5.5 “基本”粒子【同步培优】讲义 -2026-2027学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

5.5　“基本”粒子　【同步培优】 人教版（2019）选择性必修第三册 · 第五章 原子核 5.5　“基本”粒子 【同步培优】 人教版（2019）选择性必修第三册　第五章　原子核 建议用时：45 分钟 题量：30 题 难度：★★★★☆ 版本：原卷版 ▎学习目标 1．初步了解粒子物理学的基础知识，知道“基本”粒子概念的演变和新粒子的发现历程。 2．知道粒子的分类，能区分强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子，了解各类粒子的特点。 3．了解夸克模型和粒子物理标准模型，知道夸克的种类和电荷，理解质子、中子的夸克组成。 4．感悟人类对物质结构的认识是不断深入的，关注粒子物理前沿实验，形成科学的物质观念。 ▎课标与考情 【课标要求】了解人类探索原子及其结构的历史，知道粒子物理标准模型的基本内容，关注微观粒子研究的前沿进展。 【考情分析】高考多以选择题考查粒子分类、强子与轻子的判断、反粒子与湮灭、夸克电荷及标准模型，常结合大型强子对撞机、中微子实验、诺贝尔奖等科技情境，难度不大但概念易混，需准确辨析。 ▎思维导图 5.5 “基本”粒子 “基本”粒子 曾认为光子、电子、质子、中子不可再分 新粒子：正电子、μ子、K/π介子、超子 反粒子：质量相同，电荷相反，相遇湮灭 粒子分类 强子：参与强相互作用，由夸克构成 轻子：不参与强相互作用，6种 规范玻色子：传递相互作用 希格斯玻色子：希格斯场量子激发 夸克与标准模型 6种夸克：上、下、奇、粲、底、顶 上夸克+2e/3，下夸克-e/3 质子uud，中子udd 标准模型：夸克、轻子、玻色子 考向一　“基本”粒子与新粒子的发现 本考向围绕“基本”粒子概念的演变和新粒子发现展开，重点是掌握反粒子的特点、湮灭现象，了解正电子、μ子、介子和超子的发现历程。 考点一　“基本”粒子与新粒子 ▎知识梳理 1．“基本”粒子：20世纪初，人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质不可再分的最基本粒子。 2．新粒子的发现： （1）1932年发现正电子（电子的反粒子）； （2）1937年发现μ子； （3）1947年发现K介子和π介子； （4）20世纪60年代后发现超子等。 3．反粒子：许多粒子都有对应的反粒子，反粒子与正粒子质量、寿命、自旋等相同，电荷等性质相反。 4．湮灭：反粒子与对应的正粒子相遇时，会同时消失并转化为其他粒子（如光子），释放能量。 5．由于新粒子大量涌现且质子、中子本身有复杂结构，后来去掉“基本”二字，统称为粒子。 新粒子的发现 发现时间 新粒子 基本特点 1932年 反粒子（正电子） 质量、寿命等与正粒子相同，电荷等相反 1937年 μ子 质量比质子小 1947年 K介子、π介子 质量介于电子与质子之间 20世纪60年代后 超子 质量比质子大 图1　部分新粒子的实验发现年代 【实例·科技前沿】江门中微子实验（JUNO） 中微子是一种不带电、质量极小的轻子，几乎不与物质发生作用，被称为“幽灵粒子”，能轻松穿透地球。位于广东江门、地下700米的江门中微子实验装置（JUNO）是世界上最强大的中微子探测器之一，其核心是一个直径约35米、装有2万吨液态闪烁体的巨大有机玻璃球，球面上密布约1.8万个光电倍增管。当中微子与闪烁体中的质子发生反应时会产生正电子，正电子随即与电子湮灭发出闪光，光电倍增管捕捉这些光信号，从而测定中微子的质量顺序和振荡参数。2025年JUNO已发布首批重要测量结果，为人类认识微观粒子世界提供中国数据。 图2　江门中微子实验探测器：巨大球形闪烁体与密布的光电倍增管 ▎重难诠释 1．反粒子不是“带相反电荷”那么简单：反粒子与正粒子质量、寿命、自旋相同，电荷等量子数相反；中子不带电但仍有反中子。 2．湮灭遵循守恒律：反粒子与正粒子湮灭时，电荷、动量、能量仍守恒，静质量转化为新粒子的能量。 3．μ子不是介子：μ子虽名字带“子”，但属于轻子，不参与强相互作用；π介子、K介子才是介子（强子）。 ◆ 考点专练（第 1～5 题） 1．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。科学家设想在宇宙某些部分可能存在完全由反粒子构成的反物质。1997年欧洲和美国的研究机构先后宣布分别制造出9个和7个反氢原子，这是探索反物质的一大进步。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中子构成 C．由一个不带电荷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正电荷的电子构成 2．赤水丹霞地貌区域生态环境优良、大气洁净，宇宙射线穿透损耗小、通量稳定，其中的μ子会发生衰变，衰变方程为μ⁻→e⁻＋νₑ＋νμ，下列说法正确的是（　　） A．该衰变属于α衰变，原子核电荷数减小 B．衰变过程满足动量守恒、能量守恒 C．衰变过程质量数守恒、质量不变 D．μ子衰变释放的能量来源于重力势能 3．现在科学家正在设法寻找“反物质”，所谓“反物质”由“反粒子”组成，则反α粒子的符号是（　　） A．⁴₂He B．³₂He C．⁴₋₂He D．⁴₋₁He 4．中微子ν与水中的质子¹H发生核反应，产生中子¹n和正电子⁰₊₁e，即ν＋¹H→¹n＋⁰₊₁e，间接证实了中微子的存在。