人教版 (2019)选择性必修 第三册5 “基本”粒子同步达标检测题

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TOC \ "1-3" \t "正文,1" \h
\l "_Tc1161" 【题型1 粒子的形成】
\l "_Tc25206" 【题型2 粒子的分类】
\l "_Tc9103" 【题型3 夸克】
\l "_Tc6522" 【题型4 联系实际】
\l "_Tc10925" 【题型5 反物质】
\l "_Tc2094" 【题型6 综合问题】
【题型1 粒子的形成】
【例1】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．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．
【变式1-1】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．①②③④⑤⑥ B．③①④②⑤⑥
C．③④①②⑤⑥ D．①③④②⑥⑤
【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项正确。故选：C。
【变式1-2】现有的核电站常用的核反应之一是：
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→143 60Nd＋Zr＋3eq \\al(1,0)n＋8 0－1e＋eq \x\t(ν)
(1)核反应方程中的eq \x\t(ν)是反中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数．
(2)已知铀核的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，钕(Nd)核的质量为142.909 8 u，锆核的质量为89.904 7 u，试计算1 kg铀235裂变释放的能量为多少焦耳？(已知1 u质量相当于931.5 MeV的能量，且1 u＝1.660 6×10－27 kg)
【解析】 (1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90.
(2)1 kg铀235中铀核的个数为
n＝eq \f(1,235.043 9×1.660 6×10－27)≈2.56×1024(个)
不考虑核反应中生成的电子质量，1个铀235核裂变产生的质量亏损为Δm＝0.212 u，释放的能量为
ΔE＝0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV
则1 kg铀235完全裂变释放的能量为
E＝nΔE＝2.56×1024×197.5 MeV＝5.056×1026 MeV≈8.1×1013 J.
【答案】 (1)40 90 (2)8.1×1013 J
【变式1-3】太阳内部的核聚变反应可以释放出大量的能量，这些能量以电磁波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)估算太阳每秒钟的质量亏损．
(2)设太阳上的核反应都是4eq \\al(1,1)H→eq \\al(4,2)He＋2eq \\al(0,1)e＋2ν＋28 MeV这种形式的反应(ν是中微子，其质量远小于电子质量，是穿透力极强的中性粒子)，地日距离L＝1.5×1011 m，试估算每秒钟太阳垂直照射地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(太阳的质量为2.0×1030 kg，质子的质量为1.67×10－27 kg)．
【解析】 (1)太阳每秒钟释放的能量为ΔE＝Pt＝3.8×1026 J，由质能方程ΔE＝Δmc2可得Δm＝eq \f(ΔE,c2)＝eq \f(3.8×1026,3×1082) kg＝4.2×109 kg.
(2)设E0＝28 MeV，每秒钟的核反应的次数为：
n＝eq \f(ΔE,E0)＝eq \f(3.8×1026,28×106×1.6×10－19)＝8.48×1037次
每秒钟产生的中微子为n1＝2n＝1.696×1038个
建一个以L为半径的球模型，球的表面积为
S＝4πL2＝2.826×1023 m2
则每平方米上有中微子的个数为：
n2＝eq \f(n1,S)＝eq \f(1.696×1038,2.826×1023)＝6×1014个．
(3)能发生反应的总质量为m1＝M×10%＝2.0×1030×10% kg＝2.0×1029 kg，每次聚变用四个质子，每秒钟用的质子数为n3＝4n＝4×8.48×1037个，质子的质量mp＝1.67×10－27 kg，
太阳的寿命为：t＝eq \f(m1,n3mp)＝eq \f(2.0×1029,4×8.48×1037×1.67×10－27) s＝3.53×1017 s≈112亿年．
答案 (1)4.2×109 kg (2)6×1014个 (3)112亿年
【题型2 粒子的分类】
【例2】（多选）关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是（ ）
A．许多粒子都有自己的反粒子
B．把粒子分为强子、轻子、媒介子，根据是粒子与各种相互作用的关系
C．质子属于强子
D．光子属于轻子
【答案】ABC
