8　粒子和宇宙教学设计

过去

现在

未来

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

3．初步认识宇宙有的发展规律，知道物理学是研究这些规律的学科。

（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。

3．让学生了解因果关系，知道万事万物都有前因后果。

★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。

★教学用具：

1．Internet网络素材、报刊杂志、影视媒体等。

2．多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件（基于网络环境）播放等。

★课时安排

1 课时

★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，我们必须知道宇宙的形成，从多普勒效应入手，使学生更好的理红移效应。

学生：当波源与观察者有相对运动时，如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小。

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：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做多普勒效应．

学生回忆并回答：当发声物体向你驶来时，感觉音调变高；当发声物体离你远去时，感觉音调变低（音调由频率决定，频率高音调高；频率低音调低）．

点评：引起学生回忆旧知识并巩固知识。

（二）进行新课

1．多普勒效应

教师：现象：当发声物体向你驶来时，感觉音调变高；当发声物体离你远去时，感觉音调变低（音调由频率决定，频率高音调高；频率低音调低．多普勒效应：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做多普勒效应．

2．红移效应

教师：红移效应是多普勒效应的一个方面。当一个发光体离你远去时，你接收到它发出光的频率变低的现象叫红移。相对的当它向你靠近，接收到光的频率变高的现象叫蓝移。大自然七色光中频率最低的光是红光，频率高的光是蓝光（紫光最高），所以叫“红移”和“蓝移”。

早在1929年，天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）。对遥远星系光线特征的研究他注意到，远星系的颜色比近星系的要稍红些。他发现，星系离我们越远，它就显得越红

思考下面的问题：

（1）哈勃发现这个现象后，可能在想什么？

（2）大家能联想到什么？

在老师的引导下学生分组谈论。

学生回答：

无论地球上观察，还是在其它星球上观察，都可以观察到其它星球都在远离观察点而去，这是宇宙膨胀的结果。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。

3．宇宙——从何而来？

学生：大爆炸理论

(The Big Bang Theory)宇宙从一个“奇点”爆炸产生。大爆炸是在无限的宇宙各处同时产生时间的零点

教师：根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。

4．大爆炸过程

1948年美国物理学家伽莫夫（George Gamow, 1904~1968）、阿尔法、贝特等人发挥了勒梅特的思想，把宇宙的膨胀于物质的演化联系起来，提出了“大爆炸宇宙模型”。因为它能较多他说明现时所观测到的事实，所以成为目前影响最大的宇宙学说。由于伽莫夫、阿尔法、贝特三人的姓恰好是希腊字母的

，因而被后人幽默的代表宇宙之始。

5．宇宙大爆炸的描述

1、

大爆炸——∞K——量子涨落

2、

普朗克时间——10^32 K——GUT大统一/第一次对称破缺

3、

10^-35秒——10^28 K——暴胀、弱电统一、夸克-反夸克主导时期

4、

10^-10秒——10^15 K——轻子形成

5、

0.01秒——10^11K——重子形成

6、

0.1秒——3×10^10K——中子衰变

7、

1秒——10^10K——质子/中子被强核力束缚形成氘核

8、

13.8秒——3×10^9K——氢核聚变成其它重原子核

9、

3分钟——10^9K——物质和辐射耦合在一起

10、300000年——3000K——电子和核束缚在一起，物质和辐射去耦

11、10亿年——3000K——恒星形成

12、100亿年——10K——原子链接形成有机分子

13、120亿年——3K——生命形成

14、120年～150亿年——2.7K——生物进化

15、10^18年——10^-7K——黑洞-霍金辐射主导时期

16、10^24年～10^32年——10^-15K——质子衰变

17、10^100年——0K——黑洞衰变/热寂

伽莫夫和他的支持者预言，大爆炸中所产生的辐射在遥远的宇宙空间里必定仍然存在，大约相当于10K左右。后来3K宇宙背景辐射的发现给了人们很大的鼓舞，因为它使爆炸宇宙模型的这个预言成为真实。当然，大爆炸宇宙模型也同样存在着许多尚待解决的疑难，它终究还只是一种假说。