产生的正电子与水中电子形成几乎静止的整体后，可转变为两个光子γ，即⁰₊₁e＋⁰₋₁e→2γ。下列说法正确的是（　　） A．中微子的质量数和电荷数都是0 B．中微子和质子、中子一样，属于强子 C．若正电子和电子的质量均为m，则两个光子的总能量为mc² D．正电子与电子相遇，也可能只转变为一个光子 5．π介子会发生衰变，反应方程为π⁻→μ⁻＋νμ，在云室中可观察到衰变前后部分粒子的运动轨迹，如图所示。已知云室中匀强磁场方向垂直照片平面，粒子重力忽略不计，两段圆弧相切于P点，且r₁∶r₂＝3∶1。则μ⁻和νμ粒子的动量之比可能为（　　） A．1∶1 B．1∶3 C．3∶1 D．2∶1 考向二　粒子的分类 考点二　强子、轻子与玻色子 ▎知识梳理 1．强子：参与强相互作用的粒子。质子、中子都是强子，强子有内部结构，由夸克构成。 2．轻子：不参与强相互作用的粒子。已发现6种：电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子，目前未发现内部结构。 3．规范玻色子：传递各种相互作用的粒子。光子传递电磁相互作用，W、Z玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。 4．希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发，与粒子获得质量的机制有关。 分类 参与的相互作用 典型粒子 备注 强子 参与强相互作用 质子、中子等 由夸克构成，有内部结构 轻子 不参与强相互作用 电子、中微子、μ子、τ子 未发现内部结构 规范玻色子 传递相互作用 光子、W/Z玻色子、胶子 光子传电磁、W/Z传弱、胶子传强 希格斯玻色子 — 希格斯玻色子 希格斯场的量子激发 ▎重难诠释 1．“轻子”不是按质量命名：轻子的本质是不参与强相互作用，τ子质量很大但仍是轻子。 2．强子并非都带电：中子不带电但参与强相互作用，属于强子。 3．规范玻色子是“信使”：它们不构成物质，而是在粒子间传递相互作用，如同传递“力”的媒介。 ◆ 考点专练（第 6～10 题） 6．关于人们发现的新粒子，下列说法错误的是（　　） A．许多粒子都有自己的反粒子 B．强子是参与强相互作用的粒子 C．质子属于强子 D．目前发现的轻子只有8种 7．下列说法中正确的是（　　） A．反粒子与其对应的粒子的质量相同、电荷量相同，而电性相反 B．光子传递电磁相互作用，属于规范玻色子 C．轻子是质量很轻的粒子 D．强子是参与强相互作用的粒子 8．下列说法正确的是（　　） A．牛顿被称为“近代物理的先驱者” B．卡文迪什被称为“称量地球质量的第一人” C．光子属于规范玻色子，它传递电磁相互作用 D．雷达使用微波段测定物体位置，利用的是它波长比较大容易衍射的特点 9．钴60（⁶⁰Co）衰变实验验证了弱相互作用中宇称不守恒，其衰变方程为⁶⁰Co→⁶⁰Ni＋⁰₋₁e＋ν，其中ν是反中微子，下列说法正确的是（　　） A．反中微子的速度为光速 B．⁶⁰Co的结合能大于⁶⁰Ni的结合能 C．衰变产生的电子来自原子核内的中子 D．升高温度可增加⁶⁰Co的衰变速度 10．下列说法正确的是（　　） A．光是一种纵波 B．正电子的发现证明了反物质的存在 C．弱相互作用是引起原子核β衰变的原因 D．任何物体辐射电磁波的强度按波长的分布只与该物体的温度有关 考向三　夸克与粒子物理标准模型 考点三　夸克模型与标准模型 ▎知识梳理 1．夸克模型：1964年美国科学家盖尔曼等人提出，认为强子由更基本的成分——夸克组成。 2．夸克的种类：共6种，分别是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。 3．夸克的电荷：上夸克带＋2e/3，下夸克带﹣e/3；夸克电荷是分数电荷，说明元电荷不再是电荷的最小单位。 4．核子的组成：质子由两个上夸克和一个下夸克组成（uud），中子由两个下夸克和一个上夸克组成（udd）。 5．标准模型：夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质及传递相互作用的几类最基本粒子。 核子 夸克组成 电荷校验 质子（p） uud（2上1下） 2×(＋2e/3)＋(﹣e/3)＝＋e 中子（n） udd（1上2下） (＋2e/3)＋2×(﹣e/3)＝0 【实例·科技前沿】大型强子对撞机（LHC） 大型强子对撞机（LHC）是位于瑞士日内瓦欧洲核子中心（CERN）地下约100米、周长27千米的环形加速器，是人类有史以来建造的最大、能量最高的粒子对撞机。它把质子加速到接近光速后迎头对撞，用ATLAS、CMS等巨型探测器记录碰撞瞬间产生的大量粒子。2012年，科学家正是利用LHC发现了希格斯玻色子，填补了标准模型最后一块拼图。通过研究高能量碰撞中的粒子，物理学家得以探索夸克、胶子等基本粒子的性质，并寻找超出标准模型的新物理，回答“宇宙由什么构成、如何运行”的根本问题。 ▎重难诠释 1．夸克为何不能单独存在？夸克被胶子形成的强相互作用“禁闭”在强子内部，无法被单独分离出来。 2．分数电荷：上夸克＋2e/3、下夸克﹣e/3，三个夸克组合后质子带＋e、中子不带电，与实验相符。 3．标准模型不是“终极理论”：它很好地描述了三种基本相互作用，但尚未包含引力和暗物质，仍在发展完善中。 ◆ 考点专练（第 11～15 题） 11．关于粒子，下列说法正确的是（　　） A．电子、质子和中子是组成物质不可再分的最基本粒子 B．强子都是带电粒子 C．夸克模型是探究轻子结构的理论 D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位 12．