【解析】许多粒子都有自己的反粒子，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电量，但电荷的符号相反，故A正确；粒子分为三大类：媒介子、轻子和强子，依据其相互作用的关系，质子和中子属于强子，光子属于媒介子，τ子属于轻子，故BC正确，D错误；故选ABC。
【变式2-1】现已发现的粒子达400多种。它们大体可被分为哪几种类别（ ）
A．光子、夸克、强子、质子B．夸克、轻子、强子、电子
C．规范玻色子、希格斯玻色子、轻子、强子D．质子、中子、电子、光子
【答案】C
【解析】按照粒子与各种相互作用的关系，大体可以把粒子分为四大类，即强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子，所以选项C正确，ABD错误。故选C。
【变式2-2】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．现代实验发现强子、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，A错误；强子有内部结构，由夸克组成，现代实验还没有发现轻子的内部结构，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错误，B正确。故选B。
【变式2-3】（多选）下列所述正确的是（ ）
A．强子是参与强相互作用的粒子
B．轻子是不参与强相互作用的粒子
C．目前发现的轻子只有4种
D．夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的+或-
【答案】ABD
【解析】由粒子的特性可知，强子是参与强相互作用的粒子；轻子是不参与强相互作用的粒子。故AB正确；目前发现的轻子有6种，故C错误；夸克模型经过几十年的发展，已知夸克有6种，它们带的电荷分别为元电荷的+或-，故D正确。故选ABD。
【题型3 夸克】
【例3】中子内有一个电荷量为的上夸克和两个电荷量为的下夸克，假设三个夸克都在半径为的同一圆周上，如图所示，则下列四幅图中能正确表示出各夸克所受静电作用力的是（ ）
A．B．C．D．
【答案】B
【解析】对电荷量为的上夸克，它受到电荷量为的两个下夸克等大的静电力作用，由对称性得，上夸克所受静电力竖直向下，对电荷量为的下夸克，另一个下夸克对它的静电力为
上夸克对它的静电力
方向沿着连线方向，由几何关系可知
因此F与的合力方向竖直向上，且有
如下图所示
同理可知，另一个下夸克所受静电力的合力也竖直向上，综上所述，B正确。
故选B。
【变式3-1】目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成，u夸克带电量为，d夸克带电量为，e为基本电荷，下列论断可能正确的是（ ）
A．质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
B．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
C．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个权u克和1个d夸克组成
D．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成
【答案】B
【解析】由质子带一个单位正电荷，中子不带电，设质子中u夸克、d夸克个数分别是x、y，x、y取正整数，则 解得 x=2、y=1；设中子中u夸克d夸克个数分别是m、n，m、n取正整数。 解得 m=1、n=2 即质子由2个u夸克和1个d夸克组成；中子由1个u夸克和2个d夸克组成。质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成，与结论不相符，选项A错误；质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成，与结论相符，选项B正确；质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个权u克和1个d夸克组成，与结论不相符，选项C错误；质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成，与结论不相符，选项D错误；
故选B。
【变式3-2】已知介子、介子都是由一个夸克（夸克u或夸克d）和一个反夸克（反夸克或反夸克）组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷。
下列说法正确的是（ ）
A．由u和组成B．由和d组成
C．由u和组成D．由和d组成
【答案】D
【解析】根据各种粒子带电情况，的带电荷量为，故由u和组成；的带电荷量为，故由和d组成。故选D。
【变式3-3】（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
B．夸克的电荷量分别为元电荷的＋或－
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
【答案】ABC
【解析】强子是由更基本的夸克组成的。A正确；夸克的电荷量分别为元电荷的＋或－。B正确；每种夸克都有对应的反夸克，C正确；夸克不能以自由的状态单个出现，D错误。故选ABC。
