人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：5 5“基本”粒子

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE1第5節(jié)“基本”粒子〖學(xué)習(xí)目標(biāo)要求〗1.了解構(gòu)成物質(zhì)的“基本”粒子。2.了解近代發(fā)現(xiàn)的粒子。3.知道粒子的分類。4.了解夸克模型的內(nèi)容。一、“基本”粒子和發(fā)現(xiàn)新粒子1.“基本”粒子不基本“基本粒子”：直到19世紀(jì)末，人們認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子、中子是“基本粒子”，隨著科學(xué)的發(fā)展，一方面逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的新粒子，它們都不是由中子、質(zhì)子、電子組成的；另一方面科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。所以，從20世紀(jì)后半期起，就將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱粒子。2.發(fā)現(xiàn)新粒子(1)從20世紀(jì)30年代以來(lái)，人們對(duì)宇宙線的研究和加速器、對(duì)撞機(jī)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)400多種。(2)反粒子實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，存在著這樣一類粒子，它們的質(zhì)量、壽命、自旋等物理性質(zhì)與過(guò)去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子相同，而電荷等其他性質(zhì)相反，這些粒子叫作反粒子。二、粒子的分類和夸克模型1.粒子的分類目前發(fā)現(xiàn)的粒子大體可被分為強(qiáng)子、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子幾種類別。2.夸克模型(1)夸克的提出：1964年美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼等人提出了夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。(2)夸克的種類：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)、頂夸克(t)。(3)夸克所帶的電荷量：夸克帶的電荷分別為元電荷的－eq\f(1,3)或＋eq\f(2,3)。(4)夸克的意義：電子電荷不再是電荷的最小單元。(5)夸克的“禁閉”：夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克的“禁閉”。探究新粒子的發(fā)現(xiàn)和分類1.新粒子的發(fā)現(xiàn)(1)1931～1940年發(fā)現(xiàn)正電子、μ子。(2)1941～1950年發(fā)現(xiàn)K介子和π介子。(3)1951～1960年發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子和電子中微子。(4)1961～1970年發(fā)現(xiàn)μ子中微子。(5)1971～1980年發(fā)現(xiàn)τ子、膠子、J/Ψ介子。(6)1981～1990年發(fā)現(xiàn)W和Z玻色子。(7)1991～2000年發(fā)現(xiàn)τ子中微子。(8)2001～至今發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。2.粒子的分類分類參與的相互作用發(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”構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子輕子不參與強(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)規(guī)范玻色子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用希格斯玻色子目前最后一個(gè)被發(fā)現(xiàn)是希格斯場(chǎng)的量子激發(fā)〖例1〗以下說(shuō)法正確的是()A.最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子，最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子是中子B.質(zhì)子、中子、介子和超子都屬于強(qiáng)子C.現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)子、輕子都有內(nèi)部結(jié)構(gòu)D.τ子質(zhì)量比核子質(zhì)量大，τ子不屬于輕子〖答案〗B〖解析〗最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子是質(zhì)子，最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子，A錯(cuò)誤；強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由夸克組成，現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，C錯(cuò)誤；質(zhì)子、中子、介子、超子都屬于強(qiáng)子，τ子質(zhì)量比核子質(zhì)量大，但仍屬于輕子，D錯(cuò)誤，B正確。〖針對(duì)訓(xùn)練〗(多選)關(guān)于人們發(fā)現(xiàn)的新粒子，下列說(shuō)法正確的是()A.許多粒子都有自己的反粒子B.把粒子分為強(qiáng)子、輕子、媒介子，依據(jù)是粒子與各種相互作用的關(guān)系C.質(zhì)子屬于強(qiáng)子D.光子屬于輕子〖答案〗ABC〖解析〗許多粒子都有自己的反粒子，“反粒子”與其對(duì)應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電荷量，但電荷的符號(hào)相反，故A正確；粒子分為三大類：媒介子、輕子和強(qiáng)子，依據(jù)是其相互作用的關(guān)系，質(zhì)子和中子屬于強(qiáng)子，光子屬于媒介子，τ子屬于輕子，故B、C正確，D錯(cuò)誤。