8　粒子和宇宙名师教学视频（文字实录）

人教版物理选修3-5第十九章

第8节 粒子与宇宙

学

习

目

标

知识与技能

1、了解人类认识粒子、认识宇宙的过程

2、了解标准模型，知道质子、中子是由夸克构成的、反粒子和正粒子的异同

3、了解宇宙大爆炸理论

4、了解恒星的演化

过程与方法

1、培养学生科学阅读和归纳概括的能力

2、培养学生团队协作能力

3、引导学生认识物理学科的科学精神

情感、态度与价值观

1、通过教材及拓展材料的学习，激发学生学习物理、探索宇宙未知领域的兴趣

2、通过学习体会到人类认识自然的过程不是一帆风顺，而是不断提升的过程

3、通过华裔科学家在粒子领域的研究培养学生的民族自豪感和爱国情怀

预习任务

1、阅读教材第95-98页

2、阅读补充材料：标准粒子模型，太阳的演化，宇宙大爆炸

预习问题

1、为什么质子、中子不再被称作“基本粒子”？

2、科学家是通过什么途径认识到除了电子、质子、中子外自然界还有很多类型的粒子？

3、粒子和它的反粒子有什么相同点和不同点？

4、夸克模型有哪些？

5、简述宇宙大爆炸理论

6、简述太阳的演化过程

7、在粒子研究中有哪些华裔科学家做出了杰出贡献？

新课导入

教师：2019年的春节，在我国科幻电影史上一部具有里程碑意义的电影《流浪地球》引起了全国乃至全球媒体的高度关注，影片描述了太阳进入急速衰老期，不断膨胀的太阳将会吞没整个地球。为了自救，人类提出一个名为“流浪地球”的大胆计划，集全球之力在地球表面建造上万座发动机，推动地球离开太阳系。这部电影所反映的宏大构想表现了中国人对“家”的特有情怀和对人类共同命运的责任担当，可谓是第一次在世界科幻电影届呐喊出不同于西方思维的“中国声音”。我们一起来欣赏一下这部电影的片段。

观看视频：《流浪地球》片段

教师：那么太阳真的会衰老吗？衰老后的太阳会走向何方？地球会和电影里描述的一样遇到灾难吗？今天这节课学完之后，我们会从中寻找到一些答案。

教师：在正式开始学习之前，我们先来看这幅图，一条咬

着自己尾巴的蛇蕴含了什么样的寓意？有没有同学

知道？

学生思考

教师：人类对自然界的认识是从我们身边熟悉的事物朝

大、小两个方向开始的，小到原子内部的基本粒

子，大到星系、宇宙。随着研究的深入，科学家

发现对宇宙的观测和已有的认知出现了矛盾。2003年，美国国家航天局威尔金森微波各向异性

探测器对天空进行扫描，记录下宇宙中不同区域的温度，观测数据发现现在人类已知的物质只

1

课前预习

新课教学

新课教学

占到宇宙的4%，现有的元素质量之和无法支撑当前的宇宙，这说明还有96%我们未知的物质， 科学家把它们称作“暗物质”、“暗能量”。什么是暗物质？什么是暗能量？科学家陷入困境。

要研究清楚暗物质、暗能量是什么，就需要回到原子内部和宇宙诞生之初去寻找答案，正应了“物极必反”这句话，对大尺度的宇宙的研究竟然回到了对微小粒子的研究，一条蛇完美的咬住了自己的尾巴。下面，我们就从微小粒子的发现过程说起。

一、标准粒子模型

1、从“基本粒子”不再基本说起

提出问题：最初，科学家将质子、中子、电子这些构成原子的粒子称作“基本粒子”，为什么现在质

子、中子不再被称作“基本粒子”呢？

学生回答：一是科学家发现了很多新的粒子不是由质子、中子构成的，二是质子、中子还有内部结构

教师：

回顾历史，我们不难发现人类认识自然界的过程是有一个循序渐进的过程，从最初认识的电子、质子、中子，到现在，人们已经发现了430多种粒子，基于对这些粒子的研究，科学家不断修正建立起的物质模型。

