5. “基本”粒子（导学案）物理人教版选择性必修第三册

该高中物理导学案围绕“基本”粒子展开，核心知识点包括基本粒子的概念、分类、夸克模型及粒子间相互作用规律。通过知识回顾第4节核裂变与核聚变衔接旧知，自主预习引导学生从“基本粒子不基本”切入，构建微观物质结构的层级观念，形成学习支架。 资料特色在于结合思考讨论与例题分析，突出科学思维中的模型建构和科学探究中的证据论证，帮助学生理解粒子分类与相互作用的内在逻辑，提升系统思维能力，习题设计兼顾重点难点，助力学生深化对夸克模型等核心内容的理解。

第5节 “基本”粒子 物理观念：了解基本粒子的概念、分类及夸克模型，建立微观物质结构的层级观念，理解粒子与相互作用的关联。 科学思维：通过分析粒子反应与模型建构，体会从现象到本质的推理逻辑，形成粒子物理的系统思维。 科学探究：了解粒子探测的实验研究方法，体会理论与实验结合的研究思路，提升基于证据论证的能力。 科学态度与责任：感受人类探索微观世界的历程，体会科学家严谨求实的精神，认识粒子物理对科技与社会发展的意义。 1.基本粒子的概念、分类体系及夸克模型的核心内容(重点)。 2.四种基本相互作用与对应传递粒子的理解，粒子间相互作用的规律(重点)。 3.夸克模型中夸克的电荷分数、夸克禁闭等概念的理解；粒子分类与相互作用间的内在逻辑联系(难点)。 【知识回顾】 第4节 核裂变与核聚变 一、核裂变的发现 1.核裂变：铀核在被 轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。 2.铀核裂变 用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是nKr+。 3.链式反应 中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的 反应。 4.临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生 反应的 体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 5.核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以 能量。 二、反应堆与核电站 1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是 。 2.工作原理 (1)核燃料发生 释放能量，使反应区温度升高。 (2)能量输出：水或液态的金属钠等流体在反应堆内外 ，把反应堆内的 传输出去，用于 ，同时也使反应堆冷却。 3.核污染的处理 在反应堆的外面需要修建很厚的 ，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的 ，需要装入特制的容器， 。 三、核聚变 1.定义：两个 结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 2.核反应方程(举例)：HHe+17.6 MeV。 3.条件：使轻核的距离达到 m以内。 方法：需要加热到很高的 ，因此核聚变又叫热核反应。 4.宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核 成氦核释放的核能。 5.人工热核反应的应用——氢弹 原理：首先由化学炸药引爆 ，再由 爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 6.核聚变与核裂变的比较 (1)优点：①轻核聚变产能 ；②地球上核聚变燃料氘储量 ，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。 (2)缺点：核聚变需要的温度太 ，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 7.受控核反应 现阶段有两种控制方法 和 。 【自主预习】 第5节 “基本”粒子 1.“基本粒子”不基本 在19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，随着科学的进一步发展，科学家发现质子、中子也有着自己的复杂结构，于是“基本粒子”不再“基本”。 2.发现新粒子 (1)1932年发现正电子，1937年发现μ子，1947年发现K介子和π介子。之后又发现了质量比质子大很多的粒子，叫作超子。 (2)实验中发现，存在着这样一类粒子，它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这些粒子叫作 。 3.粒子分类 按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子。 4.夸克、夸克模型 (1)1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作 。 (2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。 (3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。 (4)粒子物理标准模型是一整套关于 的理论。其中， 、 、 和 是组成物质的几类最基本的粒子。 思考与讨论1 一、发现新粒子 现在我们认为原子是什么结构模型，是由什么组成的呢？ 【例1】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个带负电的电子构成 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 【例2】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 思考与讨论2 二、粒子的分类 现在已经发现的粒子达400多种。它们大体可被分为几种类别。 【例3】(多选)关于粒子，下列说法正确的是 A.质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子 B.质子、中子本身也是复合粒子，它们具有复杂的结构 C.质子是带电的强子 D.光子是希格斯玻色子 思考与讨论3 三、夸克与粒子物理标准模型 标准粒子模型中的粒子类型有哪些？ 【例4】(多选)(2023·武威市高二月考)质子和中子属于强子，强子是由更基本的粒子——夸克组成。根据夸克模型，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。它们的带电荷量分别为-e/3或+2/3e，电荷量e为元电荷。已知一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。则下列说法正确的是 A.上夸克的电荷量为+2e/3 B.下夸克的电荷量为-e/3 C.上夸克的电荷量为-e/3 D.下夸克的电荷量为+2e/3 1.下列所述不正确的是(　　) 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8种 D.夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的＋或－ 2.