8　粒子和宇宙教学活动设计方案

《粒子与宇宙》教学设计

一、核心素养

（一）、

物理观念

1.了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史

2.了解粒子的分类、夸克模型

3.了解大爆炸理论及宇宙的演化过程

4.了解宇宙与粒子研究内容和方法的和谐统一

（二）、科学思维

1.通过对微观粒子发现过程的了解，培养学生科学研究方法和思维过程

2.通过课内与同学之间的交流,激发学习的兴趣,提高团结协作和语言表达的能力

（三）、科学态度与责任

1.通过人类探寻物质结构的过程,培养他们尊重历史、尊重科学、献身科学的思想和情感,从而树立正确的世界观、物质观

2.通过我国和华人在粒子物理学的贡献,培养学生的爱国主义情感、民族自豪感和使命感

3.通过了解宇宙的演变过程和人类发展史懂得生命的宝贵,从而珍惜生命,树立正确的人生观、价值观

二、学情分析

学生有一定的对粒子和宇宙的认识,知道原子结构,但是对粒子、宇宙没有更深层次的理解,在理解能力上有待培养。

三、教学重难点

重点:了解构成物质的粒子和宇宙演化过程

难点:各种微观粒子模型的理解

四、教学过程

环节

（一）导入新课

教学过程

观看视频,该视频从人类的尺度开始,逐渐深入到微观的领域,让学生领略到从10m到10m内从未见过的画面。

0-14设计意图

引发学生的思考,激发学生探究微观世界的欲望,让学生带着一系列的疑问进入课堂。

教师提问：回忆之前所学，大家对微观世界有了一定的认识。让学生对前面构成万物的微小粒子是分子或原子，而分子又是由原子够成，所学习的知识那原子由什么构成呢？

进行自主回顾，学生回答：原子由电子、原子核构成，而原子核内由质子和中教师借此引入子构成，质子带正电，电子带负电，中子不带电。

新课。

（二）粒子及粒子发现史

1.重温物质结构的历史足迹按照时间的顺序,选择有代表性的

带学生重温粒粒子作介绍。教师通过讲授,和学生一起讨论: (1)原子:德谟克利特(约公元前460-370年)认为,万物的本原子发现史，培养或根本元素是“原子”和“虚空”。原子不可再分。经过二十他们尊重历史、几个世纪的探索,科学家在17世纪~18世纪通过实验,证实了尊重科学思想原子的真实存在。19世纪初英国化学家J.道尔顿在进一步总和情感,从而树结前人经验的基础上,提出了具有近代意义的原子学说。

立正确的物质（2）原子的结构:1897年汤姆孙发现电子,建立了枣糕模型。观。

2000多年来认为“原子是物质的不可分割的最小单元”的传

统观念终于被否定了,J.J.汤姆孙对阴极射线的研究敲开了原子的大门,这标志着人类对物质结构的认识进入了一个崭新的阶段。1911年卢瑟福提出原子的核式结构,在粒子物理学上具有重要的意义,开创了原子物理和原子核物理学的新领域,因此海森堡称卢瑟福是“近代原子物理学的真正奠基者”。

(3)原子核还可以再分:,贝克勒尔通过对天然放射现象的研究,使人们认识到原子核不是实心的,可以再分。1919年,卢瑟福发现质子,1932年,查德威克发现中子。

(4)1932年安德森发现正电子,开辟了反物质研究的领域。

(5)鲍威尔1947发现π介子，π介子就是汤川秀树在1935年提出的介子（.质子和质子间，质子和中子间，中子和中子间，都有一种由于交换介子而交互吸引的作用力.）从汤川秀树的核力理论提出,到π介子的发现,标志着人类对物质的认识向前跨进了一步,开辟了一个新的领域,即从认识原子核深入到认识基本粒子的领域 (6)1930 年，有科学家在核反应实验中发现，中子在衰变成一个质子和电子的时候，轨迹和能量都有点变化，有一小部分能量不知所踪．3 年后，奥地利著名物理学家泡利（Wolfgang E.Pauli）认为是一个探测不到的粒子带走了能量，预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。中微子个头小，不带电，以接近光速运动可自由穿过地球，与其他物质的相互作用十分微弱，号称宇宙间的“隐身人”。2012年3月8日，我国大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳宣布，他们发现了中微子第三种振荡。2013年11月23日，科学家首次捕捉高能中微子。他们利用埋在南极冰下的粒子探测器，首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。