由于时间的限制，我没有总结完，感兴趣的同学可以按照“when，who，what”的思路进行梳理，有能力的同学还可以加入“how”，看看科学家们具体是通过什么方法进行研究的。

提出问题：通过阅读课本，同学们是否注意到科学家是通过什么途径认识到除了电子、质子、中子外自然界还有很多类型的粒子？

学生回答：宇宙射线和粒子加速器

教师：一方面，科学家通过建立地面观测站和发射人造卫星来探测宇宙射线中携带的粒子，如中国高能物理所负责的西藏羊八井宇宙射线探测器阵列，是目前世界上海拔最高、最先进的宇宙射线探测基地之一。2015年12月，我国发射的暗物质粒子探测卫星“悟空”号，到2016年3月，悟空号在轨飞行92天，共探测到4.6亿个高能粒子。

另一方面，通过建造粒子加速器开展粒子对撞实验，科学家可以在实验室里捕捉到一些粒子。例如，目前世界上最大的强子对撞机LHC位于瑞士和法国的交界，这是2008年由34个国家投资约80亿美元兴建的，有60余名中国科学家参与了强子对撞机实验。LHC将在质量起源、粒子问题、宇宙构成及起源、反物质和是否存在空间额外维度等方面开展研究。

做一个形象的比喻，观测宇宙射线，就好像“撒网捕鱼”，而开展粒子撞击实验，更像是“敲骨吸髓”，敲得越碎，蹦出来的粒子越多。

2、粒子与反粒子

提出问题：

在对新粒子的研究中，科学家发现有一类和我们已知的粒子很“相似”。1932年，美国物理学家安德森用云室在宇宙射线中找到了正电子，那么什么是“正电子”？

学生：正电子是带正电的电子，和电子的质量相同，带1个单位的基本电荷，它是电子的反粒子。

教师：1928年英国物理学家狄拉克预言自然界存在反物质，它和正物质具有相同的质量，相反的电荷，随后20多年的时间里，人们不断发现了正电子、反质子、反中子，随后又发现了许多粒子的反粒子。就像质子、中子、电子可以构成原子一样，这些反粒子也可以构成反物质，就好像平面镜里影像，但当正物质与反物质接触，会发生湮灭，释放出比核聚变更彻底的巨大能量。

3、标准粒子模型中的粒子类型

教师：当人们发现众多的粒子之后，需要建立起一套理论来加以解释，标准模型(英语:Standard Model)就是这样一套用于描述物质间基本作用力及物质组成的理论。在标准模型理论中，构成物质的有两类粒子，一种是强子，一种是轻子，还有一类粒子，负责传递相互作用，叫媒介子（也叫传播子），这种理论认为物质间的相互作用是通过交换“粒子”实现的。

演示实验：教师和学生之间传递篮球

交换光子，物质间就发生电磁相互作用，

交换中间玻色子，物质间就发生弱相互作用，

交换胶子，物质间就发生强相互作用。

2

新课教学

同样的原理，人们预测，物质间的引力作用是通过交换引力子，但是引力子到目前还没有被证实。还有一种粒子，叫希格斯粒子，它是用来解释质量的起源的粒子，2013年被实验证实，中国科学家团队在希格斯粒子的研究中发挥了重要的作用，得到国家科技部的表彰。

小结：

强子：参与强相互作用，如质子、中子、介子等，由夸克构成，

强子可分为介子和重子（如质子、中子）；

轻子：不参与强相互作用，如电子、μ子、τ子等，不可再分，轻子的质量不一定小于强子；

媒介子：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，W+、W-和Z（中间）玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。