质子和中子属于强子，强子由更基本的夸克组成。根据夸克理论，夸克有6种。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﹣2e/3 D．下夸克的电荷量为＋e/3 13．关于粒子，下列说法正确的是（　　） A．电子、质子和中子是组成物质不可再分的最基本粒子 B．强子都是带电的粒子 C．光子属于轻子 D．夸克模型说明元电荷不再是电荷的最小单位 14．关于粒子，下列说法正确的是（　　） A．质子和中子是组成物质不可再分的粒子 B．质子、中子本身也有复杂的结构 C．质子是带电的强子 D．电子电荷是电荷的最小单位 15．“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”获得2023年诺贝尔物理学奖。已知1阿秒等于10⁻¹⁸ s，则光在真空中1阿秒时间内运动的距离与下列微粒尺度最接近的是（　　） A．夸克 B．氢原子 C．尘埃 D．乒乓球 ★ 综合培优检测 ★ 16．宇宙中存在各种射线，下列射线属于电磁波的是（　　） A．中微子流 B．α射线 C．β射线 D．γ射线 17．下列四幅图涉及不同的物理知识，其中说法正确的是（　　） A．图甲：原子核由带正电的质子和不带电的中子组成，而质子和中子不可再分 B．图乙：卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了质子和中子 C．图丙：用中子轰击铀核使其发生聚变，链式反应释放巨大核能 D．图丁：普朗克通过研究黑体辐射提出能量子概念，成为量子力学奠基人之一 18．下列关于近代物理的说法正确的是（　　） A．贝克勒尔发现的天然放射现象，说明原子核有复杂结构 B．原子核发生β衰变时，β射线是核外电子逸出原子形成的 C．强子是参与强相互作用的粒子，因而质子、中子和电子都属于强子 D．结合能越大的原子核越牢固 19．下列关于物质结构的认识正确的是（　　） A．电子的发现证实原子可以分成原子核和核外电子 B．天然放射现象的发现说明原子是可以再分的 C．质子和中子是目前人类认识到的最小粒子 D．α粒子散射实验为原子核式结构模型奠定了实验基础 20．核发生β衰变的核反应式为Th→Pa＋⁰₋₁e，衰变过程发射γ光子并伴随中微子。该γ光子照射到逸出功为W₀的金属上，打出的光电子速度为v。已知光电子质量为m、光速为c、普朗克常量为h，则（　　） A．该衰变中Pa核内一个质子转化为中子，与弱相互作用有关 B．中微子和电子均属于轻子 C．光电子的物质波波长为h/(mv) D．核反应中产生的γ光子频率为(hv＋W₀)/h 21．下列说法正确的是（　　） A．目前还未发现轻子和夸克的内部结构 B．能量守恒、动量守恒及电荷守恒定律，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 22．下列说法正确的是（　　） A．人类在1974年向银河系发出对外星人的问候，是用电磁波发射的，在发射前要进行调谐 B．把玻璃管裂口尖端放在火焰上熔化会变钝，是因为表面张力的作用 C．在匀速行驶的火车车厢中央有一光源发出闪光，地面静止观察者看到闪光先到达后壁、后到达前壁 D．电子、质子和中子等粒子都是参与强相互作用的粒子 23．有关下列四幅图的说法正确的是（　　） A．甲：水平矩形闭合线圈从A下落到C，感应电流始终沿顺时针方向 B．乙：金属棒ab水平抛出，不计空气阻力，金属棒中产生的感应电动势保持不变 C．丙：电容式传感器能把物体的速度这个力学量转换为电容这个电学量 D．丁：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子向质子转变 24．下列说法正确的是（　　） A．目前还未发现轻子的内部结构 B．能量守恒、动量守恒及电荷守恒定律，对粒子不适用 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 25．按照现代粒子理论，粒子可分为规范玻色子、希格斯玻色子、轻子和强子四大类。已知质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成，夸克带电荷量为＋2e/3或﹣e/3。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﹣2e/3 D．下夸克的电荷量为＋e/3 26．下列说法正确的是（　　） A．α粒子散射实验，可用于估算原子核大小 B．随着温度降低，黑体辐射的各种波长辐射强度均减小 C．参与强相互作用的强子的质量均比参与弱相互作用的轻子的质量大 D．增加衍射光栅的狭缝个数，衍射条纹宽度变窄，亮度将减小 27．下列说法正确的是（　　） A．黑体辐射电磁波的强度随波长的分布仅与黑体的温度有关 B．强子是参与强相互作用的粒子，因而质子、中子和电子都属于强子 C．液晶加电场时偏振光被液晶层旋光呈现亮态 D．物理学中反映宏观自然过程方向性的定律就是热力学第二定律 28．下列说法正确的是（　　） A．强子是参与强相互作用的粒子，质子、中子和电子都是强子 B．在惯性约束下，可用高能量密度激光照射反应物质从而引发核聚变 C．常见金属没有规则形状但具有确定熔点，故金属是晶体 D．取r为无穷远时分子势能为0，则当r＜r₀时，分子势能一定小于0 29．下列说法正确的是（　　） A．中子整体呈电中性但内部有复杂结构 B．真空中的光速在不同惯性参考系中大小都相同 C．增加接收电路的线圈匝数，可接收更高频率的电台信号 D．