高中物理-粒子和宇宙测试题

高中物理-粒子和宇宙测试题
第Ⅰ部分选择题
一、选择题：本题共8小题。

将正确答案填写在题干后面的括号里。

1．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
2．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
3．关于粒子,下列说法正确的是()
A．电子、质子、中子是组成物质的不可再分的最基本粒子
B．强子都是带电的粒子
C．夸克模型是探索三大类粒子结构的理论
D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
4.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
B.夸克的电荷量分别为元电荷的+2
3
或
1
3
C.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
5．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,它们的带电荷量如表所示,表中e为元电荷.
下列说法正确的是()
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
6．太阳放出的大量中微子向地球飞来,科学家发现中微子在向地球传播的过程中衰变为一个μ子和一个τ子,若在衰变中发现μ子速度方向与中微子原来的方向一致,则τ子的运动方向()
A．可能与μ子同方向
B．可能与μ子反方向
C．不一定与μ子在同一条直线上
D．一定与μ子在同一条直线上
7．2010年3月31日欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功。

科学家希望以接近光速飞行的质子在发生撞击之后,能模拟宇宙大爆炸的能量,并产生新的粒子,帮助人类理解暗物质、反物质、以及其他超对称现象,从根本上加深了解宇宙本质,揭示宇宙形成之谜。

欧洲科研机构宣布他们已经制造出9个反氢原子。

请推测反氢原子的结构是()
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个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成
8．20世纪30年代以来,人们在对宇宙射线的研究中,陆续发现了一些新的粒子,K介子和π介子就是科学家在1947年发现的．K－介子的衰变方程为K－→π0＋π－,其中K －介子和π－介子带负电,电荷量等于元电荷的电荷量,π0介子不带电．如图所示,一个K －介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中,其轨迹为图中的圆弧虚线,K－介子衰变后,π0介子和π－介子的轨迹可能是()
第Ⅱ部分非选择题
二、非选择题：本题4个小题。

将符合题意的内容填写在题目中的横线上,或按题目要求作答。

解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤,只写出最后答案的不能得分；有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位。

9.什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子吗？
10.恒星是如何形成的？它在哪个阶段停留的时间最长？
11.在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别,因此在实验中很难探测.1953年,莱尼斯和柯文建了一个由大水槽和探测器组成的实验系统,利用中微子与水中1
1
H的核反应,间接地证实了中微子的存在．
(1)中微子与水中的1
1H发生核反应,产生中子(1
n)和正电子(0
1
e
+
),即中微子＋1
1
H→1
n
＋0
1e
+
可以判定,中微子的质量数和电荷数分别是________．
A．0和0 B．0和1
C．1和0 D．1和1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇,与电子形成几乎静止的整体后,可以转变为两个光子(γ),即
0 1e
+＋0
1
e
+
→2γ
已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31kg,反应中产生的每个光子的能量约为________J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子,原因是________．
(3)试通过分析比较,具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小．
12．天文学家测得银河系中氦的含量约为25%.有关研究表明,宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙诞生后2分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后,由恒星内部的氢核聚变反应生成的．
(1)把氢核聚变反应简化为4个氢核(1
1H)聚变成氦核(4
2
He),同时放出2个正电子(0
1
e)
和2个中微子(νe),请写出该氢核聚变反应的方程,并计算一次反应释放的能量．(2)研究表明,银河系的年龄约为t＝3.8×1017s,每秒钟银河系产生的能量约为1×1037J(即P＝1×1017J/s)．现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应,试估算银河系中氦的含量(最后结果保留一位有效数字)．
(3)根据你的估算结果,对银河系中氦的主要生成途径作出判断．
(可能用到的数据：银河系质量约为M＝3×1041 kg,原子质量单位1 u＝1.66×10－27 kg,1 MeV相当于1.6×10－13J的能量,电子质量m＝0.0005 u,氦核质量mα＝4.0026 u,氢核质量m P＝1.0078 u,中微子νe的质量为零)
参考答案与解析
第Ⅰ部分选择题
一、选择题：本题共8小题。

将正确答案填写在题干后面的括号里。

1．
【答案】C
【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。

2．
【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,D不正确．
3．
【答案】D
【解析】由于质子、中子是由不同夸克组成的,它们不是最基本的粒子,不同夸克构成不同的强子,有的强子带电,有的强子不带电,故A、B选项错误；夸克模型是研究
强子结构的理论,不同夸克带电不同,分别为±2
3
e和±
3
e
,说明电子电荷不再是电荷的
最小单位,故C错误,D正确．
4.
【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。

5．
【答案】AD
【解析】根据题目所给图表可以知道各种粒子的带电量,由电荷守恒定律可得A、D 正确,B、C错误。

6．
【答案】ABD
【解析】在衰变中动量守恒,发现μ子速度方向与中微子原来的方向一致,则τ子的运动方向一定与μ子在同一条直线上,可能与μ子同方向也可能与μ子反方向．7．
【答案】B
【解析】根据反粒子定义,“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量,但带有等量的异性电荷。

因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量,相反的电荷符号且等量的电荷
量。

所以反氢原子是由11H 核和01e 构成的。

8．
【答案】A
【解析】π0介子不带电,在磁场中不偏转,π－介子带负电,在磁场中洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,再根据动量守恒判定知A 正确．
第Ⅱ部分 非选择题
二、非选择题：本题4个小题。

将符合题意的内容填写在题目中的横线上,或按题目要求作答。

解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤,只写出最后答案的不能得分；有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位。

9.
【解答】实验发现,许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子,叫反粒子。

按照粒子的对称性,有一个粒子,就应该有一个反粒子。

10.
【解答】宇宙尘埃在外界影响下聚集,某些区域在万有引力作用下开始向内收缩,密度不断增加,形成星云团,星云团进一步凝聚使得引力势能转化为内能,温度升高．当温度上升到一定程度时就开始发光,形成恒星．恒星在辐射产生向外的压力和引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长．
11.
【答案】(1)A (2)8.2×10－14 动量守恒 (3)λn <λe
【解析】(1)发生核反应前后,粒子的质量数和电荷数均不变,据此可知中微子的质量数和电荷数都是0,A 项正确．
(2)产生的能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后,质量变为零,由E ＝Δmc 2,故一个光子的能量为2E ,带入数据得2
E ＝8.2×10－14J. 正电子与水中的电子相遇,与电子形成几乎静止的整体,故系统总动量为零,故如果只产生一个光子是不可能的,因为此过程遵循动量守恒定律．
(3)物质波的波长为λ＝h p
,要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即p
,因为m n >m e ,所以p n >p e ,故λn <λe .
12．
【答案】(1)4.11×10－12 J(2)2%(3)见解析
【解析】(1)41
1H→4
2
He＋20
1
e＋2νe,
Δm＝4m p－mα－2m e,ΔE＝Δmc2＝4.11×10－12 J
(2)m＝Pt
E
∆
mα＝6.1×1039 kg
氦的含量k＝m
M
＝
39
41
6.110
310
⨯
⨯
≈2%
(3)由估算结果可知,k≈2%远小于25%的实际值,所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的．。