8　粒子和宇宙ppt课件配套教案内容

粒子和宇宙

昆明市晋宁区第二中学

马涛旭

【教学目标】

（一）知识与技能

1．了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史。

2．初步了解宇宙的演化过程及恒星的演化过程。

（二）过程与方法

1．感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法

2．能够增长对客观物质世界的认识

（三）情感、态度与价值观

1．让学生真正感受到自然的和谐统一并深知创建和谐社会的必要性。

2．培养学生的科学探索精神。

【教学重点】了解构成物质的粒子和宇宙演化过程

【教学难点】各种微观粒子模型的理解

【教学方法】启发式教学，学生交流、讨论。

【教学过程】

一、对物质结构的探索

1803年道尔顿发现原子

1897年汤姆逊发现电子

1919年卢瑟福发现质子

1932年查德威克发现中子

1932年安德森发现正电子

1937年发现μ子

1947年发现K介子介子

对科学永无止境的追求

延伸思考：人们逐渐意识到，这些我们认为的“基本粒子”，实际并不基本。还有很多我们并不了解的粒子等待发现。

二、发现新粒子

20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中陆续发现了一些新的粒子。

粒子加速器使带电粒子加速到很高的能量，有助于发现更多的新粒子。

1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(Top Quark)的存在

一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的62个粒子中的61个都已经得到了实验数据的支持与验证，但仍有一个粒子未被发现。

经过半个多世纪的发展，欧洲核子中心（CERN）建造了迄今最为庞大的双圈强子对撞机——LHCLHC包含了一个圆周为27公里的圆形隧道，因当地地形的缘故位于地下50至150米之间。这是先前大型电子正子加速器（LEP）所使用隧道的再利用，隧道本身直径三米，位于同一平面上，并贯穿瑞士与法国边境，主要的部分大半位于法国。

建造LHC一个最为重要的目的是为了验证英国物理学家彼得希格斯关于一种规范玻色子的理论，由于在此机制下，这种粒子将赋予万物质量，所以人们称其为“上帝粒子”。

2012年7月4日，位于瑞士日内瓦的欧洲核子中心在发布会上向全球宣布，在双光子道和轻子道分别以6个西格玛的标准差探测到了希格斯玻色子（Higgs）

人们发现并证实了标准模型预言中最后一种粒子，这是现代物理学的一大步！

欧洲核子研究中心的负责人罗尔夫·霍耶尔说“这是我们在认识自然道路上的一座里程碑”

“别忘了，标准模型只能解释4%的宇宙，”

占宇宙质量96%的暗物质仍没有得到解释，

“我们还有很长的路要走”。

三、粒子的分类

现在已经发现的粒子达到400多种。

按照粒子与各种相互作用的不同关系，将粒子分为三类。

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引力子尚未被实验证实

弱电统一理论:电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。

大统一理论试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。

四、

夸克模型

1964年物理学家盖尔曼提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克quark。夸克模型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受。

强子结构的夸克模型

介子（夸克和反夸克组成）

重子（三个夸克组成）

夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破

电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷

到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6种夸克及其反夸克存在的证据。

目前人们对夸克的认识还是很初步的，科学家们直到今天都还未捕捉到自由的夸克。

夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”

能否解放被禁闭的夸克，是21世纪物理学面临的重大课题之一

五、

宇宙的演化

物理学中有一个非常有趣的现象：研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。

正如诺贝尔物理学奖获得者格拉肖所说：“隐藏在原子内心的，是宇宙结构的秘密。”

大爆炸理论

(The Big Bang Theory) 宇宙从一个“奇点”爆炸产生

大爆炸是在无限的宇宙各处同时产生

大爆炸后0.01秒：约1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。

大爆炸后0.1秒后：约300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。

大爆炸后1秒后：约100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。

大爆炸后10秒后：约30亿度，核时期，氢、氦类稳定原子核（化学元素）形成。当宇宙冷却到10^9开尔文以下（约100秒后），粒子转变不可能发生了。核合成计算指出，重子密度仅占拓扑平宇宙所需物质的2%~5%，强烈暗示了其他物质能量的形式（非重子暗物质和暗能量）充满了宇宙

大爆炸后35分钟后：约3亿度，原初核合成过程停止，尚不能形成中性原子。大爆炸后30万年后：约3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。

量子真空在暴涨期达到全盛，之后便以暗能量的形式弥漫于全宇宙，且随着物质和辐射密度迅速减小，暗能量越来越明显。暗能量可能占据宇宙总能量密度的2/3[2]

，从而推动了宇宙加速膨胀。

六、

恒星的演化

恒星演化就是一颗恒星诞生，成长成熟到衰老死亡的过程，恒星演化是十分缓慢的过程。天文学家根据对各种各样的恒星的观测和理论研究，弄清楚了恒星的一生是怎样从孕育到诞生，再从成长到成熟，最后到衰老、死亡的整个过程。恒星演化论，是天文学中，关于恒星在其生命期内演化的理论。

恒星的死亡（一）——白矮星

抛射质量后，如果剩下的燃料无法点燃，而核的质量小于1．44个太阳质量（钱德拉塞卡极限），这颗恒星便可能演化成为白矮星。由于引力十分巨大，核外电子被紧密压缩，密布在原子核周围，依靠电子间的斥力抵抗引力, 处于一种超密状态，其中一个火柴盒大小的物质，如果能拿到地球上来, 就重达1吨左右。

瞬间的绚烂（二）

——超新星爆发

对于大质量的恒星，由于引力巨大，氢烧完后，引力导致的坍缩会十分猛烈，这时，大量的能量瞬间爆发出来，恒星的亮度瞬间爆增上千万倍，乃至上百亿倍，这就是超新星爆发。

一颗超新星在爆发时输出的能量可高达1043焦，这几乎相当于我们的太阳在100亿年时间里输出能量的总和。超新星爆发时，抛射物质的速度可达107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的绽放。

恒星的死亡（三）——中子星

超新星爆发后，如果剩下的核的质量在1．44—2个太阳质量（奥本海默极限）之间。巨大的引力使得电子的斥力也不足以对抗，电子被压入原子核，整个恒星成为一个中子球，依靠中子间的斥力对抗引力。它的直径只有10千米左右，其密度特别大，1立方厘米可达1亿吨以上，自转特别快。也叫脉冲星。中子星的大小不超过一个大城市，但是极其致密。

引力的奇迹（四）——黑洞

质量超过奥本海默极限的致密天体，中子的简并压力不足以抗衡引力，这个天体还要坍缩

, 它坍缩的结果会变成一种非常特殊的比中子星更致密的天体——其体积无限被压缩，以致其第二宇宙速度超过光速，光也无法从其内部逃出，所以叫黑洞。

七、我国科学家的巨大贡献

射线在重元素中的反常吸收

预言了反超子的存在

在弱相互作用下宇称不守恒

证实了β衰变中的宇称不守恒

发现新粒子—J

21世纪等待我们解决的疑惑

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暗物质到底是什么？

推动宇宙加速的暗能量到底是什么？

空间到底有多少维度？

时间的本质是什么？

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粒子