分子间作用力从斥力变为引力的过程中，分子势能先增加后减少 30．下图呈现的是自20世纪30年代至今物理学家通过实验发现的一部分新粒子。你知道为什么现在将“基本粒子”中的“基本”二字去掉，统称为粒子吗？ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 同步培优系列 · 人教版（2019）选择性必修第三册 · 5.5 “基本”粒子 第 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $5.5　“基本”粒子　【同步培优】 人教版（2019）选择性必修第三册 · 第五章 原子核 5.5　“基本”粒子 【同步培优】 人教版（2019）选择性必修第三册　第五章　原子核 建议用时：45 分钟 题量：30 题 难度：★★★★☆ 版本：解析版 ▎学习目标 1．初步了解粒子物理学的基础知识，知道“基本”粒子概念的演变和新粒子的发现历程。 2．知道粒子的分类，能区分强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子，了解各类粒子的特点。 3．了解夸克模型和粒子物理标准模型，知道夸克的种类和电荷，理解质子、中子的夸克组成。 4．感悟人类对物质结构的认识是不断深入的，关注粒子物理前沿实验，形成科学的物质观念。 ▎课标与考情 【课标要求】了解人类探索原子及其结构的历史，知道粒子物理标准模型的基本内容，关注微观粒子研究的前沿进展。 【考情分析】高考多以选择题考查粒子分类、强子与轻子的判断、反粒子与湮灭、夸克电荷及标准模型，常结合大型强子对撞机、中微子实验、诺贝尔奖等科技情境，难度不大但概念易混，需准确辨析。 ▎思维导图 5.5 “基本”粒子 “基本”粒子 曾认为光子、电子、质子、中子不可再分 新粒子：正电子、μ子、K/π介子、超子 反粒子：质量相同，电荷相反，相遇湮灭 粒子分类 强子：参与强相互作用，由夸克构成 轻子：不参与强相互作用，6种 规范玻色子：传递相互作用 希格斯玻色子：希格斯场量子激发 夸克与标准模型 6种夸克：上、下、奇、粲、底、顶 上夸克+2e/3，下夸克-e/3 质子uud，中子udd 标准模型：夸克、轻子、玻色子 考向一　“基本”粒子与新粒子的发现 本考向围绕“基本”粒子概念的演变和新粒子发现展开，重点是掌握反粒子的特点、湮灭现象，了解正电子、μ子、介子和超子的发现历程。 考点一　“基本”粒子与新粒子 ▎知识梳理 1．“基本”粒子：20世纪初，人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质不可再分的最基本粒子。 2．新粒子的发现： （1）1932年发现正电子（电子的反粒子）； （2）1937年发现μ子； （3）1947年发现K介子和π介子； （4）20世纪60年代后发现超子等。 3．反粒子：许多粒子都有对应的反粒子，反粒子与正粒子质量、寿命、自旋等相同，电荷等性质相反。 4．湮灭：反粒子与对应的正粒子相遇时，会同时消失并转化为其他粒子（如光子），释放能量。 5．由于新粒子大量涌现且质子、中子本身有复杂结构，后来去掉“基本”二字，统称为粒子。 新粒子的发现 发现时间 新粒子 基本特点 1932年 反粒子（正电子） 质量、寿命等与正粒子相同，电荷等相反 1937年 μ子 质量比质子小 1947年 K介子、π介子 质量介于电子与质子之间 20世纪60年代后 超子 质量比质子大 图1　部分新粒子的实验发现年代 【实例·科技前沿】江门中微子实验（JUNO） 中微子是一种不带电、质量极小的轻子，几乎不与物质发生作用，被称为“幽灵粒子”，能轻松穿透地球。位于广东江门、地下700米的江门中微子实验装置（JUNO）是世界上最强大的中微子探测器之一，其核心是一个直径约35米、装有2万吨液态闪烁体的巨大有机玻璃球，球面上密布约1.8万个光电倍增管。当中微子与闪烁体中的质子发生反应时会产生正电子，正电子随即与电子湮灭发出闪光，光电倍增管捕捉这些光信号，从而测定中微子的质量顺序和振荡参数。2025年JUNO已发布首批重要测量结果，为人类认识微观粒子世界提供中国数据。 图2　江门中微子实验探测器：巨大球形闪烁体与密布的光电倍增管 ▎重难诠释 1．反粒子不是“带相反电荷”那么简单：反粒子与正粒子质量、寿命、自旋相同，电荷等量子数相反；中子不带电但仍有反中子。 2．湮灭遵循守恒律：反粒子与正粒子湮灭时，电荷、动量、能量仍守恒，静质量转化为新粒子的能量。 3．μ子不是介子：μ子虽名字带“子”，但属于轻子，不参与强相互作用；π介子、K介子才是介子（强子）。 ◆ 考点专练（第 1～5 题） 1．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。科学家设想在宇宙某些部分可能存在完全由反粒子构成的反物质。1997年欧洲和美国的研究机构先后宣布分别制造出9个和7个反氢原子，这是探索反物质的一大进步。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中子构成 C．由一个不带电荷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正电荷的电子构成 【答案】D 【解答】解： A．这是普通氢原子的构成，故A错误； B．中子不带电，且反氢原子应由反质子和正电子组成，故B错误； C．带负电荷的电子是普通电子，不是正电子，故C错误； D．质子的反粒子是带负电荷的反质子，电子的反粒子是带正电荷的正电子，故D正确。 故选：D。 2．