1、2012年粤教版高中物理选修 3-5 4.7小粒子与大宇宙练习卷与答案（带解析） 选择题 下列说法中正确的是（ ） A太阳是宇宙的中心 B太阳系中只存在太阳和它的八大行星 C太阳系由太阳和若干行星及它们的卫星和彗星组成 D以上说法都正确 答案： C 试题分析：太阳系中以太阳为中心，有八大行星绕太阳运行，有的行星还有卫星，除此外还有 2 000多颗比较小的小行星和彗星等，所以叙述较完整的是 C项 .通常我们所说的九大行星是指太阳系中较大的几颗行星，太阳系的组成中还有小行星和彗星 . 考点：天体 太阳系的组成 点评：太阳系 （ Solar System）就是我们现在所在的恒星系统。它是以太阳为中心
2、，和所有受到太阳引力约束的天体的集合体： 8颗行星冥王星已被开除、至少 165颗已知的卫星，和数以亿计的太阳系小天体。 填空题 关于宇宙的成因，目前比较容易被接受的是宇宙起源于 _. 答案：大爆炸 试题分析：目前关于宇宙成因有许多说法，其中具代表性和多数科学家所接受的是 “大爆炸 ”学说，认为宇宙起源于一次大爆炸 . 尽管 “大爆炸 ”学说受到很多人支持，但仍有很多不解之谜 考点：宇宙的形成 点评：根 据大爆炸理论，宇宙起源于一个单独的无维度的点，即一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质的奇点。至少是在 120150 亿年以前，宇宙及空间本身由这个点爆炸形成。 天文观测表明：几乎所有
3、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，也就是宇宙在膨胀 .不同星体的退行速度 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，有人提出一个种理论，认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的 .假设大爆 炸后各星体即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 . 由上述理论和天文观测结果，可估算宇宙年龄 T，其计算公式为T=_. 答案： 10年 试题分析：题中提供两个信息，一是宇宙在膨胀时，各星体以不
4、同的速度向外匀速运动，不同星体的退行速度 v和它们离我们的距离 r成正比，即 v=Hr；二是各星体匀速运动， 设想我们位于其中心 .取大爆炸后的速度分别为 v1、 v2的两个星体研究（ v1v2） 设大爆炸开始到现在经过的时间为 T，由于各星体做匀速运动，物理模型如下图所示 . 则两个星体的位移应满足： r1=v1T,r2=v2T, 根据 r=vT，结合题中的 v=Hr，可分析得到： T= =1010年 考点：宇宙 天体的年龄 点评：本题解题关键是理解到恒星的年龄就是恒星的运动时间，从星系所遵循的这些规律就能找到 T=1/H.属于信息阅读题，这是近几年高考的热点问题，考查阅读审题能力。 计算题
5、 1997年 8月 26日在日本举行的国际学术会上，德国的研究组宣布了他们的研究成果，银河系的中心可能存在一个大黑洞，他们的根据是用口径为 3.5 m的天文望远镜对猎户座中位于银河系中心附近的星系进行近六年的观测，所得到的数据，他们发现银河系中心约 60亿千米的星系正以 2 000千米每秒的速度围绕银河系中心旋转 .根据上面的数据，试在经典力学范围内（见提示），通过计算确认，如果银河系中心确实存在黑洞的话，其最大半径是多少？（最后结果保留一位有效数字，引力常数 G=6.6710-11N m2 kg-2）提示： （ 1）黑洞是一种密度极大的天 体，其表面的引力是如此之强，以致包括光在内的所有物质
6、都逃脱不了其引力的作用； （ 2）计算中可以采用拉普拉斯黑洞模型，即使墨洞表面的物体初速等于光速也逃脱不了引力的作用 . 答案： 108 m 试题分析：设黑洞质量为 M，由题中信息 “银河系的中心可能存在一个大黑洞，距银河系中心约 60亿 km的星体正以 2 000 km/s的速度围绕银河系中心旋转 ”可以得到这样一个理想模型： 质量为 m的星体绕银河系中心做圆周运动， 则 ,得 M= =3.61035 kg. 由拉普拉斯黑洞模型的信息得到： 若质量为 m的物体能以光速在 其表面环绕飞行，而不会离去， 则 ,得 r= R=3108m. 当物体速度 vc时， ,得 rc,所以 Rc， 由以上的三
7、个关系可得 R =4.21010（光年） . 考点：宇宙 天体 黑洞 点评：本题中的 “黑洞 ”概念在中学教材中未出现过，是一个新情景，根据题意，星体能绕其旋转，它绕 “黑洞 ”作圆周运动的向心力，显然是万有引力提供，据万有引力定律，可知 “黑洞 ”是一个有质量的天体。说它 “黑 ”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去， “似乎 ”就再不能逃出。 彗星 拖着长长的尾巴，时而出现于黎明的东方，时而划破晴夜的长空 .对于彗星的观察， 我国从殷商时代就有了关于彗星的观察记录，并为后人留下了珍贵的资料，其中在春秋中记载的观察彗星的资料，被公认为是世界上哈雷彗星的最早记录，比欧洲关于彗星的记录