6．大爆炸理论的证据

(1).宇宙的年龄

如果星系目前正在彼此远离，那它们过去必定靠得更近，也就是说，较早时代的宇宙，物质密度会更高。继续这一推理就意味着过去必定存在一个时刻，那时宇宙中的物质处于极其高密的状态。按照哈勃定律将星系的距离除以各自的速度，就可估计出那一时刻距今约100—200亿年。这段时间对所有星系来说是共同的，事实上它就是哈勃常数的倒数。那一时刻通常被称为“大爆炸”时刻，也就是我们宇宙的开端。如果这一推论不错，那么宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙年龄”所界定的上限。

借助卢瑟福所开创的利用物质中放射性同位素含量测定其形成年代的方法，人们测量了地球上最古老的岩石、“阿波罗11号”宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石样本，发现它们的年龄均不超过47亿年。

恒星的年龄可以从它们的发光功率和拥有的燃料储备来估计。根据热核反应提供恒星能源的理论，人们估算出银河系中最老恒星的年龄约为100—150亿年。

用上述两种完全不同的方法得到的天体年龄竞与“宇宙年龄”协调一致，这对大爆炸宇宙模型当然是十分有力的支持。

(2).轻元素的丰度

在大爆炸后一秒钟以前，宇宙不仅不可能存在星系、恒星，地球，甚至除氢核外也没有其他化学元素，只有处于热平衡状态下的由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成的“宇宙汤”。起初，中子和质子的数量几乎相等，随着温度的降低，两者的比例逐渐下降，在约3分钟时达到1:6左右。当温度降到10亿K时，中子和质子合成氘核的反应开始，类似氢弹爆炸时发生的聚变过程迅速把所有的中子合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中。由此不难算出，氦同氢的质量比应为1:4。

天文观测表明，无论宇宙的哪个角落，无论恒星还是星际物质中，氦与氢的比例均大体与此相符。同一时期合成的氘、氚、锂、铍、硼等轻元素，尽管数量小的多，但它们的丰度（即与氢的比例）也具有类似的普适性。这对大爆炸模型无疑又是一个有力的支持。

(3).微波背景辐射

大爆炸模型的另一个重要遗迹是微波背景辐射。前面说过，大爆炸后最初几分钟，宇宙就像一个氢弹爆炸时产生的火球，处处充满了温度高达10亿k的光辐射。因为处于热平衡中，这种辐射强度随波长的分布服从普朗克分布（或称黑体谱）。随着宇宙的膨胀，辐射温度不断下降，但始终保持黑体谱形和总体均勾性。按伽莫夫等人的计算，作为这种过程的遗迹，目前的宇宙中应普遍存在温度约3k的背景黑体辐射。由于这辐射的峰值波长在1毫米附近，处于微波波段，故又称为微波背景辐射。令人遗憾的是，这一重要预言在提出后的10多年中竟未引起人们的认真关注。直到1964年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊用一架卫星通讯天线在7.35厘米波长处探测到一种来自宇宙空间的强度与方向无关的信号时，他们起初并不清楚自己发现的意义。后来普林斯顿大学的皮伯斯等得知这一消息，才认识到这正是他们“踏破铁鞋无觅处”的宇宙背景辐射。为了最后“验明正身”，20多年来，全世界天文学家对这种辐射的谱分布和方向进行了大规模的调查，形势逐渐明朗。1989年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探测者卫星，第一批测量数据表明：在从0.5毫米到5毫米的整个波段上，该辐射的谱分布与温度为2.735±0.06k的理想黑体完全相合；在扣除运动效应以后，天空不同方向的相对误差小于十万分之一。这就无容置疑地证明了微波背景辐射的黑体性和普适性。它是热大爆炸模型最令人信服的证据，这一发现在现代宇宙学史上的地位只有宇宙膨胀的发现可以与之相比。如果说，哈勃的发现打开了宇宙整体动力学演化研究的大门，那么彭齐亚斯和威尔逊的发现则打开了宇宙整体物理演化研究的大门。

7．总结

有因才有果，宇宙有自己的发展规律，物理学是研究这些规律的学科。为了弄清现在物体所遵循的客观规律，我们得知道过去所发生的事情，如此才好预测将来的发展趋势。

附：

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观经济，删繁就简，才能判断趋势；

观时事，正本溯源，才能明辨是非；

观历史，去伪存真，才能看清未来；

观世界，知行合一，才能洞察真相。