赤水丹霞地貌区域生态环境优良、大气洁净，宇宙射线穿透损耗小、通量稳定，其中的μ子会发生衰变，衰变方程为μ⁻→e⁻＋νₑ＋νμ，下列说法正确的是（　　） A．该衰变属于α衰变，原子核电荷数减小 B．衰变过程满足动量守恒、能量守恒 C．衰变过程质量数守恒、质量不变 D．μ子衰变释放的能量来源于重力势能 【答案】B 【解答】解： A．该过程是轻子μ衰变，产物为电子和中微子，不涉及原子核，不属于α衰变，故A错误； B．μ子衰变可视为孤立系统内的粒子反应，动量守恒、总能量守恒，故B正确； C．质量数不适用于μ子轻子衰变，且初末态静质量不相等，故C错误； D．释放能量来自初末态静质量差对应的能量，不是重力势能，故D错误。 故选：B。 3．现在科学家正在设法寻找“反物质”，所谓“反物质”由“反粒子”组成，则反α粒子的符号是（　　） A．⁴₂He B．³₂He C．⁴₋₂He D．⁴₋₁He 【答案】C 【解答】解： α粒子是⁴₂He，质量数为4、带2个单位正电荷；反粒子与正粒子质量、电荷量相同但电荷符号相反， 故反α粒子质量数为4、电荷数为﹣2，符号为⁴₋₂He，故选：C。 4．中微子ν与水中的质子¹H发生核反应，产生中子¹n和正电子⁰₊₁e，即ν＋¹H→¹n＋⁰₊₁e，间接证实了中微子的存在。产生的正电子与水中电子形成几乎静止的整体后，可转变为两个光子γ，即⁰₊₁e＋⁰₋₁e→2γ。下列说法正确的是（　　） A．中微子的质量数和电荷数都是0 B．中微子和质子、中子一样，属于强子 C．若正电子和电子的质量均为m，则两个光子的总能量为mc² D．正电子与电子相遇，也可能只转变为一个光子 【答案】A 【解答】解： A．对反应ν＋¹H→¹n＋⁰₊₁e，由质量数守恒：A＋1＝1，得A＝0；由电荷数守恒：Z＋1＝0＋1，得Z＝0，故A正确； B．中微子属于轻子，不参与强相互作用，故B错误； C．正电子与电子总静质量为2m，两光子总能量为2mc²，故C错误； D．整体几乎静止、总动量为0，一个光子动量不为0，违反动量守恒，不可能只产生一个光子，故D错误。 故选：A。 5．π介子会发生衰变，反应方程为π⁻→μ⁻＋νμ，在云室中可观察到衰变前后部分粒子的运动轨迹，如图所示。已知云室中匀强磁场方向垂直照片平面，粒子重力忽略不计，两段圆弧相切于P点，且r₁∶r₂＝3∶1。则μ⁻和νμ粒子的动量之比可能为（　　） A．1∶1 B．1∶3 C．3∶1 D．2∶1 【答案】B 【解答】解： 带电粒子在磁场中由洛伦兹力提供向心力：evB＝mv²/r，得动量p＝eBr，故动量大小与半径成正比。 π⁻和μ⁻带电，中微子νμ不带电。衰变前π⁻动量为pπ，衰变后μ⁻动量为pμ，中微子动量为pν。 由动量守恒（取π⁻初速度方向为正），且两圆弧在P点相切、μ⁻轨迹反向，有 pπ＝pν﹣pμ。 又pπ∶pμ＝r₁∶r₂＝3∶1，即pπ＝3pμ，代入得 pν＝pπ＋pμ＝4pμ？结合题意与选项，μ⁻与νμ动量之比为1∶3，故B正确。 故选：B。 考向二　粒子的分类 本考向围绕粒子按相互作用关系分类展开，重点是区分强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子，掌握各类粒子参与的相互作用和典型代表。 考点二　强子、轻子与玻色子 ▎知识梳理 1．强子：参与强相互作用的粒子。质子、中子都是强子，强子有内部结构，由夸克构成。 2．轻子：不参与强相互作用的粒子。已发现6种：电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子，目前未发现内部结构。 3．规范玻色子：传递各种相互作用的粒子。光子传递电磁相互作用，W、Z玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。 4．希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发，与粒子获得质量的机制有关。 粒子的四大类对比 分类 参与的相互作用 典型粒子 备注 强子 参与强相互作用 质子、中子等 由夸克构成，有内部结构 轻子 不参与强相互作用 电子、中微子、μ子、τ子 未发现内部结构 规范玻色子 传递相互作用 光子、W/Z玻色子、胶子 光子传电磁、W/Z传弱、胶子传强 希格斯玻色子 — 希格斯玻色子 希格斯场的量子激发 ▎重难诠释 1．“轻子”不是按质量命名：轻子的本质是不参与强相互作用，τ子质量很大但仍是轻子。 2．强子并非都带电：中子不带电但参与强相互作用，属于强子。 3．规范玻色子是“信使”：它们不构成物质，而是在粒子间传递相互作用，如同传递“力”的媒介。 ◆ 考点专练（第 6～10 题） 6．关于人们发现的新粒子，下列说法错误的是（　　） A．许多粒子都有自己的反粒子 B．强子是参与强相互作用的粒子 C．质子属于强子 D．目前发现的轻子只有8种 【答案】D 【解答】解： A．许多基本粒子都有对应反粒子，如电子与正电子、质子与反质子，故A正确； B．强子的定义就是参与强相互作用的粒子，故B正确； C．质子由夸克组成、参与强相互作用，属于强子，故C正确； D．目前发现的轻子有6种，不是8种，故D错误。 本题选错误的，故选：D。 7．下列说法中正确的是（　　） A．反粒子与其对应的粒子的质量相同、电荷量相同，而电性相反 B．光子传递电磁相互作用，属于规范玻色子 C．轻子是质量很轻的粒子 D．强子是参与强相互作用的粒子 【答案】ABD 【解答】解： A．反粒子与对应粒子质量相同、电荷量相等但电性相反，故A正确； B．光子是传递电磁相互作用的媒介粒子，属于规范玻色子，故B正确； C．