高中物理选修3-5同步练习试题解析：19.8

高中物理选修3-5 同步练习试题分析
粒子和宇宙
1．对于粒子，以下说法中正确的选项是()
A．光子、电子、质子和中子是构成物质的不行再分的最基本粒子
B．质量比核子大的粒子都参加强互相作用
C．强子、轻子、媒介子都由更基本的粒子夸克构成
D．很多粒子都存在反粒子
分析：质子、中子自己有复杂构造，A 错误，τ子的质量比核子的质量大，但它属于轻子，不参加强互相作用， B 错误；现代实验还没有发现轻子的内部构造， C 错误。

答案： D
＋－
2．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)构成的，它们的带电量以下表所示，表中 e 为元电荷。

＋－
u d u d
ππ
带电量＋ e－ e
212
e
1＋ e－ e－＋ e 3333
以下说法正确的选项是()
＋
由 u和 d 构成＋
A ．π
B ．π由 d 和 u 构成
－
由 u和 d 构成－
和 u 构成
C．πD．π由 d
分析：依据电荷量关系可知，因为
＋＋
π介子带有＋ e 的电量，又因为π介子是由 u 夸克
＋21
和 d 夸克构成，依据题意可知π介子 (＋e)应由一个 u 夸克＋ e 和反 d 夸克＋ e 合成，同
33－
理π介子由 d 夸克和反 u 夸克构成。

答案： A 、D
3．依据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风范的期间，那么在
大爆炸以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．氦核、氚核、氦子等轻核
答案： A
4．正电子是电子的反粒子，它跟一般电子的电荷量相等，而电性相反，科学家假想在
宇宙的某些部分可能存在完整由反粒子构成的物质——反物质。

1997 年，欧洲和美国的科学研究机构先后宣告：他们分别制造出9 个和 7 个反氢原子。

这是人类探究反物质的一大进
步，你推断反氢原子的构造是()
A ．一个带正电荷的质子和一个带负电荷的电子构成
B．一个带负电荷的质子和一个带正电荷的中子构成
C．由一个不带电荷的中子和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正电荷的电子构成
分析：氢原子由质子和电子构成，它们的反粒子分别是反质子和正电子， D 正确。

答案： D
5．宇宙出生过程中，产生以下粒子：①光子、中微子、电子等大批轻子；② 氘核、氚核、氦 3、氦核等轻核；③夸克、轻子、胶子等粒子；④ 质子和中子等强子；⑤ 电子、质子、氦核的混淆电离气体；⑥ 电子、质子复合成为中性氢原子。

依据宇宙大爆炸理论，以上粒子形成的先后次序是()
A ．①②③④⑤⑥B．③①④②⑤⑥
C．③④①②⑤⑥D．①③④②⑥⑤
分析：依据大爆炸理论，宇宙形成之初是粒子家族，后来产生了夸克、轻子、胶子等粒
子，而后按强子时代、轻子时代、核合成时代、混淆电离气体、中性氢原子的次序演化，故
C正确。

答案： C
6．2002 年，美国《科学》杂志评出的“ 2001 年世界十大科技打破”中，有一个是加拿大萨
德伯里中微子观察站的结果，该站揭露了中微子失散的原由，即观察到的中微子数量比
理论值少是因为部分中微子在运动过程中转变为一个μ子和一个τ子。

在上述研究中有以下说法：
① 若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向必定相
反
② 若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能一
致
③ 若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向必定一
致
④ 若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能相
反
此中正确的选项是
()
A ．①③B．②③
C．③④D．①②
分析：中微子转变过程中动量守恒，pν＝ pμ＋ pτ，若 pμ、pν同向，且 pμν，则 pτ
，否
<p>0
则 pτμ、 pν反向，则 pτ
<0，② 正确；若 p>0，③ 正确。

答案： B
7.中子内有一个电荷量为＋2
3e的上夸克和两个电荷量为－
1
3e的下夸克，一简单模型是
三个夸克都在半径为r 的同一圆周上，如图
出各夸克所受静电作使劲的是()
20－ 1 所示。

下边给出的四幅图中，能正确表示
图 20－1
分析：此题考察的是库仑力的大小方向及力的合成，明确每个夸克
2
皆受两个力的作用。

电荷量为＋3e 的上夸克受两个下夸克的吸引力，合
力的方向必定向下，对此中一个夸克，受力如右图所示，因为 F 1的水
均分力与 F 2大小相等，方向相反，故 F 1与 F 2的协力竖直向上。

答案： B
8．此刻，科学家们正在想法找寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，
“反粒子”与其对应的正粒子拥有同样的质量和同样的电荷数，但电荷的符相反。

据此，若
有反α粒子，则它的质量数为 ______，电荷数为 ________。

分析：因为“正α粒子”为42He，质量数为4，电荷数为2，依据题中对“反粒子”
的定
义，反α粒子，质量数也为4，而电荷数则应为－2。

答案： 4－2
9．已经证明，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克构成的，上夸克带电
为2
e，下夸克带电为－
1
e， e 为电子所带电量的大小，假如质子是由三个夸克构成的，且各33
个夸克之间的距离都为l， l＝ 1.5× 10－15m。

试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力(库仑力) 。

分析：质子带电为＋e，因此它是由 2 个上夸克和 1 个下夸克构成的。

按题意，三个夸
克必位于等边三角形的三个极点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为
2 2
3e ×3e
4 e 2
F uu ＝ k l
2
＝ 9k l 2。