课堂练习：

将下列词语填入合适的位置

：

：电磁相互作用

：弱相互作用

：强相互作用

原子

分子

强子

媒介子

中间玻色子

光子

电子、μ子、τ子、中微子

重子

质子

中子

介子

胶子

轻子

夸克

4、夸克

教师：科学家通过实验发现强子存在内部结构，1964年美国物理学家盖尔曼提出了夸克模型，他认为质子之类的粒子是由更基本的夸克组成。夸克与所有已知的亚原子粒子不同，它们带有分数电荷，例如：+2/3或-1/3。并且，夸克都是两两成对、或三三成群，永远不可能单独地被观测到，这种现象称之为“夸克禁闭”。随后，从1967年-1995年，六种夸克被相继发现。1969年，盖尔曼获得诺贝尔奖，2019年5月24日，盖尔曼辞世，享年89岁。

中子是由udd三个夸克构成，分别是+2/3-1/3-1/3=0 质子是由uud三个夸克构成，它的带电量是？+2/3+2/3-1/3=+1 象质子、中子这样的强子都是三夸克结构，介子是两夸克结构，它很不稳定

有同学可能会有疑问，为什么质子不能是ccs或者ttb组合？不仅要看电荷，还要考虑质量。

小结：



夸克带2/3或1/3电荷



夸克不能单独存在，而是以3个、2个等组合形式出现



夸克有六种，每种都有反粒子



质子、中子是3夸克结构，介子是2夸克结构



粒子和反粒子的夸克结构相反

二、宇宙大爆炸

教师：夸克理论是1964年提出来的，1967-1977年的10年里，五种夸克相继被证实。但直到18年

后，1995年，美国费米实验室才证实了顶夸克的存在。这是为什么呢？

学生思考

教师：这是因为顶夸克的质量非常大，它要求我们把粒子加速到非常高的能量，才能从碰撞中发现顶夸克，在这一过程中，一部分能量转化成质量。同样，我们要进一步研究清楚暗物质、暗能量是什么，就需要到原子内部和宇宙诞生之初去寻找答案，而我们研究的方法一是观测宇宙，二是不断提升粒子加速度器的能级，从而提升温度，尽量模拟宇宙诞生之初的情景。

3

新课教学

2015年，世界上最大的大型强子对撞机已经可以把质子加速到7x1012eV，温度达到1012 K,相当于宇宙之初百万分之一秒的情况。那么，宇宙是如何诞生的？宇宙形成之初又发生了哪些事情？我们一起来看一段短片。

观看视频：宇宙的演化

课堂练习：

请同学阅读课本，补充下列表格

时间

10s 10s

1万年后

10万年后

-6-44温度

10K 10K 10K 10K 10K 3000 K 4 9 11 13 32 宇宙演化过程

产生夸克、轻子、胶子等粒子

夸克构成质子和中子等强子

自由光子、中微子、电子等轻子大量出现

中子和质子结合成氘核，生成氦核、氚核等轻核

电子、质子、氦核构成混合电离气体

电子、质子组合成氢原子

强子时代

轻子时代

核合成时代

教师：宇宙大爆炸理论提出，我们的宇宙是一个四维时空，它从一个奇点开始以难以置信的速度急速−44−35膨胀，时间从普朗克时间（5.39121 × 10s）开始，空间从普朗克长度（1.616252×10 m）开始演化，宇宙随着空间的膨胀，温度不断降低，从最初的纯能量状态逐渐产生了有质量的粒子，这些粒子通过强、弱相互作用组合成质子、中子等强子，随后又产生了电子、中微子等大量轻子，在经历了物质和反物质的不断湮灭后，多余的质子、中子组合成氘核、氚核、氦核，由于温度过高，电子速度太快，这时还无法形成原子。当温度进一步降低，电子速度减慢，这时原子核通过电磁作用俘获电子结合成中性的原子，宇宙形成的第一个阶段告一段落。

教师：宇宙大爆炸理论建立在物理定律的普适性和宇宙学原理两个基本假设之上。今天，许多观测现象都支持大爆炸理论，如从星系红移、宇宙微波背景辐射、宇宙轻元素的丰度、大尺度结构和星系演化。

38万年以后，宇宙中充满了中性原子，宇宙开始进入恒星、星系形成的新篇章。我们通过一个短片看一下恒星的演化过程。

三、恒星的演化

观看视频：恒星的演化过程

课堂练习：

将下列词语填入合适的位置

>20M日

衰老期

稳定期

氦核聚变

碳核聚变

......

