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1、热点 3 科技前沿 热点回顾 1.2008 年 10 月 7 日北京时间下午5 点 45 分,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将本 年度的诺贝尔物理奖的一半授予美国芝加哥大学的南部阳一郎,以表彰他发现了亚原子物理 中对称性自发破缺的机制,奖项的另一半由日本高能加速器研究机构的小林诚和京都大学的 益川敏英分享, 以表彰他们发现了对称性破缺的起源,并由此预言了自然界中至少三个夸克 家族的存在。 2.北京时间9 月 10 日强子对撞机(LHC )进行了第一次主要测试并成功实现了第一束 质子束流贯穿整个对撞机。LHC将把质子加速到具有巨大的能量并进行对撞“ 粉碎 ” ,从而 模拟大爆炸后不足十亿分之一
2、秒的情况。 3.2008 年 7 月 22 日,北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII) 取得重要进展 加速器与北京谱仪联合调试对撞成功,并观察到了正负电子对撞产生的物理事例。改造后的 北京正负电子对撞机将在世界同类型装置中继续保持领先地位,成为国际上最先进的双环对 撞机之一。 热点串讲 热点类型一信息的筛选与再利用 【创新 1】物理学中的对称性意味着守恒律的出现。当系统由于某种原因失去了原有的对称 性后,一定会进入到另一个与以前完全不同的状态,这就是对称性破缺的概念。比如,水是 各向同性流动的液体,水分子在水中沿各个方向运动皆可,但当温度下降到零度以下时,水 结成了冰,水分子在冰中按一
3、定的择优方向排列,形成了冰的几何结构,对称性降低,不再 保持原来水中各向同性的对称性,即发生了对称性破缺。通过材料中给出的信息,下列现象 中发生了对称性破缺的是() A.墨汁滴在水中,到均匀地扩散到水中的过程 B.电磁铁通电前后,电磁铁内的分子电流取向由杂乱元章变为具有相同的取向 C.当某密闭容器中的空气被完全抽出一半 D.当温度降低到临界温度以下,超导材料的电阻消失 【精析 】本题考查学生学习新知识的能力,通过所给信息及所给的事例,形成对“对称性破 缺”的理解,对经出的现象作出判断。 解答: BD从信息中可知:物体不再保持各向同性的对称性,则可以说是发生对称性破缺。 A 中墨汁均匀扩散到水中
4、仍保持着各向同性的特点,C项中容器中气体减少后,容器内气体 仍保持无规则运动状态,故AC 两项错误; B 项中由磁现象电本质知识可知,分子电流的具 有相同的取后后,电磁铁就具有的磁性;D项中超导体在临界温度以下进入与以前完全不同 的状态,故也可称为发生了对称性破缺。 热点类型二磁场对高能粒子约束 【创新 2】在强子对撞机的加速器里面,2 束高能粒子流在彼此相撞之前,以接近光速的 速度向前传播。这两束粒子流分别通过不同光束管,向相反方向传播,这两根管子都处于超 高真空状态。 一个强磁场促使它们围绕那个加速环运行。关于强子对撞机以下说法正确的是 () A.强子对撞机的加速器可能是回旋加速器 B.在
5、加速环中上,高能粒子加速是强磁场作用的结果 C.超导线中通过强电流后,会产生极强的磁场 D.可以通过调节磁场来使得两束高能粒子的运动方向 【精析 】本题中主要考查磁场对带电粒子的作用效果,以及电流的磁效应等知识点。 解答:回旋加速器原理是由带电粒子在磁场中运动的周期与带电粒子速度无关,可以通过与 带电粒子圆周运动频率相同的交变电流作用下,使带电粒子每经过一将电场均可以加速。由 于粒子速度接近光速,由于相对论效应,粒子质量增大, 使得带电粒子在磁场运动和电场不 能保持同步。故强子对撞机中高能粒子的加速是不能只通过回旋加速器来完成的,A项错; 磁场对带电粒子的洛伦兹力不做功,故磁场只改变带电粒子的
