8　粒子和宇宙教学目标

高二物理选修3-5 粒子和宇宙

★新课标要求

（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宇宙与粒子的和谐统一

（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．能够突破传统思维重新认识客观物质世界

（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

教师启发、引导，学生讨论、交流。

★教学过程

（一）引入新课

教师：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。

问题：现在我们所知的构成物体的最小微粒是什么？

学生：构成物体的最小微粒为“原子”（不可再分）。

点评：从宇宙的起源角度去引起对物质构的粒子的了解，激发学生的兴趣，积极回答。

教师：其实直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质不可分的最小微粒。20世纪初人们发现了电子，并认为原子并不是不可以再分，而且提出了原子结构模型的研究。

问题：现在我们认为原子是什么结构模型，由什么组成？

学生回忆并回答：现在我们认为原子是核式结构，说明原子可再分，原子核由质子与中子构成。

点评：引起学生回忆旧知识并巩固知识。

（二）进行新课

1．“基本”粒子

“不”

基本

教师：1897年汤姆生发现电子，1911年卢瑟福提出原子的核式结构。继而我们发现了光子，并认为“光子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子，所以把它们叫“基本粒子”。那么随着科学技术的发展“它们”还是不是真正意义上的“基本”粒子呢？

学生思考并惊奇。

点评：因为学生所能了解的最小粒子只有这些，所以这节课引起了学生的兴趣。

（可以不按教材顺序介绍，接着介绍新粒子的发现）

2．发现新粒子

教师：20世纪30年代以来，人们对宇宙线的研究中发现了一些新的粒子。

请学生看教材（103页“发现新粒子”）

思考下面的问题：

（1）从宇宙线中发现了哪些粒子？这些粒子有什么特点？

1

（2）通过科学核物理实验又发现了哪些粒子？

（3）什么是反粒子？

（4）现在可以将粒子分为哪几类？

在老师的引导下学生带着问题阅读教材。

学生回答：

（1）1932年发现正电子；1937年发现μ子；1947年发现K介子与π介子

（2）实验中发现了许多反粒子，现在发现的粒子多达400多种。

（3）许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其他一些物理性质相反的粒子，叫做反粒子。

（4）按粒子与各种相互作用的关系，可分为三大类：强子、轻子和媒介子。

教师（讲授评析）：

强子：是参与强相互作用的粒子。

（强子又分为介子和重子）

轻子：轻子是不参与强相互作用的粒子。

媒介子：传递各种相互作用的粒子。

学生举例：

强子：质子、中子…

轻子：电子、电子中微子

媒介子：光子、胶子…

点评：激发学生了解相关知识，更进一步了解这个世界。比较三类粒子，让学生形成直观的认识，知道三类粒子的主要作用。

3．夸克模型

问：上述粒子是不是最小单位，有没有内部结构呢？

请学生看教材（第104页“夸克模型”）

学生：在老师的引导下学生带着问题阅读教材。

教师：1964年提出夸克模型，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。

那么，现代科学认为夸克有哪几种？有什么特征？

学生回答：

（1）上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。

（2）夸克带电荷为元电荷的21或倍

33点评：提示学生现代科学不仅发现6种夸克而且发现了反夸克存在的证据。使学生知道知识的学习和科学的探究是无止境的。

教师（提示）：科学家们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，是物理学发展面临的一个重大课题。

夸克模型的提出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，即存在分数电荷。而另一方面也说明科学正由于一个一个的突破才使得科学得到进一步的发展。

例：已知π+介子、π-介子都是由一个夸克（夸克u或夸克d）和一个反夸克（反夸克u或反夸克d）组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷。

下列说法正确的是（

）（2005全国）

A．π+由u和d组成

B．π+由u和d组成

C．π-由u和d组成

D．π-由u和d组成

2

带电量

π+ π-

u 2e3

d 1e3

u

2e3

d

1e3

+e -e

解析：根据各种粒子带电情况，π的带应为u和d（“+”或“-”）所以选“AD”

归纳：基本粒子不基本（列出框架图）

点评：逐步突现物质世界的微观与宏观的和谐统一。

4．宇宙的演化、恒星的演化

前面我们提到要了解宇宙起源需了解物质的组成的粒子，

这是因为在物理学中研究微观世界的粒子物理、量子理

粒轻子

论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。

子

（6种）

阅读教材（第105页“宇宙演化”）并要求学生初步了

解宇宙演化的发展过程。

点评：培养学生自学的习惯。学生简单了解宇宙演化和

恒星演化过程。

教师：讲授“宇宙演化过程和恒星演化过程”：

宇宙大爆炸后，“粒子家族”（宇宙形成之初）：

10-44秒后，温度1032K，产生夸克、轻子、胶子等→

10-6秒后温度1013K，夸克构成了质子和中子等（强子时代）→

温度为1011K时，少量夸克，光子、大量中微子和电子存在（轻子时代）→

温度109K时进入核合成时代→

温度降到3000K时，电子与质子复合成氢原子→

强子

参与强作用

媒介子

光子（传递电磁相互作用）

胶子（传递强相互作用）

电子

电子中微子

μ子和μ子中微子

子和子中微子

质子

中子

介子

超子

夸克

上夸克

下夸克

奇夸克

粲夸克

底夸克

顶夸克

密集尘埃→星云团

开始发光→

冷却，出现了宇宙尘埃一颗恒星诞生。

恒星收缩升温→热核反应成氦→氢大部分聚变为氦→收缩→氦聚合成碳→…

（类似）直到产生铁元素。

恒星最后的归宿：

恒星质量小于太阳1.4倍→白矮星

恒星质量是太阳1.4~2倍→中子性

恒星质量更大时(无法抵抗)→黑洞

教师：引导学生阅读课外材料“科学足迹”，课本第106页“华人科学家在粒子物理领域的杰出贡献”,了解科学发展史。

学生：了解华人对物理科学的贡献，增强学生的爱国主义热情和热爱科学的高尚的道德情操。

点评：激发学生的求知欲，让学生有一种探索科学奥秘的愿望。

5．课堂练习（可选为例题）

练习1、目前普遍认为，质子和中子都由被称为μ夸克和d夸克的两类夸克组成，μ夸克带电量为2e/3，d夸克带电量为-e/3，e为元电荷，则下列论断可能的是（

B

）

A．质子由1个μ夸克和1个d夸克组成，中子由1个μ夸克和2个d夸克组成

B．质子由2个μ夸克和1个d夸克组成，中子由1个μ夸克和2个d夸克组成

C．质子由1个μ夸克和2个d夸克组成，中子由2个μ夸克和1个d夸克组成

D．质子由2个μ夸克和1个d夸克组成，中子由1个μ夸克和1个d夸克组成

练习2、K介子衰变方程为：K→π-+πo其中K介子和π-介子带负的基元电荷，πo介子不带电，如图所示，一个K介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧Ap，衰变后产生的π-介子的轨迹为圆弧pB,两轨迹在p点相切，它们半径Rk-与Rπ-之比为2：1（πo介子的轨迹未画出）由此可知π-的动量大小与πo的动量大小之比为（C ）

A．1：1

B．1：2

C．1：3

D．1：6 3

万有引力作用温度升高

（三）课堂小结

1．知道组成物质的粒子的发展史

2．了解粒子的种类及特点。

3．知道宇宙演化和恒星的演化过程

4．理解物质世界粒子与宇宙的和谐统一。

学生：整理课堂笔记，进一步回忆巩固所学知识。

点评：要求学生梳理知识，进行课堂小结。

★教学体会

粒子和宇宙是近现代物理学重要内容，让学生了解人类对物质结构的认识过程从而进一步认识到物质世界的发展过程：粒子→宇宙。本节内容有很多知识相对抽象，课堂教学以讲授为主，并加以适当的补充介绍，使内容更象形象。一方面让学生了解科学知识，另一方面通过发展名的介绍（尤其是华人在粒子物理学方面的贡献）激发学生爱国主义的精神，培养学生热爱科学、热爱自然的高尚的道德情操，并鼓励他们为祖国、为科学而努力学习，争取更大贡献。

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