(7)1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子结构的夸克模型,夸克模型是物理学发展中的一个重大突破,它指出电子电荷不再是电荷的最小单元。接下来介绍六种形式的夸克模型，各自所带的电荷量，并提到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，这种现象称之为夸克禁闭。并总结，夸克所带电荷量小于最小元电荷的电荷量，打破了人们对元电荷的认知。

(8) 目前已经发现的粒子达到400多种，今后还会有更多

介绍华人在粒子领主要介绍：

1.李政道：31岁时与杨振宁李政道一起因发现弱作用中宇称通过我国和华人在粒子物理域的贡献

不守恒而获得诺贝尔物理学奖（此发现由吴健雄的实验证实），学的贡献,培养并成为最早获诺贝尔奖的中国人。

2.杨振宁：1954年发布杨米尔斯方程，成为整个粒子物理标准模型的基础．和李政道合作的宇称不守恒更解决了建立弱力理论和弱电统一理论具体工作的最关键问题。

《Nature》杂志在2000年把他评为影响世界千年的TOP20物理学家。

3.丁肇中：因发现“J”粒子，于1976年获得诺贝尔物理学奖。

4.朱棣文：开创了用激光冷却并捕捉原子的方法，被誉为“能抓住原子”的人，朱棣文获得了1997年的诺贝尔物理学奖。

教师提问:大家有什么感想？

学生：……

教师点评：华人科学家在粒子领域有着众多举世瞩目的贡献，我们要向他们学习，努力学习科学知识，争取为世界科学贡献自己一份力量。

粒子的分类及分类依据

目前已经发现的400多种粒子，非常庞大的数量，可以给它们

分类。

学生的爱国主义情感、民族自豪感和使命感。

教师提问：那它们的分类依据是什么？

学生自习回答：由于相互作用分类。

分组讨论环节，旨在让学生认识到创新精神、质疑品质的宝贵。

教师介绍：引力子特别要提一下。引力子，又称重力子，在物理学中是一个传递引力的假想粒子（目前仍未知是否真正存在）。两个物体之间的引力可以归结为构成这两个物体的粒子之间的引力子交换。

分组讨论：对原子的认识花了2000年左右，而后来大量粒子的发现只用了100年左右，对此你有何感想？（两分钟时间）

教师点评：

(1)观念的突破。人们以一种开放的姿态面对知识,除了接受更要学会质疑和创新,这是人类和科技不断进步的源泉。以阴极射线研究为例,说明在研究40年当中,为什么发现电子的殊荣会属于汤姆孙,这其中就充分体现了他的观念的突破。

(2)研究方法的不断完善。作为实验为基础的物理学科,粒子物理学家提出的粒子模型必须要通过实验的检验。这也是几百年来粒子物理学快速发展的重要因素。

(3)研究工具的不断进步。“工欲善其事,必先利其器”,科学家们为了敲开粒子的大门,就必须有先进的实验仪器。为此,科学家发明了粒子加速器、对撞机。同时，顺便介绍下粒子加速器和对撞机，特别强调我国在这块领域的情况。

（三）宇一、导入

024

宙的演化

播放视频，从10m到10m之间，跨越个人、地球、太阳系、

和恒星的演化

银河系……（2min）

教师提问：世界很大，我们把视野放到宇宙中。有一个问题就是，宇宙是怎么诞生的？

学生：宇宙大爆炸。

播放介绍宇宙大爆炸理论的视频（5min）,接着呈现下图：

在学生展示宇宙演化过程中,着重介绍从太阳系到地球诞生、生命诞生以及人类的诞生的历史。（板书）

让学生自习书本，自主总结恒星的演化史（2min）。

交流讨论：“寄蜉蝣于天地，渺沧海之一粟。哀吾生之须臾，羡长江之无穷”古人叹息相信你们会有更深的体会。人类的发展史在宇宙演变中只是沧海一粟，人的寿命更是微乎其微，也许这就是生命的意义，你作何感想？（21人分为四组，讨论1~2min）

学生回答的同时教师进行点评。引导学生明白人的生命是有限的,但是人的知识是无限的,我们可以凭借知识一代代的传承,使我们的生命得到永恒，这也是对子孙后代的一种贡献。同时也要认识到人类虽然在物理学上发现了很多,但对宇宙而言,人类目前还知之甚少。因此人类还要不断奋斗,将知识一代代传下去，以更好地探索未知。

教师总结：研究微观世界的粒子物理和宇宙大爆炸的理论是相互沟通，相互支撑的，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。粒子物理和宇宙学终将殊途同归。

讨论环节主要是让学生知道人类的渺小和伟大的辩证思想。

（四）作业布置

完成作业本《粒子与宇宙》相关作业。

（五）板书设计