代入数值，得 F uu ＝46 N ，为斥力。

上夸克与下夸克之间的静电力为
1 2
3e ×3e
2 e
2
F ud ＝ k
l 2
＝ k 2。

9 l
代入数值，得 F ud ＝23 N ，为吸力。

答案： 上夸克间静电力 F ＝ 46 N ，为斥力。

上、下夸克间静电力
F ′＝ 23 N ，为吸力。

－
－
－
0 －
－
10.K 介子衰变的方程为 K
―→ π ＋ π，此中 K 介子和 π 介子带负的基元电荷， π 介
子不带电。

一个 K －
介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，
其轨迹为圆弧 AP ，衰变后产 －
PB ，两轨迹在 P 点相切，它们的半径
R
－
与 R －之比为
，如
生的 π 介子的轨迹为圆弧
K π
－
图 20－2 所示， π 介子的轨迹未画出。

由此可知 π 介子的动量大小与 π 介子的动量大小之
比是多少？
图 20－2
－
－
分析： 由题意及图示可知， K 介子在 P 点处动量方向向下，衰变后生成的
π 介子动量
方向向上。

由在匀强磁场中带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动的半径公式
R ＝
mv
qB
知，在 q 、B 同样的状况下，动量和半径成正比，因此 |p
－
－
－
R － ＝。

若选向
K
p π|＝ R K
π
－
－
－
－
0 下方向为正， 则由 K 介子衰变过程中动量守恒， 得 |p
K
π
|＋ |p π
π
π
|＝－ |p |，整理得 |p
p |＝。

答案：
11．天文观察表示，几乎所有远处的恒星(或星系 )都在以各自的速度背叛我们而运动，
离我们越远的星体，背叛我们运动的速度 (称为退行速度 )越大；也就是说，宇宙在膨胀。

为
同星体的退行速度 v 和它们离我们的距离
r 成正比， 即 v ＝ Hr 。

式中 H 为一常量， 称为哈勃
常数， 已由天文察看测定。

为解说上述现象， 有人提出一种理论， 以为宇宙是从一个大爆炸
的火球开始形成的。

假定大爆炸后各星体以不一样的速度向外匀速运动，
并假想我们就位于其
中心，则速度大的星表此刻离我们越远。

这一结果与上述天文观察一致。

(1)由上述理论和天文观察结果，可估量宇宙年纪
T ，其计算式是什么？
－ 2
(2)依据观察，哈勃常数 H ＝3× 10 m/s ·年，此中光年是光在一年中前进的距离，由光
此估量宇宙的年纪约为多少年？
分析： 因为爆炸后各星体做的是匀速运动，令宇宙年纪为
T ，则星球现距我们的距离为
r ＝vT ＝ HrT ，得： T ＝ 1 。

H
1 ＝
1
1秒 ·光年
－ 2
＝
－ 2
T ＝
H 3×10
m/s 光·年 3×10 m
1× 365× 24× 3 600× 3×108
10
＝ 3×10 －2
×3 600× 24× 365 年＝ 1× 10
年。

答案： (1)T ＝
1
(2)1 ×1010 年
H
12．太阳内部的核聚变能够开释出大批的能量， 这些能量以电磁辐射的形式向四周八方
辐射出去，其总功率达
P ＝3.8× 1026 W 。

(1)估量一下太阳每秒钟损失的质量；
(2)设太阳内部的核反响都是
1 4
＋25.8 MeV 这类形式的反响 (ν是中 41H ―→ 2He ＋ 2e ＋ 2νe e
微子，其质量远小于电子质量，是穿透能力极强的中性粒子
) ，地日距离 L ＝ 1.5× 1011 m ，
试估量每秒钟太阳垂直照耀在地球表面上每平方米有多少中微子抵达？
(3)假定原始太阳所有由质子和电子构成，而且只有
10%的质子可供“焚烧”，试估量
太阳的寿命。

(太阳质量约为 2.0×10
30
－ 27
kg)
kg ，质子质量为 1.67× 10
分析： (1)太阳每秒钟放出的能量
E ＝ Pt ＝3.8× 1026 J ，由质能方程 E ＝ mc 2 可得，
E
26
3.8× 10
9
6
m ＝ c 2＝ (3× 108)2 kg ≈4.2× 10 kg ＝ 4.2× 10 t 。

(2)每秒钟聚变反响的次数
E
3.8× 26
10
37
N ＝ E ＝ 25.8× 106
× 1.6×10－
19
次 ≈9.2× 10
次，
每秒钟产生的中微子数
N 1＝ 2N ＝ 1.84× 1038 个，
距太阳 L ＝ 1.5× 1011 m 的球面面积 S ＝ 4πL 2＝ 4×3.14× (1.5× 1011) 2 m 2＝ 2.826× 1023 m 2，
38 设每平方米有 N 2 此中微子，则
N 2＝N 1＝
1.84×10
23个 ≈ 6.5×1014 个。

S 2.826× 10
(3) 电 子 的 质 量 远 小 于 质 子 的 质 量 ， 则 能 发 生 反 应 的 质 子 总 质 量 约 为 m 1 ＝
2.0× 1030× 10% kg ，每次聚变反响用 4 个质子，则每秒钟用的质子数
n ＝ 4×9.2× 1037 个。

每个质子的质量 m 0＝ 1.67× 10－27
kg ，
太阳的寿命 t ＝
m 1
2.0× 1030× 10%
17
0＝
37 × 1.67× 10－
27 s ≈ 3.25× 10
s ≈103 亿年。

nm
4× 9.2× 10 答案： (1)4.2× 106 t
(2)6.5 × 1014 个 (3)103 亿年。