【题型4 联系实际】
【例4】20世纪30年代以来,人们在对宇宙线的研究中,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( )
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。
【变式4-1】太阳放出的大量中微子向地球飞来，但实验测定的数目只有理论的三分之一，后来科学家发现中微子在向地球传播的过程中衰变成一个μ子和一个τ子。若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子的速度方向一致，则τ子的运动方向（ ）
A．一定与μ子的方向相同B．一定与μ子的方向相反
C．一定与μ子在同一直线上D．不一定与μ子在同一直线上
【答案】C
【解析】中微子衰变成μ子和τ子的过程中满足动量守恒定律，μ子的速度方向与中微子的速度方向一致，则τ子的运动方向必定也在这条直线上，由于质量关系不确定，则不能确定其速度方向与μ子的方向相同还是相反。
故选C。
【变式4-2】为了探究宇宙起源，科学家将利用阿尔法磁谱仪（AMS）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，则反氢原子是（ ）
A．由1个带正电荷的质子和1个带负荷的电子构成
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
【答案】B
【解析】反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成。故选B。
【变式4-3】天文学家认为星际介质在某些条件下会形成恒星，然后进入称为主序星的稳定期。太阳目前正处子主序星演化阶段，它主要由正、负电子和质子，氮原子核组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，其反应是四个质子聚变为一个氦原子核和两个正电子并释放出大量的能量，这些释放出的核能最后转化为辐射能，并同时以每秒向外抛出大量物质，最终塌陷为密度很大的白矮星。
(1)地球只接受了太阳辐射能的二十二亿分之一，就使地面温暖，万物生长。地球接受的辐射来自太阳中的核____________反应。
(2)太阳内部进行的核反应是______________，并释放出能量。
(3)请将太阳演化过程中经历的几个阶段补充完整：
星际介质—→____________—→主序星—→红巨星—→____________。
(4)太阳从现在演化到最终，经历的几个阶段相比，其密度的变化情况大致是______________________。
答案： 聚变 恒星 白矮星 先变小后变大
解析：(1)地球接收的辐射主要来自太阳中的核聚变反应。
(2)太阳内部进行的核反应是
即四个质子聚变成一氦原子核和两个正电子，并释放出大量的能量。
(3)根据材料论述可知太阳演化过程中经历的几个阶段是：
星际介质→恒星→主序星→红巨星→白矮星。
(4)太阳从现在演化到最终，经历的几个阶段相比，其密度的变化情况大致是先变小后变大，最后塌陷为密度很大的白矮星。
【题型5 反物质】
【例5】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。
问题探究：
(1)什么是反粒子？
(2)请推测反氢原子的结构？
答案：(1)见解析；(2) 见解析
解析：(1)“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异种电荷；
(2)“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且相等的电荷量，所以反氢原子是核和构成的。
【变式5-1】现在科学家们正在设法探寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反。据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数分别为（ ）
A．-4，-2B．4，-2C．-4，2D．4，2
【答案】B
【解析】因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反。所以，反α粒子质量数为4，电荷数为-2。故选B。
【变式5-2】（多选）关于人们发现的粒子，下列说法正确的是（ ）
A．许多粒子都有自己的反粒子
B．目前还未发现轻子的内部结构
C．质子属于强子
D．光子属于轻子
【答案】ABC
【解析】许多粒子都有自己的反粒子，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，故A正确；目前还没有发现轻子的内部结构，故B正确；质子和中子属于强子，光子属于规范玻色子，故C正确，D错误。故选ABC。
【变式5-3】阿尔法磁谱仪(简称AMS)，是人类送入太空的第一台磁谱仪，其核心部分是中国研制的一台用铷铁硼材料制成的大型永磁体．AMS将在太空中寻找反物质、暗物质等，来回答有关宇宙起源的重要问题．反物质是指由质量相同但电荷符号相反的反电子(即正电子)、反质子和反中子组成的反原子构成的物质．AMS原理是利用这些物质的粒子在磁场中运动时表现出的不同特点来探测的．如图所示，是三种等速粒子在永磁体形成的磁场内的运动轨迹，下面对这三种粒子判断可能正确的是( )