6、运动方向,而不能改变速度大 小,故 B项错; D项正确; 由于超导线中电阻为零,故其中电流极大,故能产生极强的磁场, C项正确。 热点训练 12008 年诺贝尔物理学奖项的一半由日本高能加速器研究机构(KEK )的小林诚和京都大 学的益川敏英分享,以表彰他们发现了对称性破缺的起源,并由此预言了自然界中至少三 个夸克家族的存在。夸克之间的强相互作用势能可写为 r a kE s p 3 4 2 ,式中r 是正、反顶 夸克之间的距离,as 0.12 是强相互作用耦合系数,k2是与单位制有关的常数,在国际单位 制中 k2=0.319 10 -25 J m; 而在电荷之间的相互作用中,相距为r,电荷量分
7、别为Q1Q2 的两 个点电荷之间的电势能 r QQ kEp 21 1 ,式中 k1 是静电力常量。根据题中所给信息可知: A.正反顶夸克之间的相互作用力为 22 3 2 r a kF s B.正反顶夸克之间的相互作用力为 22 3 4 r a kF s C.轨道半径为r、质量 m 的地球卫星的万有引力势能为 r Mm GEp D.轨道半径为r、质量 m 的地球卫星的万有引力势能为 r Mm GEp 2.北京电子对撞机原理如图所示。质量为 m、电荷量为e 的正、负电子分别经过直线加 速器加速后, 从左、 右两侧被导入装置送入位于水平面内的圆环型真空管道、且被导入的速 度方向与圆环形管道中粗虚线相
8、切。在管道内控制电子转弯的是一系列圆形电磁铁,即图甲 中的 A1、A2、 A3 An,共 n 个,均匀分布在整个圆周上(图中只示意性地用细实线画了 几个,其余的用细虚线表示),每个电磁铁内的磁场都是磁感应强度均相同的匀强磁场,磁 场区域都是直径为d 的圆形。 改变电磁铁内电流的大小,就可改变磁场的磁感应强度,从而 改 变 电 子 偏 转 的 角 度 。 经 过 精 确 的 调 整,可使电子在环形 管 道 中 沿 图 中 粗 虚 线所示的轨迹运动, 这 时 电 子 经 过 每 个 电 磁 铁 时 射 入 点 和 射 出 点 都 在 电 磁 铁 内 圆 形 匀 强 磁 场 区 域的同一条直径的两端
9、,如图乙所示。这就为实现正、负电子的对撞作了准备。 (1)若正、负电子经过直线加速器后的动能均为Ep,它们对撞后发生湮灭,电子消失,且 仅产生一对频率相同的光子,则此光子的频率为多大?(已知普朗克恒量为k,真空中的光 速为 e。 ) (2)电磁铁内匀强磁场的磁感应强度B 为多大? 【参考答案】 1.BC 解析:根据题中所给的库力力和点电荷电场中电势能的表达式,可 知两者关系:电势能对距离r 求导数即得库仑力的表达式。通过比较万 有引力与库仑力均与半径平方成反比,故所以两者势能也有相似关系, 故 C项正确;比较强相互作用势能与电势能,结合两种力与相应势能的 关系可知B项正确。 2. 解答: (1)一对正、负电子对撞湮灭后产生一对光子,所以一个光子的能量与一个电子的 能量相等,即每个光子的能量为E=E0+mc 2 设光子的频率为v,则 2 0 mcEhv 解得:./ )( 2 0 hmcEv (2)设电子经过1 个电磁铁圆形磁场区时偏转角度为,则 a 2 , 由图可知,电子 射入匀强磁场区时与通过射入点至射出点的直径夹角为/2 电子在匀强磁场区域内作圆运 动, 洛仑兹力提供向心力 R mv evB 2 所以 Be mv R 根据几何关系 R d 2/ 2 sin 解得 de n mv B sin2
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