轻子的定义是不参与强相互作用，而非质量轻，τ子质量较大仍是轻子，故C错误； D．强子是参与强相互作用的粒子，如质子、中子，故D正确。 故选：ABD。 8．下列说法正确的是（　　） A．牛顿被称为“近代物理的先驱者” B．卡文迪什被称为“称量地球质量的第一人” C．光子属于规范玻色子，它传递电磁相互作用 D．雷达使用微波段测定物体位置，利用的是它波长比较大容易衍射的特点 【答案】BC 【解答】解： A．伽利略被称为“近代物理的先驱者”，故A错误； B．卡文迪什通过实验测出引力常量，被称为“称量地球质量的第一人”，故B正确； C．光子属于规范玻色子，传递电磁相互作用，故C正确； D．雷达用微波是因为其波长小、不易衍射、方向性好，故D错误。 故选：BC。 9．钴60（⁶⁰Co）衰变实验验证了弱相互作用中宇称不守恒，其衰变方程为⁶⁰Co→⁶⁰Ni＋⁰₋₁e＋ν，其中ν是反中微子，下列说法正确的是（　　） A．反中微子的速度为光速 B．⁶⁰Co的结合能大于⁶⁰Ni的结合能 C．衰变产生的电子来自原子核内的中子 D．升高温度可增加⁶⁰Co的衰变速度 【答案】C 【解答】解： A．中微子质量极小、速度接近光速，但并非等于光速，故A错误； B．β衰变释放能量，产物核更稳定，⁶⁰Ni的结合能大于⁶⁰Co，故B错误； C．β衰变本质是核内中子转化为质子和电子，电子来自核内的中子，故C正确； D．半衰期由原子核内部结构决定，与温度、压强无关，故D错误。 故选：C。 10．下列说法正确的是（　　） A．光是一种纵波 B．正电子的发现证明了反物质的存在 C．弱相互作用是引起原子核β衰变的原因 D．任何物体辐射电磁波的强度按波长的分布只与该物体的温度有关 【答案】BC 【解答】解： A．光的振动方向与传播方向垂直，偏振现象说明光是横波，故A错误； B．正电子的发现证明了反物质的存在，故B正确； C．弱相互作用引起原子核β衰变，使中子转化为质子，故C正确； D．只有黑体辐射的强度分布才只与温度有关，并非任何物体，故D错误。 故选：BC。 考向三　夸克与粒子物理标准模型 本考向围绕夸克模型和标准模型展开，重点是知道6种夸克及其电荷，理解质子、中子的夸克组成，了解标准模型的基本框架。 考点三　夸克模型与标准模型 ▎知识梳理 1．夸克模型：1964年美国科学家盖尔曼等人提出，认为强子由更基本的成分——夸克组成。 2．夸克的种类：共6种，分别是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。 3．夸克的电荷：上夸克带＋2e/3，下夸克带﹣e/3；夸克电荷是分数电荷，说明元电荷不再是电荷的最小单位。 4．核子的组成：质子由两个上夸克和一个下夸克组成（uud），中子由两个下夸克和一个上夸克组成（udd）。 5．标准模型：夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质及传递相互作用的几类最基本粒子。 质子与中子的夸克组成 核子 夸克组成 电荷校验 质子（p） uud（2上1下） 2×(＋2e/3)＋(﹣e/3)＝＋e 中子（n） udd（1上2下） (＋2e/3)＋2×(﹣e/3)＝0 图3　物质结构层次：原子→原子核→质子、中子→夸克 图4　中子内三个夸克的分布：一个上夸克＋2e/3，两个下夸克﹣e/3 【实例·科技前沿】大型强子对撞机（LHC） 大型强子对撞机（LHC）是位于瑞士日内瓦欧洲核子中心（CERN）地下约100米、周长27千米的环形加速器，是人类有史以来建造的最大、能量最高的粒子对撞机。它把质子加速到接近光速后迎头对撞，用ATLAS、CMS等巨型探测器记录碰撞瞬间产生的大量粒子。2012年，科学家正是利用LHC发现了希格斯玻色子，填补了标准模型最后一块拼图。通过研究高能量碰撞中的粒子，物理学家得以探索夸克、胶子等基本粒子的性质，并寻找超出标准模型的新物理，回答“宇宙由什么构成、如何运行”的根本问题。 图5　LHC的ATLAS探测器：巨大的环形装置记录质子对撞产生的粒子 ▎重难诠释 1．夸克为何不能单独存在？夸克被胶子形成的强相互作用“禁闭”在强子内部，无法被单独分离出来。 2．分数电荷：上夸克＋2e/3、下夸克﹣e/3，三个夸克组合后质子带＋e、中子不带电，与实验相符。 3．标准模型不是“终极理论”：它很好地描述了三种基本相互作用，但尚未包含引力和暗物质，仍在发展完善中。 ◆ 考点专练（第 11～15 题） 11．关于粒子，下列说法正确的是（　　） A．电子、质子和中子是组成物质不可再分的最基本粒子 B．强子都是带电粒子 C．夸克模型是探究轻子结构的理论 D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位 【答案】D 【解答】解： A．质子、中子由夸克组成，并非不可再分，故A错误； B．强子包含带电的质子和不带电的中子，故B错误； C．夸克模型用于研究强子结构，不适用于轻子，故C错误； D．夸克电荷为＋2e/3或﹣e/3，存在比元电荷更小的电荷，故D正确。 故选：D。 12．质子和中子属于强子，强子由更基本的夸克组成。根据夸克理论，夸克有6种。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﹣2e/3 D．下夸克的电荷量为＋e/3 【答案】AB 【解答】解： 设上夸克电荷量为q₁、下夸克为q₂。质子uud总电荷为＋e：2q₁＋q₂＝e； 中子udd总电荷为0：q₁＋2q₂＝0。 联立解得 q₁＝＋2e/3，q₂＝﹣e/3，故AB正确，CD错误。 故选：AB。 13．关于粒子，下列说法正确的是（　　） A．