A．a粒子是反质子，b粒子是反电子
B．a粒子是反质子，c粒子是反电子
C．b粒子是反质子，c粒子是反电子
D．c粒子是反质子，b粒子是反电子
【答案】 C
【解析】 首先由左手定则可知 , 向左偏转的粒子带正电 , 向右偏转的粒子带负电 , 根据 R=mv/qB 可知，等速的反质子比反电子的运动半径大；反质子带负电，反电子带正电，由此可得： b 可能为反质子， c 可能为反电子。故 C 正确， ABD 错误。故选C。
【题型6 综合问题】
【例6】（多选）2020年12月4日，新一代“人造太阳”装置一中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成并实现首次放电，HL-2M反应堆的成功对于全世界而言都有重大研究意义，它意味着中国能够掌握利用核聚变技术发电，氘核聚变反应的方程为：，已知氘核的比结合能为E，核反应中释放的核能为△E，核反应中发射一种γ光子，该γ光子照射到逸出功为W0的金属上打出的最大初动能的光电子的速度为v，已知光电子的质量为m，光速为c，普朗克常量为h，下列说法正确的是（ ）
A．裂变反应比聚变反应更难控制B．x的比结合能为
C．光电子的德布罗意波长为D．γ光子的频率为
【答案】BD
【解析】聚变反应比裂变反应更难控制，A错误；根据 可得 B正确；光电子的德布罗意波长为，C错误；根据光电效应方程 可得γ光子的频率为，D正确。故选BD。
【变式6-1】(多选)1961年，理论物理学家提出夸克模型，指出重子是由3个夸克组成的亚原子粒子，现代物理学认为，夸克共分6种3类：上夸克、下夸克；粲夸克、奇异夸克；顶夸克、底夸克(如下表).质子由两个上夸克加一个下夸克组成，则中子的构成是两个下夸克加一个上夸克，因此人类目前所接触的物质都是由第一类夸克组成的.某次对撞实验发现的新型粒子(欧米伽b重子)是由2个奇异夸克和1个底夸克组成的这是物理学界首次发现由后两类夸克混合组成的重子.()
根据以上信息可以判定( )
A．欧米伽b重子带的电荷为
B．欧米伽b重子的质量是质子质量的250倍
C．欧米伽b重子的质量是中子质量的250倍
D．由质能方程得知
【解析】由表中信息可知，欧米伽b重子带的电荷量为，选项A正确；质子质量，故可知选项B错误；欧米伽b重子的质量为，中子的质量为，故可知选项C正确；，选项D正确.故选ACD。
【答案】 ACD
【变式6-2】下列说法正确的是( )
A．人类第一次实现原子核的人工核转变是查德威克用粒子轰击铍原子核，产生了碳原子核和一个中子
B．患癌症的病人可以接受钴60的放射治疗，这是利用了细胞分裂越快的组织对射线的耐受力越强的特点
C．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子
D．比结合能越大的原子核，核子的平均质量也越大
【答案】 C
【解析】 卢瑟福用粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素--氧17和一个质子，这是人类第一次实现的原子核的人工转变，选项A错误；用放射治疗癌症，是利用“细胞分裂越快的组织，对射线的耐受能力就越弱”这一特点，选项B错误；强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子，选项C正确；比结合能越大，原子核越稳定，核子平均质量越小，选项D错误。故选C。
【变式6-3】如下一系列核反应是在恒星内部发生的。
p＋eq \\al(12, 6)C―→eq \\al(13, 7)N eq \\al(13, 7)N―→eq \\al(13, 6)C＋e＋＋ν
p＋eq \\al(13, 6)C―→eq \\al(14, 7)N p＋eq \\al(14, 7)N―→eq \\al(15, 8)O
eq \\al(15, 8)O―→eq \\al(15, 7)N＋e＋＋ν P＋eq \\al(15, 7)N―→eq \\al(12, 6)C＋α
其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，ν为中微子，已知质子的质量为mp＝1.672 648×10－27kg，α粒子的质量为mα＝6.644 929×10－27kg, 正电子的质量为me＝9.11×10－31kg，中微子的质量可忽略不计，真空中的光速c＝3.00×108m/s，试计算该系列核反应完成后释放的能量。
【解析】 为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的诸核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系统反应最终等效为
4p―→α＋2e＋＋2ν
设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得
4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q
代入数值可得
Q＝3.95×10－12J
【答案】 3.95×10－12Ju
d
带电荷量
符号
中文名称
带电荷量()
质量()
u
上夸克
0.004
d
下夸克
0.008
c
粲夸克
1.5
s
奇异夸克
0.15
t
顶夸克
176
b
底夸克
4.7