5.5 “基本”粒子 学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理导学案聚焦“基本”粒子主题，引导学生了解人类对物质结构的探索历程及粒子分类。通过阅读教材梳理正电子、K介子等发现史实，结合粒子加速器作用，搭建从光子等“基本”粒子到夸克模型的知识支架，衔接前后微观结构认知。 以问题链驱动探究，如K介子衰变轨迹分析、反氢原子结构推测等，培养科学思维中的模型建构与科学推理能力。融入“悟空”卫星探测等科技前沿案例，检测反馈题分层设计，助力学生提升科学探究能力，树立科学本质观与社会责任意识。

5.5“基本”粒子 学案 2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册 学号： 班级： 姓名： 【学习目标】 1. 了解人类对物质结构的探索历程． 2. 了解粒子的分类． 【活动方案】 阅读教材，了解人类对物质结构的探索历程，知道探索历程中的重要史实和发现，了解粒子加速器、大型强子对撞机在粒子物理研究中的作用，回答下列问题： 1. 随着科学技术的发展，光子、电子、质子、中子还是不是真正意义上的“基本”粒子呢？ 2. 20世纪30年代以来，人们发现了大约有400多种新的粒子，请列举几个． 3. 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介子都是科学家在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(　　) A B C D 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年初和年底，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. 由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成 B. 由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成 C. 由一个不带电的中子与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负电荷的电子构成 1. 科学家把发现的已知粒子分为　　　　、　　　　、　　　　　　和 　　　　　　几种类别． 2. 夸克模型 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．夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷．而另一方面也说明科学正由于一个一个的突破才使得科学得到进一步的发展． (1)下列微观粒子的尺度．按从小到大顺序排列的是(　　) A. 夸克、质子、原子核、原子 B. 原子、原子核、质子、夸克 C. 夸克、原子核、质子、原子 D. 原子、原子核、夸克、质子 (2)目前普遍认为，质子和中子都由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成，u夸克带电荷量为 ，d夸克带电荷量为 ，e为元电荷，则下列论断可能成立的是(　　) 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u夸克和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 3. 国际权威学术期刊《自然》于2017年11月30日在线发布，中国暗物质粒子探测卫星“悟空”在太空中测到电子宇宙射线的一处异常波动，这意味着中国科学家取得了一项开创性的发现．有理论预言，当两个暗物质粒子相遇时，由于互为反物质，它们便会湮灭，从而产生出高能的γ射线．假设有一个α粒子（He）和一个反α粒子（He），它们的质量均为m，以相同的动能Ek进行对心碰撞而发生湮灭．已知普朗克常量为h.试回答下列问题： (1)该反应过程中(　　) A. 可能只放出一束光子　　　　　　B. 可能放出两个频率不同的光子 C. 可能放出三个频率相同的光子　　D. 只能放出两个频率相同的光子 (2)试计算该α粒子的动量和其德布罗意波的波长； (3)试计算反应过程中放出的所有光子的总能量E.（已知真空中光速为c） 【检测反馈】 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 2. 已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克（u夸克或d夸克）和一个反夸克（夸克或 夸克）组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷，则下列说法中正确的是(　　) 粒子 π＋ π－ u d 带电荷量 ＋e －e ＋e －e －e ＋e A. π＋由u和d组成　　　 B. π＋由d和 　组成 C. π－由u和 　组成　 D. π－由d和 　组成 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、氢核等轻核 4. 下列说法中错误的是(　　) A. 目前还未发现媒介子、轻子和夸克三类粒子的内部结构 B. 自然界存在的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对基本粒子不适用 C. 反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象 D. 强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子 5. 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．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，则速度越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米/（秒·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？ 【参考答案】 【活动方案】 活动一： 1. 随着科学技术的发展，被发现的粒子越来越多，累计已超过几百种，且还有不断增多的趋势；此外这些粒子中有些粒子迄今的实验尚未发现其有内部结构，有些粒子实验显示具有明显的内部结构．因此基本粒子一词已成为历史，如今统称为粒子． 2. 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介子及以后的超子等． 3. A　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． 4. B　反氢原子的结构应该是反质子与反电子组成，即一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成．故B正确． 活动二： 1. 强子　轻子　规范玻色子　希格斯玻色子 2. (1)A (2)B　根据质子带一个单位正电荷，即2个 u夸克和1个d夸克组成；中子不带电，即1个u夸克和2个d夸克组成，带电荷量为0.故B正确． 3. (1)C　根据动量守恒定律可知，α粒子(He)和反α粒子(He)碰撞后的总动量是0，若只有一个光子，光子具有动量，则碰撞后的总动量不等于0，故A错误；若产生两个频率相等的光子，当两个光子的速度方向相反时，总动量是0，是可能的；若产生三个频率相等的光子，当三个光子的速度方向在同一个平面内且方向之间的夹角互为120°时，总动量为0，是可能的，C正确，B、D错误． (2)根据动量与动能之间的关系 p2＝2m·Ek， 可得p＝； 光子的波长λ＝＝. (3)α粒子与反α粒子碰撞发生湮灭的过程中损失的总质量为2m，所释放的核能为E1＝2mc2，另外，两个粒子的动能也转化为光子的能量，所以系统总共的能量为E＝2Ek＋2mc2. 【检测反馈】 1. D　质子、中子本身有复杂的结构，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；许多粒子都存在反粒子，D正确． 2. D　根据电荷量关系可知，由于π＋介子带有＋e的电荷量，又由于π＋介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知π＋介子(＋e)应由一个u夸克和 夸克组成，同理π－介子由d夸克和夸克构成．故D正确． 3. A 4. B　媒介子、轻子和夸克在现代实验中还没有发现其内部结构，故A正确；反粒子带等量异种电荷，反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象，故C正确；质子是最早发现的强子，故D正确；只有B错误．故选B. 5. (1) r＝，若r为以我们为中心的宇宙的半径，那么v就是宇宙边界的膨胀速度，如果速度超过光速，那么光将无法传播到我们这里，所以半径超过r的宇宙不属于我们的讨论范围，也无法测量，我们要求的宇宙年龄是我们能够观测的宇宙年龄，由此可得v＝c.假设光速为c，那么光将需要 ＝T的时间来走到我们这里，T也是我们要求的宇宙年龄．那么r＝cT＝，而v＝c，所以T＝. (2)代入数据解得T＝1×1010年． 学科网（北京）股份有限公司 $