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的．u夸克带电荷量为e，d夸克带电荷量为－e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是(　　) A.质子由1个u夸克和2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2个u夸克和1个d夸克组成 3.“轨道电子俘获”是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核(称为母核)俘获一个核外电子，使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核(称为子核)的过程．中微子的质量远小于质子的质量，且不带电，很难被探测到，人们最早就是通过核的反冲而间接证明中微子的存在的．一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子．下列说法正确的是(　　) A.母核的质量数小于子核的质量数 B.母核的电荷数大于子核的电荷数 C.子核的动量与中微子的动量相同 D.子核的动能大于中微子的动能 4.某核反应方程为H＋H―→He＋n＋17.6 MeV，现真空中有两个动量大小相等，方向相反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量(远大于碰前氘核和氚核的动能)全部转化为He与n的动能，则(　　) A.该反应有质量亏损 B.该反应为核裂变 C.n获得的动能约为14 MeV D.He获得的动能约为14 MeV 5.现在的核电站广泛采用的核反应方程之一是：U＋n→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ (1)核反应方程中的是反中微子，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(235U)核的质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，钕(143Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u；又知1 u＝1.660 6×10－27 kg.试计算1 kg铀235大约能产生的能量是多少？ 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 第5节 “基本”粒子 物理观念：了解基本粒子的概念、分类及夸克模型，建立微观物质结构的层级观念，理解粒子与相互作用的关联。 科学思维：通过分析粒子反应与模型建构，体会从现象到本质的推理逻辑，形成粒子物理的系统思维。 科学探究：了解粒子探测的实验研究方法，体会理论与实验结合的研究思路，提升基于证据论证的能力。 科学态度与责任：感受人类探索微观世界的历程，体会科学家严谨求实的精神，认识粒子物理对科技与社会发展的意义。 1.基本粒子的概念、分类体系及夸克模型的核心内容(重点)。 2.四种基本相互作用与对应传递粒子的理解，粒子间相互作用的规律(重点)。 3.夸克模型中夸克的电荷分数、夸克禁闭等概念的理解；粒子分类与相互作用间的内在逻辑联系(难点)。 【知识回顾】 第4节 核裂变与核聚变 一、核裂变的发现 1.核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。 2.铀核裂变 用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是nKr+。 3.链式反应 中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应。 4.临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 5.核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量。 二、反应堆与核电站 1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆。 2.工作原理 (1)核燃料发生核裂变释放能量，使反应区温度升高。 (2)能量输出：水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。 3.核污染的处理 在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。 三、核聚变 1.定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。 2.核反应方程(举例)：HHe+17.6 MeV。 3.条件：使轻核的距离达到10-15 m以内。 方法：需要加热到很高的温度，因此核聚变又叫热核反应。 4.宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。 5.人工热核反应的应用——氢弹 原理：首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 6.核聚变与核裂变的比较 (1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘储量丰富，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。 (2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 7.受控核反应 现阶段有两种控制方法磁约束和惯性约束。 【自主预习】 第5节 “基本”粒子 1.“基本粒子”不基本 在19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，随着科学的进一步发展，科学家发现质子、中子也有着自己的复杂结构，于是“基本粒子”不再“基本”。 2.发现新粒子 (1)1932年发现正电子，1937年发现μ子，1947年发现K介子和π介子。之后又发现了质量比质子大很多的粒子，叫作超子。 (2)实验中发现，存在着这样一类粒子，它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这些粒子叫作反粒子。 3.粒子分类 按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子。 4.夸克、夸克模型 (1)1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克。 (2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。 (3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。 (4)粒子物理标准模型是一整套关于粒子的理论。其中，夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子。 