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同步练习试题解析
粒子和宇宙
1．关于粒子，下列说法中正确的是( )
A ．光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子
B ．质量比核子大的粒子都参与强相互作用
C ．强子、轻子、媒介子都由更基本的粒子夸克组成
D ．许多粒子都存在反粒子
解析：质子、中子本身有复杂结构，A 错误，τ子的质量比核子的质量大，但它属于轻子，不参与强相互作用，B 错误；现代实验还没有发现轻子的内部结构，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)组成的，它们的带电量如下表所示，表中e 为元电荷。

A ．π＋
由u 和d 组成 B ．π＋
由d 和u 组成
C ．π－由u 和d 组成
D ．π－
由d 和u 组成
解析：根据电荷量关系可知，由于π＋
介子带有＋e 的电量，又由于π＋
介子是由u 夸克和d 夸克组成，根据题意可知π＋
介子(＋e)应由一个u 夸克⎝⎛⎭⎫＋23e 和反d 夸克⎝⎛⎭⎫＋13e 合成，同理π－
介子由d 夸克和反u 夸克构成。

答案：A 、D
3．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，那么在大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 ．氦核、氚核、氦子等轻核 答案：A
4．正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电荷量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全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布：他们分别制造出9个和7个反氢原子。

这是人类探索反物质的一大进
步，你推测反氢原子的结构是()
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
解析：氢原子由质子和电子组成，它们的反粒子分别是反质子和正电子，D正确。

答案：D
5．宇宙诞生过程中，产生如下粒子：①光子、中微子、电子等大量轻子；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、氦核的混合电离气体；⑥电子、质子复合成为中性氢原子。

根据宇宙大爆炸理论，以上粒子形成的先后顺序是()
A．①②③④⑤⑥B．③①④②⑤⑥
C．③④①②⑤⑥D．①③④②⑥⑤
解析：根据大爆炸理论，宇宙形成之初是粒子家族，其后产生了夸克、轻子、胶子等粒子，然后按强子时代、轻子时代、核合成时代、混合电离气体、中性氢原子的顺序演化，故C正确。

答案：C
6．2002年，美国《科学》杂志评出的“2001年世界十大科技突破”中，有一个是加拿大萨德伯里中微子观测站的结果，该站揭示了中微子失踪的原因，即观测到的中微子数目比理论值少是因为部分中微子在运动过程中转化为一个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一定相反
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一定一致
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
其中正确的是()
A．①③B．②③
C．③④D．①②
解析：中微子转化过程中动量守恒，pν＝pμ＋pτ，若pμ、pν同向，且pμ<pν，则pτ>0，否则pτ<0，②正确；若pμ、pν反向，则pτ>0，③正确。

答案：B
7.中子内有一个电荷量为＋23e 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20－1所示。

下面给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是( )
图20－1
解析：本题考查的是库仑力的大小方向及力的合成，明确每个夸克
皆受两个力的作用。

电荷量为＋2
3e 的上夸克受两个下夸克的吸引力，合
力的方向一定向下，对其中一个夸克，受力如右图所示，由于F 1的水平分力与F 2大小相等，方向相反，故F 1与F 2的合力竖直向上。

答案：B
8．现在，科学家们正在设法寻找“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________。

解析：由于“正α粒子”为42He ，质量数为4，电荷数为2，根据题中对“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．已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为23e ，下夸克带电为－1
3e ，e 为电子所带电量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l ，l ＝1.5×10－15
m 。

试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力(库仑
力)。

解析：质子带电为＋e ，所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的。

按题意，三个夸
克必位于等边三角形的三个顶点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为
F uu ＝k 23e ×23e
l 2＝49k e 2
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 F ud ＝k 13e ×23e
l 2＝29k e 2
l
2。

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。

10.K －
介子衰变的方程为K －
―→π－
＋π0，其中K －
介子和π－
介子带负的基元电荷，π0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 ，衰变后产生的π－
介子的轨迹为圆弧PB ，两轨迹在P 点相切，它们的半径R K －与R π－之比为
，如
图20－2所示，π0介子的轨迹未画出。

由此可知π－
介子的动量大小与π0介子的动量大小之比是多少？
图20－2
解析：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 ＝m v
qB
知，在q 、B 相同的情况下，动量和半径成正比，所以|p －
K
p －
π|＝R K －
R π－＝。

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

答案：
11．天文观测表明，几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度背离我们而运动，离我们越远的星体，背离我们运动的速度(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，已由天文观察测定。

为解释上述现象，有人提出一种理论，认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的。

假设大爆炸后各星体以不同的速度向外匀速运动，并设想我们就位于其中心，则速度大的星体现在离我们越远。

这一结果与上述天文观测一致。

(1)由上述理论和天文观测结果，可估算宇宙年龄T ，其计算式是什么？
(2)根据观测，哈勃常数H ＝3×10－
2 m/s·光年，其中光年是光在一年中行进的距离，由
此估算宇宙的年龄约为多少年？
解析：由于爆炸后各星体做的是匀速运动，令宇宙年龄为T ，则星球现距我们的距离为r ＝v T ＝HrT ，得：T ＝1
H。

T ＝1H ＝1
3×10－2 m/s·光年＝1秒·光年3×10－
2 m
＝1×365×24×3 600×3×1083×10－2
×3 600×24×365年＝1×1010年。

答案：(1)T ＝1
H
(2)1×1010年
12．太阳内部的核聚变可以释放出大量的能量，这些能量以电磁辐射的形式向四面八方辐射出去，其总功率达P ＝3.8×1026 W 。

(1)估算一下太阳每秒钟损失的质量；
(2)设太阳内部的核反应都是411H ―→42He ＋2e ＋2νe ＋25.8 MeV 这种形式的反应(νe 是中微子，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 ，试估算每秒钟太阳垂直照射在地球表面上每平方米有多少中微子到达？
(3)假设原始太阳全部由质子和电子组成，并且只有10%的质子可供“燃烧”，试估算太阳的寿命。

(太阳质量约为2.0×1030 kg ，质子质量为1.67×10
－27
kg)
解析：(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，
m ＝E c 2＝3.8×1026
(3×108)
2 kg ≈4.2×109 kg ＝4.2×106 t 。

(2)每秒钟聚变反应的次数
N ＝E ΔE ＝ 3.8×102625.8×106
×1.6×10－19次≈9.2×1037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，
设每平方米有N 2个中微子，则N 2＝N 1S ＝1.84×1038
2.826×10
23个≈6.5×1014
个。

(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 ，每次聚变反应用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 1nm 0＝ 2.0×1030×10%4×9.2×1037
×1.67×10－27 s ≈3.25×1017
s ≈103亿年。

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