8　粒子和宇宙教学设计及教案分析

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学科

物

理

授课班级

2019

届

4、6

班

任课教师

田

新

月

课题

19-8

粒子和宇宙

授课时数

1课时

授课时间

2018年

6

月

21

日

第

16

周

教学目标

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宇宙与粒子的和谐统一

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．能够突破传统思维重新认识客观物质世界

情感态度价值观

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。

教材分析

本节内容通过对现代物理前沿最活跃而又紧密联系的领域——研究微观世界的粒子物理和研究宇宙的天体物理的统一介绍，为整个中学阶段的系统物理课程画上句号，作为全书总结的大结局。

本节介绍了粒子物理学中的一些基本知识，如人类发现三种粒子（强子、轻子、媒介子）以及夸克模型。对于宇宙和恒星的演化，简单介绍了宇宙大爆炸理论和恒星演化过程，使学生认识到恒星和其他事物一样，也有发生、成长和消亡的过程，从而加深对于恒星演化过程的理解。

通过本节内容的教学，要让学生知道现代物理发展的前沿，了解人类对物质结构的认识是不断深入的。物理学家们期望能从宇宙射线中得到来自宇宙远方的新粒子的信息。科学探索是永远没有尽头的，人类对真理的追求是永无止境的。随着科学技术的不断进步，粒子物理学必然会踏上更高的台阶，不断加深人们对自然界物质的本质的认识。

本节课之所以将大宇宙和小粒子写在一起，是希望突出“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。”

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学情分析

学生通过本章前几节内容的学习，已经知道了原子核、核能的开发及利用的相关知识，对于原子核有了一定的认识，知道原子、原子核均具有复杂结构。但是对于质子、中子的组成不是很了解，对于粒子物理发展的前沿了解较少。对于宇宙的演化过程及恒星的演化过程知之甚少。

学生对于本节内容的学习，非常的感兴趣，对于很多新名词，比如介子、强子、轻子、媒介子、夸克等概念存在疑虑，对于宇宙的演化过程非常的好奇，这就需要教师提前做好多方面的素材准备，准备丰富的视频，解答学生回答出来的问题。

教学重点及突出重点的措施

了解构成物质的粒子和宇宙演化过程

通过学生阅读教材的过程，让学生熟悉宇宙演化过程，在阅读完教材的基础上，通过播放视频，让学生进一步了解宇宙的演化过程。通过对新粒子发现的过程进行讲解，让学生熟悉构成物质的粒子的特点。

教学难点及突破难点的方法

各种微观粒子模型的理解

通过对不同的粒子进行分类，让学生了解不同类型粒子的特点。在此基础上给出轻子不可再分，而强子可再分的实验结果，进而因此强子的夸克模型，由于学生在本节课之前未学习过夸克的相关知识，本节也仅做简要介绍。

教学过程设计

新课引入：

宇宙的起源一直是天文学中困难而又有启发性的问题。宇宙学中大爆炸论的基本观点是宇宙正在膨胀，要了解宇宙更早期的情况，我们必须研究组成物质的基本粒子。今天，我们一起来学习本章最后一节内容：粒子和宇宙。

一、粒子及其分类

人们一开始认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。后来汤姆逊发现电子，我们知道原子是可再分的。通过α粒子散射实验，我们知道原子是由原子核和核外电子构成。质子、中子的发现使人们意识到原子核是可再分的。那质子、电子、中子、光子还可再分吗？我们认为它们是不可再分的最基本粒子，将其称为“基本粒子”。

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教学过程设计

1.“基本粒子不基本”

物理学家对真理的追求永无止境。通过对宇宙线的研究，陆陆续续的发现了很多新粒子。宇宙射线是宇宙空间射来的高能粒子，主要有质子，α粒子，其他粒子。这些粒子的能量达到103~104Mev，进入大气层后，与大气中的原子核碰撞，引起很多核反应。比如1932年安德森发现正电子，1937年μ子的发现，1947年K介子，π介子的发现，这些新粒子都不是由质子、中子、电子构成的，即“基本粒子”不基本。科学家的研究还在进行。

1932年发明的加速器，使带电粒子加速到很高的能量。人们用加速器进行了很多核物理实验而不再依赖于宇宙射线，从而发现更多的新粒子。现在已经发现的粒子达400多种。

2.发现新粒子

物理学家发现了一些新粒子，将质量大于电子，小于质子的新粒子叫做介子，比如K介子，π介子；将质量大于质子的新粒子叫做超子。

除此之外，物理学家还发现了一些反粒子，这些粒子和过去发现的粒子的物理性质相同，比如质量、寿命、自旋等，而电荷等其他性质相反，比如电子的反粒子——正电子，质子的反粒子——反质子。

一种正、反粒子相遇会同时消失，而转化为其它种类的粒子——“湮灭”，eg：正负电子对湮灭（相同速率相向运动），产生两个γ光子。Q：为什么是两个γ光子，而不是一个γ光子？

由于动量守恒，反应前系统总动量为零，则反应后产生的新物质总动量应该也为零，若仅产生一个γ光子，动量不为零，违背了动量守恒定律。

3.粒子的分类

类别

强子

参与的相互作用

强相互作用

代表

最先发现的是质子、除此外还有中子、超子等

最先发现的是电子、除此外还有微子等

备注

可再分

轻子

媒介子

不参与强相互作用

各种相互作用

不可再分

光子（电磁），中间玻色子（弱），胶子（强）

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4.夸克

很多实验表明，强子具有内部结构。1964年盖尔曼提出夸克模型，夸克有6种，所带电荷量为元电荷的2/3或-1/3.每个夸克都有其反夸克。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。夸克模型经过几十年的发展，已经被多数物理学家所接受。