思考与讨论1 一、发现新粒子 现在我们认为原子是什么结构模型，是由什么组成的呢？ 答案 现在我们认为原子是核式结构，说明原子可再分，原子核是由质子与中子构成的。 【例1】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个带负电的电子构成 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 【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。 【例2】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 【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，再根据动量守恒定律判定知A正确。 思考与讨论2 二、粒子的分类 按照相互作用的关系划分可分为什么？ 答案 粒子分为：强子、轻子、媒介子。 【例3】(多选)关于粒子，下列说法正确的是 A.质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子 B.质子、中子本身也是复合粒子，它们具有复杂的结构 C.质子是带电的强子 D.光子是希格斯玻色子 【解析】质子和中子是由不同的夸克组成的，它们不是最基本的粒子，故A错误，B正确；不同的夸克组成的强子，有的带电，有的不带电，质子是带正电的强子，故C正确；光子是规范玻色子，故D错误。 思考与讨论3 三、夸克与粒子物理标准模型 标准粒子模型中的粒子类型有哪些？ 答案 标准模型如下： 【例4】(多选)(2023·武威市高二月考)质子和中子属于强子，强子是由更基本的粒子——夸克组成。根据夸克模型，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。它们的带电荷量分别为-e/3或+2/3e，电荷量e为元电荷。已知一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。则下列说法正确的是 A.上夸克的电荷量为+2e/3 B.下夸克的电荷量为-e/3 C.上夸克的电荷量为-e/3 D.下夸克的电荷量为+2e/3 【解析】根据质子带电荷量为+e和中子不带电，设上、下夸克的电荷量分别为q1、q2，则有2q1+q2=+e，q1+2q2=0，解得q1=+2/3e，q2=-e/3，故选A、B。 1.下列所述不正确的是(　　) 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8种 D.夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的＋或－ 【解析】由三类粒子的特性可知A、B正确；而目前发现的轻子只有6种，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－，D正确． 2.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的．u夸克带电荷量为e，d夸克带电荷量为－e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是(　　) A.质子由1个u夸克和2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2个u夸克和1个d夸克组成 【解析】质子H带电荷量为2×e＋＝e，中子n带电荷量为e＋2×＝0.故B正确． 3.“轨道电子俘获”是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核(称为母核)俘获一个核外电子，使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核(称为子核)的过程．中微子的质量远小于质子的质量，且不带电，很难被探测到，人们最早就是通过核的反冲而间接证明中微子的存在的．一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子．下列说法正确的是(　　) A.母核的质量数小于子核的质量数 B.母核的电荷数大于子核的电荷数 C.子核的动量与中微子的动量相同 D.子核的动能大于中微子的动能 【解析】原子核(称为母核)俘获一个核外电子，使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核(称为子核)的过程，电荷数少1，质量数不变，故A错误，B正确；原子核(称为母核)俘获电子的过程中动量守恒，初状态系统的总动量为0，则子核的动量和中微子的动量大小相等，方向相反，故C错误；子核的动量大小和中微子的动量大小相等，由于中微子的质量很小，由Ek＝知，中微子的动能大于子核的动能，故D错误． 4.某核反应方程为H＋H―→He＋n＋17.6 MeV，现真空中有两个动量大小相等，方向相反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量(远大于碰前氘核和氚核的动能)全部转化为He与n的动能，则(　　) A.该反应有质量亏损 B.该反应为核裂变 C.n获得的动能约为14 MeV D.He获得的动能约为14 MeV 【解析】核反应过程中质量数守恒，有质量亏损，A正确；该反应是核聚变反应，B错误；在真空中，该反应动量守恒，由于相撞前氘核与氚核动量大小相等，方向相反，系统总动量为0，故反应后氦核与中子的动量也大小相等，方向相反，由Ek＝，得反应后粒子获得的动能之比为EkHe∶Ekn＝mn∶mHe＝1∶4，而两个粒子获得的总动能为17.6 MeV，故n获得的动能Ekn＝×17.6 MeV＝14.08 MeV，He获得的动能EkHe＝×17.6 MeV＝3.52 MeV，C正确，D错误。 5.现在的核电站广泛采用的核反应方程之一是：U＋n→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ (1)核反应方程中的是反中微子，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(235U)核的质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，钕(143Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u；又知1 u＝1.660 6×10－27 kg.试计算1 kg铀235大约能产生的能量是多少？ 【解析】(1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90，核反应方程中应用符号Zr表示． (2)1 kg铀235的原子核数为n＝×6.02×1023(个)，不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为Δm＝0.212 u 1 kg铀235完全裂变放出的能量约为E＝nΔmc2≈8.12×1013 J. 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $