→ 在天體演變過(guò)程中，紅巨星發(fā)生“超新星爆炸”后，可以形成中子星（電子被迫同原子核中的質(zhì)子結(jié)合而形成中子），中子星具有極高的密度。 （1）寫(xiě)出質(zhì)子演變成中子的反應(yīng)方程； （2）若已知某中子星的密度為1017 kg/m3，該中子星的衛(wèi)星繞它做圓軌道運(yùn)動(dòng)，試求該中子星的衛(wèi)星運(yùn)行的最小周期。 答案：（1）H＋e→n　（2）1.210－3 s 解

7、析：（1）。 （2）如圖所示，設(shè)中子星的衛(wèi)星圓軌道半徑為R，質(zhì)量為m，由萬(wàn)有引力提供向心力，可得。 又當(dāng)R=r（中子星的半徑）時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行周期最小，注意到，由此可得Tmin=1.210-3 s。 物理學(xué)的研究范圍很廣，小到微觀(guān)粒子，大到浩瀚的宇宙，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主格拉肖曾經(jīng)非常形象地把從宇觀(guān)世界到微觀(guān)世界的鏈條比喻成一條咬住自己尾巴的大蛇，從尾到首依次為粒子、原子核、原子、細(xì)胞、一直到星系團(tuán)、整個(gè)宇宙。 1．已知π＋介子、π－介子都是由一個(gè)夸克（夸克u或反夸克d）和一個(gè)反夸克（反夸克或反夸克）組成的，它們的帶電荷量如下表所示，e為元電荷。 π＋ π－ u d

8、 帶電 荷量 ＋e －e ＋e －e －e ＋e 下列說(shuō)法中正確的是（　?。?。 A．π＋由u和組成　　　　B．π＋由d和組成 C．π－由u和組成 D．π－由d和組成 答案：AD 解析：因π＋介子帶有＋e的電荷量，且是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的，則只有夸克u帶＋e和一個(gè)反夸克帶＋e合成后電荷量為e，那么π＋介子就是由夸克u和反夸克d組成，同理π介子由夸克d和反夸克組成，故A、D正確，B、C錯(cuò)。 2．2006年美國(guó)和俄羅斯的科學(xué)家利用回旋加速器，通過(guò)Ca（鈣48）轟擊Cf（锎249）發(fā)生核反應(yīng)，成功合成第118號(hào)元素，這是迄今為止門(mén)捷列夫元素周期表中原

9、子序數(shù)最大的元素，實(shí)驗(yàn)表明，該元素的原子核先放出3個(gè)相同的粒子x，再連續(xù)經(jīng)過(guò)3次α衰變后，變成質(zhì)量數(shù)為282的第112號(hào)元素的原子核，則上述過(guò)程中粒子x是（　?。? A．中子 B．質(zhì)子 C．電子 D．α粒子 答案：A 解析：由于最終經(jīng)3次α衰變變成原子核Z，由此可知原來(lái)的核應(yīng)為Y，而該核是由某原子核放出了3個(gè)粒子x形成的。而Ca和Cf的總質(zhì)子數(shù)為118，質(zhì)量數(shù)為297，由此可知Ca＋Cf→X，X→Y＋3n，故A正確。 3．下列說(shuō)法中正確的是（　　）。 A．太陽(yáng)是宇宙的中心 B．太陽(yáng)系中只存在太陽(yáng)和它的八大行星 C．太陽(yáng)系是由太陽(yáng)和若干行星和它們的衛(wèi)星

10、和彗星組成 D．以上說(shuō)法都正確 答案：C 解析：太陽(yáng)系中以太陽(yáng)為中心，有八大行星繞太陽(yáng)運(yùn)行，有的行星還有衛(wèi)星，此外還有2 000多顆比較小的小行星和彗星等，所以敘述較完整的是C項(xiàng)。通常我們所說(shuō)的八大行星是指太陽(yáng)系中較大的幾顆行星，太陽(yáng)系的組成中還有小行星和彗星。 4．關(guān)于宇宙的成因，目前比較容易被接受的是宇宙起源于________。 答案：大爆炸 解析：目前關(guān)于宇宙成因有許多說(shuō)法，其中具代表性和多數(shù)科學(xué)家所接受的是“大爆炸”學(xué)說(shuō)，認(rèn)為宇宙起源于一次大爆炸。盡管“大爆炸”學(xué)說(shuō)受到很多人支持，但仍有很多不解之謎。 5．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)

11、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α粒子，它的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)為多少？ 答案：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α粒子質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為－2。 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375