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；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。因为目前为发现自已自由状态的单个夸克，因为我们依旧认为带电体所带的电荷量是元电荷的整数倍。

（1）定义：组成强子的基本单元

（2）分类：6种夸克，每种夸克均有其反粒子，夸克的电荷量是元电荷的2/3或-1/3 （3）夸克禁闭

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。粒子物理标准模型（particle physics, standard model of）是关于已知物质的微观最基本单元——轻子和夸克，最基本相互作用（三种规范相互作用：强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用），产生粒子质量机制——黑格斯机制及其量子——轻子、夸克、希格斯粒子和规范相互作用的量子相互作用和转化的基础理论。

希格斯玻色子（或称希格斯粒子、希格斯子Higgs boson）是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，至今尚未在实验中观察到。它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利，对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声，似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的，充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子，而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦。

2012年7月2日，美国能源部下属的费米国家加速器实验室宣布，该实验室最新数据接近证明被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。

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2013年3月14日，欧洲核子研究组织公开确认，其发现了希格斯玻色子。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”。

但是“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”。

研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论相互沟通、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。”

在对粒子认识的基础上，我们一起来看宇宙的演化过程。

二、宇宙的演化

大爆炸之后约10-44s，温度为1032K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子。大爆炸后约10-6s，温度下降到1013K，夸克构成了质子和中子等强子，成为强子时代。再晚一些时候，温度下降到1011K，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，成为轻子时代。温度下降到109K，中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、氦3等其他轻核生成，成为核合成的时代。大爆炸1万年之后，温度降到104K，宇宙由电子、质子和氦核的混合电离气体组成。温度降到3000K，电子和质子复合成为中性的氢原子。继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系。

即宇宙演化的主要过程：

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三、恒星的演化

1.恒星的诞生——星云团

根据大爆炸宇宙学，大爆炸10万年后，温度降低到3000K，出现了由中性原子组成的宇宙尘埃。某些尘埃简单距离相对近些，由于万有引力作用，形成更密集的尘埃。尘埃像滚雪球一样越来越大，形成气体状态的星云团。这些星云团进一步凝聚使得引力势能转变为内能，温度升高，温度升高到一定程度就开始发光，恒星就形成了。

2.恒星的稳定期

恒星继续收缩，升温。温度超过107K时，通过热核反应向外释放电磁波，辐射产生向外的压力与引力产生的收缩压力，这时恒星温度下来——壮年期的恒星。目前太阳处于这一时期。

质量不同的恒星，安定时间的长短不同，它们寿命的长短取决于其自身的质量。五分之一太阳质量的恒星，为1万亿年；和太阳质量相同的恒星，为100亿年；十五倍太阳质量的恒星，为2000万年。这是因为质量大的恒星内部虽然有更多的氢燃料，但是它内部的温度和压力也相应更高，这使核聚变反应的强度也成倍增大，氢的消耗比小质量恒星快得多，因而它们的光度也大。这导致质量大的恒星寿命反而要短于质量小的恒星。

3.恒星的衰老

当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降，星体在引力作用下再次收缩。这时引力势能产生的热将使温度升得更高，于是发生了氦核聚合成碳核的聚变反应。类似的过程一波接一波地继续下去，出现了氧、硅、直到铁等更重的元素。恒星在这个阶段要经历多次膨胀与收缩，光度也会反复变化。

当各种热核反应都不再发生时，由热核反应所维持的辐射压力也消失了。星体在引力作用下进一步收缩，中心密度达到最大。

4.恒星的归宿

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，

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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。

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。

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。

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。

研究微观世界的粒子物理竟然可以和研究宇宙的理论相互支持、沟通，即物理学中研究最大对象和最小对象的两个分支——宇宙学和粒子物理学就奇妙地衔接在一起，就好像一只巨蟒咬住了自己的尾巴。

华人物理学家在粒子物理领域做出来很多突出的贡献。赵忠尧发现硬γ设想在重元素中的反常吸收，王淦昌预言反超子的存在。杨振宁和李政道（诺）提出弱相互作用的宇称不守恒，吴健雄领导的小组证实了β衰变中的宇称不守恒，丁肇中（诺）发现了新粒子，证实对第四夸克粲夸克的预言。

至此，我们整个中学阶段的系统物理课程可以画上一个圆满的句号了，接下来的学习中还希望大家大胆创新，勇于探索，为科学研究贡献自己的力量。

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19-8 粒子和宇宙

一、粒子及其分类

1.“基本粒子”不基本

质子、中子、电子、光子

2.发现新粒子

3.粒子的分类

4.夸克

（1）定义：组成强子的基本单元

（2）分类：6种夸克，每种夸克均有其反粒子，

夸克的电荷量是元电荷的2/3或-1/3 （3）夸克禁闭

教学反思：

本节课教学内容庞杂，学生非常感兴趣，在教学中，对于粒子及其分类的讲解，深度不够，只是简单罗列了一些新发现的粒子，对于夸克模型的意义讲解不够，对宇宙的演化过程讲述的不是很深刻，没有将宇宙大爆炸以后的演化过程非常生动的呈现出来，恒星的演化讲的比较仓促，本节课还有很多需要完善的地方。

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