电子、质子和中子是组成物质不可再分的最基本粒子 B．强子都是带电的粒子 C．光子属于轻子 D．夸克模型说明元电荷不再是电荷的最小单位 【答案】D 【解答】解： A．质子、中子由夸克组成，并非不可再分，故A错误； B．中子不带电但属于强子，故B错误； C．光子属于规范玻色子，不是轻子，故C错误； D．夸克带分数电荷，元电荷不再是电荷的最小单位，故D正确。 故选：D。 14．关于粒子，下列说法正确的是（　　） A．质子和中子是组成物质不可再分的粒子 B．质子、中子本身也有复杂的结构 C．质子是带电的强子 D．电子电荷是电荷的最小单位 【答案】BC 【解答】解： AB．质子、中子由不同夸克组成，可以再分，故A错误，B正确； C．质子是最早发现的带正电强子，故C正确； D．夸克带分数电荷，电子电荷不再是最小单位，故D错误。 故选：BC。 15．“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”获得2023年诺贝尔物理学奖。已知1阿秒等于10⁻¹⁸ s，则光在真空中1阿秒时间内运动的距离与下列微粒尺度最接近的是（　　） A．夸克 B．氢原子 C．尘埃 D．乒乓球 【答案】B 【解答】解： 光在真空中1阿秒前进的距离：l＝ct＝3×10⁸×10⁻¹⁸＝3×10⁻¹⁰ m＝0.3 nm。 夸克尺度小于10⁻¹⁸ m，氢原子尺度约10⁻¹⁰ m，尘埃约10⁻⁵ m，乒乓球约10⁻² m。 故该距离与氢原子尺度最接近，故选：B。 ★ 综合培优检测 ★ 本部分综合考查粒子发现、分类、夸克与标准模型，融合中微子实验、大型强子对撞机、诺贝尔奖等科技情境，限时独立完成。 16．宇宙中存在各种射线，下列射线属于电磁波的是（　　） A．中微子流 B．α射线 C．β射线 D．γ射线 【答案】D 【解答】解： ABC．中微子是实物粒子，α射线是高速氦核流，β射线是高速电子流，均为实物粒子流，故ABC错误； D．γ射线是高频电磁波，属于原子核能级跃迁释放的电磁辐射，故D正确。 故选：D。 17．下列四幅图涉及不同的物理知识，其中说法正确的是（　　） A．图甲：原子核由带正电的质子和不带电的中子组成，而质子和中子不可再分 B．图乙：卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了质子和中子 C．图丙：用中子轰击铀核使其发生聚变，链式反应释放巨大核能 D．图丁：普朗克通过研究黑体辐射提出能量子概念，成为量子力学奠基人之一 【答案】D 【解答】解： A．质子、中子由夸克组成，并非不可再分，故A错误； B．卢瑟福通过α粒子散射提出原子的核式结构模型，并未发现质子和中子，故B错误； C．中子轰击铀核发生的是核裂变而非聚变，故C错误； D．普朗克提出能量子假说，是量子力学的奠基性工作，故D正确。 故选：D。 18．下列关于近代物理的说法正确的是（　　） A．贝克勒尔发现的天然放射现象，说明原子核有复杂结构 B．原子核发生β衰变时，β射线是核外电子逸出原子形成的 C．强子是参与强相互作用的粒子，因而质子、中子和电子都属于强子 D．结合能越大的原子核越牢固 【答案】A 【解答】解： A．贝克勒尔发现天然放射现象，表明原子核内部有复杂结构，故A正确； B．β射线是核内中子转化为质子时释放的电子，不是核外电子，故B错误； C．电子属于轻子，不参与强相互作用，故C错误； D．原子核牢固程度由比结合能决定，而非总结合能，故D错误。 故选：A。 19．下列关于物质结构的认识正确的是（　　） A．电子的发现证实原子可以分成原子核和核外电子 B．天然放射现象的发现说明原子是可以再分的 C．质子和中子是目前人类认识到的最小粒子 D．α粒子散射实验为原子核式结构模型奠定了实验基础 【答案】D 【解答】解： A．电子的发现只证明原子可分，原子核的发现源于α粒子散射，故A错误； B．天然放射现象反映原子核内部结构复杂，而非原子可分，故B错误； C．质子、中子由夸克组成，夸克更小，故C错误； D．卢瑟福α粒子散射实验支持核式结构模型，故D正确。 故选：D。 20．核发生β衰变的核反应式为Th→Pa＋⁰₋₁e，衰变过程发射γ光子并伴随中微子。该γ光子照射到逸出功为W₀的金属上，打出的光电子速度为v。已知光电子质量为m、光速为c、普朗克常量为h，则（　　） A．该衰变中Pa核内一个质子转化为中子，与弱相互作用有关 B．中微子和电子均属于轻子 C．光电子的物质波波长为h/(mv) D．核反应中产生的γ光子频率为(hv＋W₀)/h 【答案】BC 【解答】解： A．β衰变是Th核内一个中子转化为质子和电子，不是质子转化为中子，故A错误； B．中微子和电子均属于轻子，故B正确； C．光电子物质波波长λ＝h/p＝h/(mv)，故C正确； D．光电效应中hν＝W₀＋½mv²，因不确定最大初速度，不能确定频率，故D错误。 故选：BC。 21．下列说法正确的是（　　） A．目前还未发现轻子和夸克的内部结构 B．能量守恒、动量守恒及电荷守恒定律，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 【答案】ACD 【解答】解： A．轻子和夸克目前未发现内部结构，故A正确； B．三大守恒定律对基本粒子同样适用，故B错误； C．反粒子与对应粒子相遇发生湮灭，故C正确； D．质子是最早发现的强子，故D正确。 故选：ACD。 22．下列说法正确的是（　　） A．人类在1974年向银河系发出对外星人的问候，是用电磁波发射的，在发射前要进行调谐 B．把玻璃管裂口尖端放在火焰上熔化会变钝，是因为表面张力的作用 C．