8、早了几百年 .在西方研究彗星的众多科学家中，英国物理学家哈雷对彗星的研究最为深入，他不仅对彗星进行天文观察，而且还对彗星的轨道进行了定量的计算， 1705 年，他在彗星天文学一书中计算了彗星的 24个轨道 .在现在已知的 1 600颗彗星中，人们对其中的600颗已确定了它们的轨道 . 下面是关于彗星的几个问题： （ 1）经过观察与研究，人们发现彗星绕太阳运行的轨 道一般为椭圆、抛物线或双曲线 .彗星轨道的形状是由彗星的能量所决定的 .试问著名的哈雷彗星的运行轨道是椭圆，还是抛物线，还是双曲线？为什么？ （ 2）据科学家研究发现，彗星是由稀薄气体、冰冻团块、甲烷、氨、干冰等组成 .彗星中还有含钾
9、、钙、锰、钠和铁等物质，试说明人们是运用什么方法知道彗星中含有上述物质的？ （ 3） 1994年，曾经发生了一个轰动世界的天文奇观，一颗命名为 “苏梅克 列维 9号 ”的彗星断裂成了 21块（其中最大的一块线度约 4 km） ,以 60 km/s的速度连续地向木星撞去，这就是著名的彗 木相撞现象 .苏梅克 列维 9号彗星中的第一块碎片于格林尼治时间 7月 16日 20时 15分落入木星大气层向木星撞去，撞击后产生的多个火球绵延近 1 000 km.设想苏梅克 列维 9号彗星分裂时有一块碎块的质量为 1012 kg，它相对于木星的速度为 600 m/s,求它与木星相撞过程中损失的机械能为多少？
10、（ 4）苏梅克 列维 9号彗星中的第一个碎块于格林尼治时间 7月 16日 20时 15分落入木星大气层向木星撞去，放出了相当于 81020 J的巨大能量 .已知一个铀235裂变时可放出约 200 MeV的能量，试估算：苏梅克 列维 9号彗星中的第一个碎块 与木星相撞所释放的能量相当于多少千克的铀 235发生了裂变？ 答案： (1)椭圆 （ 2）光谱分析 （ 3） 1.81017J (4)9.8106 kg 试题分析：（ 1）哈雷彗星是一颗周期彗星，人们最近的一次观察到它是在1986年，预计在 2062年哈雷彗星会再一次光临地球 “做客 ”.哈雷彗星的周期为76年，由此可见哈雷彗星的运行轨道应该
11、是椭圆 . （ 2）当彗星造访地球时，可以对其进行光谱分析，通过对彗星光谱的分析，我们可以知道彗星中含有钾、钙、钠、铁等物质 . （ 3）这个彗星碎块与木星相撞的过程中损失的机械能等于其与木 星相碰前瞬间的动能，则有 E= =1.81011 J. (4)我们先计算一个铀 235裂变放出的核能是多少焦； E=21081.610-19 J,我们再计算多个铀 235裂变后可放出 81020 J的能量，即 n= =2.51031(个 ), 则约相当于发生裂变的铀的质量 m=23510-3 =9.8106 kg 考点：宇宙 天体的运动 质能方程 裂变 点评：本题属于综合题，需要同学结合所学天体的有关知识
12、和能量关系综合解题，另外动量能量关系在天体物理中也是适用的，使我们解决这部分问题的关键。 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：一是在宇宙中诞生后 3分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部氢核聚变反应生成的 . （ 1）把氢核聚变反应简化为 4个氢核（ ）聚变成氦核（ ） .同时放出 2个正电子（ ）和 2个中微子（ e），请写出该氢核聚变反应的方程式，并计算一次反应释放的能量 . （ 2）研究表明，银河系的年龄为 t=3.81017 s，每秒钟银河系产生的能量约略为11037 J（即 P=11037 J/s） ,现假定该能量全部来自
13、上述氢核聚变反应 .试估 计算银河系中氦的质量（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：银河系质量为 M=31041 kg,质量单位 1 u=1.6610-27 kg,1u相当于 1.510-10 J的能量，电子质量 Me=0.000 5 u,氦核质量 M=4.002 6 u,氢核质量 MP=1.007 8 u,中微子（ Ve）质量为零 . 答案：（ 1） 4 +2 +2 4.1410-12J （ 2） 6.01039 kg （ 3）宇宙诞生后不久产生的 试题 分析： (1)方程式： 4 +2 +2. 其质量亏损为 m
14、=4Mp-M-2Me=0.028 11u=4.664 610-29 kg. E=mc2=4.1410-12 J (2)氦的质量 m= 6.01039 kg. (3)氦的含量 k= 2% 由估算可知， k=2%25%.故银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久产生的 考点：核反应方程 质能亏损 宇宙的诞生 点评：原子核能 尤其是通过裂变和聚变这两条有效途径获得核能，是当前解决能源问题中大家关心并积极研究的大事情。我们有必要让学生了解这方面的基础知识和进展情况，本题解题关键是要正确书写核反应方程式，熟练应用质能方程。 简答题 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 ”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反 .据此，若有反 粒子，它的质量数和电荷数为多少？ 答案： -2 试题分析：因 “反粒子 ”与其对应的正粒子具有相同质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反 .所以，反 粒子质量数为 4，电荷数为 -2. 考点：粒子的组成 点评：直接根据题目信息，较简单的可以书写出反物质的质量数和核电荷数。属于基础信息题，应熟练掌握并正确书写。