1-8M日

超巨星

红巨星

10-20M日

4

星云团

恒星

宇宙尘埃

白矮星

黑洞

中子星

氢核聚变

引力作用

向外的压力与向内的引力平衡

引力减小，内核收缩，外壳膨胀

教师：在恒星形成过程中，引力扮演了不可替代的作用，由于物质分布的不均匀，密度大的区域会产生更大的引力，将中性原子构成的宇宙尘埃聚集在一起，越聚越多，象滚雪球一样，形成气态的星云团。星云团收缩过程中，引力势能转化为内能，星云团的温度不断升高，当温度和氢原子密度达到足够高的程度，在恒星内部发生氢核聚变，一颗恒星诞生了。随着太阳质量的减少，太阳的外层不断扩大，内核不断收缩，太阳的表面温度不断下降，从现在的黄白光变成红色光，太阳会变成红巨星。大约10亿年后，太阳的外层散去，内核收缩，塌陷成一颗体积较小、密633度超高的白矮星，白矮星的密度高达10g/cm（地球密度为5.5g/cm），这时的太阳表面温度可以达到上万度。而一些大于10倍、20倍太阳质量的大恒星将会演化成密度更大的中子星和神秘的黑洞。当然，这不代表终结，而是下一代恒星形成的开始。关于它们的知识，感兴趣的同学可以在课下观看我给大家提供的拓展视频。

通过今天的学习，我们能够认识到，太阳的老化是一种必然结果，但它将是一个持续上百万年、乃至上亿年的漫长过程，电影里描述的老化过程是以百年计算，显然不符合科学。但未来的人类必须要面对这种困境，好在目前太阳正处于稳定的中年期，还有几十亿年可以去考虑解决办法。

教师：宇宙奇妙而又神秘的，从微观粒子的发现过程到大型强子对撞机实验，中国人都没有缺席过，从赵忠尧、王淦昌、杨振宁、李政道、到吴健雄、丁肇中以及今天的许许多多的中国科学家。

随着我国经济水平的提升，中国政府在航天、基础物理研究方面的投入越来越大，嫦娥卫星、神州飞船、天宫空间站、天眼工程、天琴计划，相信未来中国人将会在探索未知宇宙的道路上留下深刻的足迹，我也衷心希望并期待我们的同学中能有人参与其中。

当然，无论大家未来是否会从事与物理相关的工作，我都希望各位能从物理课堂上学习到物理精神，那就是，仰望星空，脚踏实地，大胆假设，谨慎求证。

板书一. 标准模型

设二. 宇宙大爆炸

计

三. 恒星的演化

课后练习

§18 粒子与宇宙

1、粒子和它的反粒子具有相同的

，相反的

。

2、属于强子的有（

）

A 原子

B 质子

C中子

D电子

F夸克

3、夸克的带电量可能是（

）

A +1e

B +1/3e

C -1/3e

D -2/3e 4、宇宙膨胀的过程中温度不断

，能量转化成有

的粒子。

5、宇宙尘埃是在

力作用下聚集到一起，在这一过程中

能转化成

能，温度升高。

6、当恒星的内部达到一定条件时，发生氢核

，释放出大量的能量。当向外扩张的

和向内收缩的

达到平衡时，恒星进入稳定期。

7、太阳大小的恒星最终将演变成

，10倍太阳质量的恒星将演化成

，20倍太阳质量以上的大恒星将演变成

。

8、利用课余时间观看拓展阅读材料，提出一个你感兴趣的问题。

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