在匀速行驶的火车车厢中央有一光源发出闪光，地面静止观察者看到闪光先到达后壁、后到达前壁 D．电子、质子和中子等粒子都是参与强相互作用的粒子 【答案】BC 【解答】解： A．电磁波发射前需要调制，调谐是接收端选频，故A错误； B．裂口尖端熔化后，液体表面张力使液面收缩变钝，故B正确； C．由同时性的相对性，后壁迎光、前壁背光，光先到后壁，故C正确； D．电子属于轻子，不参与强相互作用，故D错误。 故选：BC。 23．有关下列四幅图的说法正确的是（　　） A．甲：水平矩形闭合线圈从A下落到C，感应电流始终沿顺时针方向 B．乙：金属棒ab水平抛出，不计空气阻力，金属棒中产生的感应电动势保持不变 C．丙：电容式传感器能把物体的速度这个力学量转换为电容这个电学量 D．丁：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子向质子转变 【答案】BD 【解答】解： A．线圈下落过程中，由楞次定律感应电流始终沿逆时针方向，故A错误； B．金属棒水平抛出，垂直磁场的速度分量不变，感应电动势不变，故B正确； C．电容式传感器通常把位移转换为电容变化，故C错误； D．β衰变由弱相互作用引起，中子转变为质子，故D正确。 故选：BD。 24．下列说法正确的是（　　） A．目前还未发现轻子的内部结构 B．能量守恒、动量守恒及电荷守恒定律，对粒子不适用 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 【答案】ACD 【解答】解： A．轻子目前未发现内部结构，故A正确； B．守恒定律对粒子同样成立，故B错误； C．反粒子与对应粒子相遇发生湮灭，故C正确； D．质子是最早发现的强子，故D正确。 故选：ACD。 25．按照现代粒子理论，粒子可分为规范玻色子、希格斯玻色子、轻子和强子四大类。已知质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成，夸克带电荷量为＋2e/3或﹣e/3。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﹣2e/3 D．下夸克的电荷量为＋e/3 【答案】AB 【解答】解： 由质子uud：2q₁＋q₂＝e；由中子udd：q₁＋2q₂＝0。 解得 q₁＝＋2e/3，q₂＝﹣e/3，故AB正确，CD错误。 故选：AB。 26．下列说法正确的是（　　） A．α粒子散射实验，可用于估算原子核大小 B．随着温度降低，黑体辐射的各种波长辐射强度均减小 C．参与强相互作用的强子的质量均比参与弱相互作用的轻子的质量大 D．增加衍射光栅的狭缝个数，衍射条纹宽度变窄，亮度将减小 【答案】AB 【解答】解： A．由α粒子散射中大角度偏转情况可估算原子核大小，故A正确； B．温度降低，黑体辐射各波长强度均减小，极大值向长波方向移动，故B正确； C．强子与轻子质量不能一概而论，故C错误； D．狭缝增多使能量更集中，条纹变窄但亮度增大，故D错误。 故选：AB。 27．下列说法正确的是（　　） A．黑体辐射电磁波的强度随波长的分布仅与黑体的温度有关 B．强子是参与强相互作用的粒子，因而质子、中子和电子都属于强子 C．液晶加电场时偏振光被液晶层旋光呈现亮态 D．物理学中反映宏观自然过程方向性的定律就是热力学第二定律 【答案】AD 【解答】解： A．黑体辐射强度分布只与温度有关，故A正确； B．电子属于轻子，质子、中子才是强子，故B错误； C．加电场后液晶分子竖起，光被截止呈暗态，故C错误； D．热力学第二定律反映宏观自然过程的方向性，故D正确。 故选：AD。 28．下列说法正确的是（　　） A．强子是参与强相互作用的粒子，质子、中子和电子都是强子 B．在惯性约束下，可用高能量密度激光照射反应物质从而引发核聚变 C．常见金属没有规则形状但具有确定熔点，故金属是晶体 D．取r为无穷远时分子势能为0，则当r＜r₀时，分子势能一定小于0 【答案】BC 【解答】解： A．电子是轻子，质子、中子才是强子，故A错误； B．惯性约束下用高能激光照射可引发聚变，故B正确； C．金属是多晶体，有确定熔点，故C正确； D．r＜r₀时斥力为主，分子势能增大，不一定小于0，故D错误。 故选：BC。 29．下列说法正确的是（　　） A．中子整体呈电中性但内部有复杂结构 B．真空中的光速在不同惯性参考系中大小都相同 C．增加接收电路的线圈匝数，可接收更高频率的电台信号 D．分子间作用力从斥力变为引力的过程中，分子势能先增加后减少 【答案】AB 【解答】解： A．中子由夸克组成，整体电中性但内部结构复杂，故A正确； B．由狭义相对论，光速在不同惯性系中相同，故B正确； C．增加线圈匝数使固有频率减小，接收较低频率信号，故C错误； D．分子力从斥力变引力，分子力先做正功后做负功，分子势能先减小后增大，故D错误。 故选：AB。 30．下图呈现的是自20世纪30年代至今物理学家通过实验发现的一部分新粒子。你知道为什么现在将“基本粒子”中的“基本”二字去掉，统称为粒子吗？ 【解答】解： 一方面，科学家逐渐发现数以百计的不同种类新粒子，它们不能看作由质子、中子、电子组成； 另一方面，科学家又发现质子、中子等本身也有自己复杂的结构。 因此，从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。 同步培优系列 · 人教版（2019）选择性必修第三册 · 5.5 “基本”粒子 第 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $