8　粒子和宇宙教学设计和教学实录

选修3-5第十九章

第8节

粒子和宇宙

《链式问题组，打造物理慧课堂》

<<19.8 粒子和宇宙>>教案

高级中学

李俊娇

三维目标：

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

过程和方法

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．培养学生的科学素养，激发学生探究科学的兴趣，激励学生为科技中国、科技东莞而奋斗！

教学重点：

了解构成物质的粒子和宇宙演化过程，激发学生探究科学的兴趣，激励学生为科技中国、科技东莞而奋斗！

教具：Internet网络素材、影视媒体、网上在线测试、课后“杰问答”平台等。

课前活动：组织了6个课题小组（①“恒星演化”组、②“华人科学家”组③

“爱因斯坦”组、④

“霍金”组、⑤“散裂中子源”组、⑥“核能”组）查阅研究与粒子物理相关的前沿科技应用及近代科学家的资料。

教学过程：

（一）引入新课

先请同学们观看一段视频（“国之重器！中国首台散裂中子源在莞建成!世界仅四台！”的视频）！

学生活动：观看视频

点评引入：看完这段视频是不是有着满满的自豪感？我们国家建成了继美英日之后的第四台散裂中子源，而且就建在我们东莞市大朗镇水平村！视频中陈和生院士用了“弹珠撞网”

的通俗比方让我们形象理解“如何利用中子去分析物质的微观结构。中子散射被喻为“超级显微镜”帮助人类去探索肉眼所难见的微观大世界。通过前面对原子原子核的学习我们已经初步了解组成物质的一些微粒，让我们先简单回顾一下……（利用本土信息激发学生的自豪感，调动学生的求知欲。）

（二）新课讲授

1、科学家与粒子的发现（问题导学完成）

①1808年，道尔顿提出 论，直到19世纪末，人们都认为原子是不可分的最小微粒。

②1897年，汤姆逊通过研究阴极射线而发现

，并测出了

的荷质比，表明原子是可分的。

③1919年，卢瑟福用粒子轰击氮核发现

，并猜想

的存在。

④1932年，查德威克用粒子轰击铍核发现

。

⑤1964年，盖尔曼提出

模型。

点评：前4点是学生了解的最小粒子，所以“夸克”的提出引起了学生的兴趣。

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粒子和宇宙

2．夸克模型

教师：那么什么是夸克呢？

请学生看教材（第92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能进步。

3．粒子的分类

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。

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？

（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…

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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。

使得科学得到进一步的发展。

课堂互动：学生用手机扫码完成两个课堂练习，教师利用手机现时回收答题情况，精准把握学生对课堂内容的掌握数据，针对性点评。

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、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。

阅读教材（第92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）→[来源学+科+网Z+X+X+K][来源学科网ZXXK]

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→冷却，出现了宇宙尘埃开始发光→一颗恒星诞生。

密集尘埃→星云团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：

如果恒星原来的质量约为1～8倍太阳质量，大量抛射质量后，剩余质量小于太阳1.4倍→白矮星

如果恒星原来的质量约为10～20倍太阳质量，大量抛射质量后，剩余质量是太阳1.4~2倍→中子星

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93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。

3 温度升高万有引力作用

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粒子和宇宙

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。

（三）选2个课题小组上台分享该小组的成果并观看视频《“80后”科学家回国助推散裂中子源产业化应用》

1．“恒星演化”组

2．“华人科学家”组

学生代表：上台发言。

点评：发挥学生的主观能动性，激发学生对前沿科学的兴趣，激励学生为科技中国、科技东莞而奋斗！帮助他们树立远大理想！

（四）周末作业：

1、继续查阅自己感兴趣的有关粒子物理领域的更多资料并上“杰问答”与老师同学交流。

2、扫码完成“原子核测试题”。

（五）板书设计

1．“基本粒子

”的发现与科学家

2．夸克模型

3．粒子的分类

4．宇宙的演化

5．恒星的演化

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