8　粒子和宇宙教案和学案内容

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粒子和宇宙

[学习目标] 1.知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型. 2.了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化．

一、粒子和宇宙

1．“基本粒子”不基本

(1)直到19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，后来人们发现了光子、电子、质子、中子，并把它们叫做“基本粒子”．

(2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构．

2．发现新粒子

(1)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子，后来发现了超子等．

(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子．

3．夸克模型的提出

1964年提出的强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．

一、新粒子的发现和夸克模型

[导学探究]

图1为欧洲粒子加速器，能使粒子获得13万亿电子伏特的能量．

图1 (1)高速粒子碰撞能产生一些新的粒子，试说出部分20世纪30年代以来发现的新粒子．

(2)随着新粒子的发现，质子与中子为什么不再被称为“基本粒子”？

答案

(1)正电子、μ子、K介子、π介子、超子．

(2)因为科学家们发现质子、中子等本身也是复合粒子，也有着自己的复杂的结构，所以它们

不再是“基本粒子”．

[知识深化]

1．新粒子的发现及特点

发现时间

新粒子

1932年

反粒子

质量、寿命等物理性基本特点

质与相对应的粒子相同，而电荷等其他性质相反

2.粒子的分类

分类

参与的相互作用

发现的粒子

质子、中子、介子、超子

电子、电子中微子、μ轻子

不参与强相互作用

子、μ子中微子、τ子、τ子中微子

光子、中间玻色子、胶子

光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用

未发现内部结构

备注

强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又分为介子和重子两类

比质子的质量小

1937年

μ子

1947年

K介子与π介子

质量介于电子与核子之间

其质量比质子大

20世纪60年代后

超子

强子

参与强相互作用

媒介子

传递各种相互作用

3.夸克模型

(1)夸克的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．

(2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)．

21(3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的＋或－.例如，332ee上夸克带的电荷量为＋，下夸克带的电荷量为－. 33(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷．

例1

(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是(

)

A．强子是由更基本的夸克组成的

21B．夸克的电荷量分别为元电荷的＋或－

33C．每种夸克都有对应的反夸克

D．夸克能以自由的状态单个出现

答案

ABC 解析

夸克不能以自由的状态单个出现，D错误，A、B、C正确．

针对训练1

(多选)已知π介子、π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. 粒子

带电荷量

下列说法正确的是(

) A．π由u和d组成

C．π由u和d组成

答案

AD 2＋解析

因π介子带有＋e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u带＋e31＋和反夸克d带＋e合成电荷量为＋e，那么π介子就是由夸克u和反夸克d组成的；同理，3π介子由夸克d和反夸克u组成，所以A、D正确．

－－＋＋－π

＋e ＋π

－e －u 2e＋

3d e－

3u

2e－

3d

e＋

3B．π由d和u组成

D．π由d和u组成

－＋

1．(对宇宙粒子的理解)以下说法正确的是(

) A．最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子

B．质子、中子、介子和超子都属于强子

C．强子、轻子都有内部结构

D．τ子质量比核子质量大，τ子不属于轻子

答案

B 解析

最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，故选项A错误；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，所以C错误；质子、中子、介子、超子都属于强子，τ子质量比核子质量大，但仍属于轻子，B正确，D错误．

一、选择题

考点一

宇宙与粒子

8．根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在爆炸之后最早产生的粒子是(

) A．夸克、轻子、胶子等粒子

B．质子和中子等强子

C．光子、中微子和电子等轻子

D．氢核、氘核、氦核等轻核

答案

A 解析

宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由的光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结合成氘核，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此A正确，B、C、D的产生都在A之后，故B、C、D错．

9．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．由此可知反氢原子是(

) 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个不带电的中子和1个带正电荷的正电子构成

答案

B 解析

氢原子由一个电子和一个质子组成，根据“反物质”和“反粒子”的概念，可知反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子组成，故选项B正确，选项A、C、D错误．