8　粒子和宇宙PPT专用课堂实录内容

（选修3-5）§19.8

粒子和宇宙

一．教学目标

1．初步了解粒子物理学的基础知识

2．初步了解恒星的演化

3．让学生在学习中了解并感受科学发展过程中蕴藏着的科学和人文精神

二．教学过程

1．“基本粒子”不基本

（1）1897年：J.J.汤姆孙发现电子

1918年：卢瑟福发现质子

1932年：查德威克发现中子

（2）随着科学的进一步发展，科学家们发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们多不是由质子、中子、电子组成的；科学家们又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。

2．发现新粒子

（1）1932年：安德森发现正电子

1937年：安德森又发现μ子

1947年：法国物理学家发现K介子和π介子

1950年：开始关于超子的研究

（2）简单介绍：粒子加速器、大型粒子对撞机

（3）按照粒子与各种相互作用的不同关系，可以将粒子分为三大类：

①强子：是一种亚原子粒子，参与强相互作用的粒子（如质子），有介子和重子两类。

②轻子：是不参与强相互作用的粒子（如电子和电子中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ子中微子），每种轻子都有对应的反粒子。

③媒介子：是传递各种相互作用的粒子（如光子、中间玻色子、胶子），光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。

（4）补充介绍：希格斯玻色子（Higgs boson），被称为“上帝粒子（God particle）”，是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子。它是标准模型中最后一种未被发现的粒子，它可以帮助解析为何其它粒子会有质量。

3．夸克模型

（1）夸克（quark）是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元。夸克互相结合，形成一种复合粒子，叫强子，强子中最稳定的是质子和中子，它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象，夸克不能够直接被观测到，或是被分离出来；只能够在强子里面找到夸克。就是因为这个原因，我们对夸克的所知大都是来自对强子的观测。

（2）夸克有6种：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克，它们所带电荷量分别为元电荷的或，每种夸克都有对应的反夸克。

（3）基本粒子和相互作用的标准模型

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4．宇宙的演化

（1）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。”

（2）宇宙演化过程：大爆炸

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夸克、轻子、胶子等

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强子时代

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轻子时代

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核合成时代

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电子与质子复合成氢原子

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形成恒星和星系

5．恒星的演化

（1）恒星演化过程：宇宙尘埃

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星云团

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恒星诞生

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氢核聚合成氦核

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氦核聚合成碳核

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其他聚变过程

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聚变停止形成白矮星或中子星或黑洞

（2）观看视频《宇宙与人》片段

（3）美国天文学家钱德拉塞卡预言：恒星核心质量小于太阳1.44倍的恒星将会演化

为白矮星。核心质量大于1.44倍太阳质量而小于3.2倍太阳质量，整体为太阳8～15倍质量将演化为中子星，核心超过3.2倍太阳质量，演化为黑洞。

（4）简单介绍：地月系、太阳系、银河系、河外星系、超深空域星系团……

（5）天体大小的比较：水星、火星、金星、地球、海王星、天王星、土星、木星、沃夫359、太阳、天狼星、北河三、大角星、毕宿五、参宿七、心宿二、参宿四、造父四、仙王座VV、大犬座VY （6）绚丽的星空：麒麟座红巨星、蔷薇星云、珊瑚星云、天鹅座星云大气泡、圆盘状宇宙尘埃云、鹰状星云、弥散星云、螺旋星云、星云正在形成恒星、8000年前超新星爆炸、触须星系碰撞示意图

（7）简单介绍黑洞理论：人类历史上第一张黑洞照片、黑洞扭曲时空（电脑合成图）、黑洞的吞噬和喷流、两个巨型黑洞发生合并、两个黑洞相互作用产生“引力波”、霍金的黑洞猜想模型以及熵方程式

（8）简单介绍平行宇宙理论、多维空间超弦理论、宇宙未来的三种情形

三．课堂小结（略）