〖例2〗在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出。中微子的性質(zhì)十分特別，因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測(cè)。1953年，萊尼斯和柯文建造了一個(gè)由大水槽和探測(cè)器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中eq\o\al(1,1)H的核反應(yīng)，間接地證實(shí)了中微子的存在。(1)中微子與水中的eq\o\al(1,1)H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子(eq\o\al(1,0)n)和正電子(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，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是________。(填寫(xiě)選項(xiàng)前的字母)A.0和0 B.0和1C.1和0 D.1和1(2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子(γ)，即eq\o\al(0,＋1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ。已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×10－31kg，求反應(yīng)中產(chǎn)生的每個(gè)光子的能量。正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)光子，原因是什么？〖答案〗(1)A(2)8.2×10－14J此過(guò)程遵循動(dòng)量守恒定律〖解析〗(1)發(fā)生核反應(yīng)前后，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均守恒，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0，選項(xiàng)A正確。(2)產(chǎn)生能量是由于質(zhì)量虧損。兩個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱?，則ΔE＝Δmc2，故一個(gè)光子的能量為eq\f(ΔE,2)，代入數(shù)據(jù)得eq\f(ΔE,2)＝8.2×10－14J。正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動(dòng)量為零，故如果只產(chǎn)生一個(gè)光子是不可能的，因?yàn)榇诉^(guò)程遵循動(dòng)量守恒定律。1.(多選)下列所述正確的是()A.強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子B.輕子是不參與強(qiáng)相互作用的粒子C.目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有4種D.夸克有6種，它們帶的電荷量分別為元電荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)〖答案〗ABD〖解析〗強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子，輕子是不參與強(qiáng)相互作用的粒子，故選項(xiàng)A、B正確；強(qiáng)子由夸克組成，夸克有6種。它們的帶電荷量分別為＋eq\f(2,3)e或－eq\f(1,3)e，故選項(xiàng)D正確；目前能發(fā)現(xiàn)的輕子只有6種，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤。2.(多選)下列關(guān)于夸克模型的說(shuō)法正確的是()A.強(qiáng)子是由更基本的夸克組成的B.夸克的電荷量分別為元電荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)C.每種夸克都有對(duì)應(yīng)的反夸克D.夸克能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)〖答案〗ABC〖解析〗強(qiáng)子是由更基本的夸克組成的，A正確；夸克的電荷量分別為元電荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)，B正確；每種夸克都有對(duì)應(yīng)的反夸克，C正確；夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。3.根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時(shí)期，那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是()A.夸克、輕子、膠子等粒子B.質(zhì)子和中子等強(qiáng)子C.光子、中微子和電子等輕子D.氫核、氘核、氦核等輕核〖答案〗A〖解析〗宇宙形成之初產(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經(jīng)歷了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子時(shí)代，再之后是自由的光子、中微子、電子大量存在的輕子時(shí)代，再之后是中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，并形成氦核的核時(shí)代，之后電子和質(zhì)子復(fù)合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此選項(xiàng)A正確，B、C、D的產(chǎn)生都在A之后，故選項(xiàng)B、C、D錯(cuò)誤。4.已知π＋介子、π－介子都是由一個(gè)夸克(夸克u或夸克d)和一個(gè)反夸克(反夸克eq\o(u,\s\up6(－))或反夸克eq\o(d,\s\up6(－)))組成的，它們的帶電荷量如表所示，表中e為元電荷。粒子π＋π－udeq\o(u,\s\up6(－))eq\o(d,\s\up6(－))帶電荷量＋e－e＋eq\f(2,3)e－eq\f(1,3)e－eq\f(2,3)e＋eq\f(1,3)e(1)按最簡(jiǎn)單的組成，π＋介子由誰(shuí)和誰(shuí)組成？(2)按最簡(jiǎn)單的組成，π－介子由誰(shuí)和誰(shuí)組成？〖答案〗(1)π＋介子是由夸克u和反夸克eq\o(d,\s\up6(－))組成的(2)π－介子由夸克d和反夸克eq\o(u,\s\up6(－))組成〖解析〗(1)π＋介子帶有＋e的