2022年高中物理 第四章4.7 《小粒子與大宇宙》教案 粵教版選修3-5

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1、2022年高中物理 第四章4.7 《小粒子與大宇宙》教案 粵教版選修3-5 ★新課標要求 （一）知識與技能 1．了解構成物質(zhì)的“基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史 2．初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統(tǒng)一 （二）過程與方法 1．感知人類（科學家）探究宇宙奧秘的過程和方法 2．能夠突破傳統(tǒng)思維重新認識客觀物質(zhì)世界 （三）情感、態(tài)度與價值觀 1．讓學生真正感受到自然的和諧統(tǒng)一并深知創(chuàng)建和諧社會的必要性。 2．培養(yǎng)學生的科學探索精神。 ★教學重點 了解構成物質(zhì)的粒子和宇宙演化過程 ★教學難點 各種微觀粒子模型的理解 ★教學方法 教師啟發(fā)、引導，學生討論、交流。 ★

2、教學用具： 1．Internet網(wǎng)絡素材、報刊雜志、影視媒體等。 2．多媒體教學設備一套：可供實物投影、放像、課件（基于網(wǎng)絡環(huán)境）播放等。 ★課時安排 1 課時 ★教學過程 （一）引入新課 教師：宇宙的起源一直是天文學中困難而又有啟發(fā)性的問題。宇宙學中大爆炸論的基本觀點是宇宙正在膨脹，要了解宇宙更早期的情況，我們必須研究組成物質(zhì)的基本粒子。 問題：現(xiàn)在我們所知的構成物體的最小微粒是什么？ 學生：構成物體的最小微粒為“原子”（不可再分）。 點評：從宇宙的起源角度去引起對物質(zhì)構的粒子的了解，激發(fā)學生的興趣，積極回答。 教師：其實直到19世紀末，人們都認為原子是組成物質(zhì)不可分

3、的最小微粒。20世紀初人們發(fā)現(xiàn)了電子，并認為原子并不是不可以再分，而且提出了原子結(jié)構模型的研究。 問題：現(xiàn)在我們認為原子是什么結(jié)構模型，由什么組成？ 學生回憶并回答：現(xiàn)在我們認為原子是核式結(jié)構，說明原子可再分，原子核由質(zhì)子與中子構成。 點評：引起學生回憶舊知識并鞏固知識。 （二）進行新課 1．“基本”粒子 “不” 基本 教師：1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，1911年盧瑟福提出原子的核式結(jié)構。繼而我們發(fā)現(xiàn)了光子，并認為“光子、電子、質(zhì)子、中子”是組成物質(zhì)的不可再分的粒子，所以把它們叫“基本粒子”。那么隨著科學技術的發(fā)展“它們”還是不是真正意義上的“基本”粒子呢？ 學生思考并驚奇。 點

4、評：因為學生所能了解的最小粒子只有這些，所以這節(jié)課引起了學生的興趣。 （可以不按教材順序介紹，接著介紹新粒子的發(fā)現(xiàn)） 2．發(fā)現(xiàn)新粒子 教師：20世紀30年代以來，人們對宇宙線的研究中發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子。 思考下面的問題： （1）從宇宙線中發(fā)現(xiàn)了哪些粒子？這些粒子有什么特點？ （2）通過科學核物理實驗又發(fā)現(xiàn)了哪些粒子？ （3）什么是反粒子？ （4）現(xiàn)在可以將粒子分為哪幾類？ 在老師的引導下學生帶著問題閱讀教材。 學生回答： （1）1932年發(fā)現(xiàn)正電子；1937年發(fā)現(xiàn)μ子；1947年發(fā)現(xiàn)K介子與π介子 （2）實驗中發(fā)現(xiàn)了許多反粒子，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的粒子多達400多種。 （3）許

5、多粒子都存在著質(zhì)量與它相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反的粒子，叫做反粒子。 （4）按粒子與各種相互作用的關系，可分為三大類：強子、輕子和媒介子。 教師（講授評析）： 強子：是參與強相互作用的粒子。 （強子又分為介子和重子） 輕子：輕子是不參與強相互作用的粒子。 媒介子：傳遞各種相互作用的粒子。 學生舉例： 強子：質(zhì)子、中子… 輕子：電子、電子中微子 媒介子：光子、膠子… 點評：激發(fā)學生了解相關知識，更進一步了解這個世界。比較三類粒子，讓學生形成直觀的認識，知道三類粒子的主要作用。 3．夸克模型 問：上述粒子是不是最小單位，有沒有內(nèi)部結(jié)構呢？ 學生：在老師的引導下學生帶

6、著問題閱讀教材。 教師：1964年提出夸克模型，認為強子由更基本的成分組成，這種成分叫做夸克（quark）?？淇四Ｐ徒?jīng)過幾十年的發(fā)展，已被多數(shù)物理學家接受。 那么，現(xiàn)代科學認為夸克有哪幾種？有什么特征？ 學生回答： （1）上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克。 （2）夸克帶電荷為元電荷的或倍 點評：提示學生現(xiàn)代科學不僅發(fā)現(xiàn)6種夸克而且發(fā)現(xiàn)了反夸克存在的證據(jù)。使學生知道知識的學習和科學的探究是無止境的。 教師（提示）：科學家們還未捕捉到自由的夸克?？淇瞬荒芤宰杂傻臓顟B(tài)單個出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克的“禁閉”。能否解放被禁閉的夸克，是物理學發(fā)展面臨的一個重大課題。 夸克模型

7、的提出是物理學發(fā)展中的一個重大突破，它指出電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分數(shù)電荷。而另一方面也說明科學正由于一個一個的突破才使得科學得到進一步的發(fā)展。 例：已知π+介子、π-介子都是由一個夸克（夸克u或夸克d）和一個反夸克（反夸克或反夸克）組成的，它們的帶電荷量如下表所示，表中e為元電荷。 π+ π- u d 帶電量 +e -e 下列說法正確的是（ ）（xx全國） A．π+由u和組成 B．π+由和d組成 C．π-由u和組成 D．π-由和d組成 解析：根據(jù)各種粒子帶電情況，π的帶應為u和d（“+”或“-”）所以選“AD” 歸納：

8、基本粒子不基本（列出框架圖） 點評：逐步突現(xiàn)物質(zhì)世界的微觀與宏觀的和諧統(tǒng)一。 粒子 媒介子 輕子 （6種） 強子 參與強作用 光子（傳遞電磁相互作用） 膠子（傳遞強相互作用） 電子 電子中微子 μ子和μ子中微子 子和子中微子 質(zhì)子 中子 介子 超子 上夸克 下夸克 奇夸克 粲夸克 底夸克 頂夸克 夸克 4．宇宙的演化、恒星的演化 前面我們提到要了解宇宙起源需了解物質(zhì)的組成的粒子，這是因為在物理學中研究微觀世界的粒子物理、量子理論，與研究宇宙的理論竟然相互溝通、相互支撐。

9、 點評：培養(yǎng)學生自學的習慣。學生簡單了解宇宙演化和恒星演化過程。 教師：講授“宇宙演化過程和恒星演化過程”： 宇宙大爆炸后，“粒子家族”（宇宙形成之初）： 10-44秒后，溫度1032K，產(chǎn)生夸克、輕子、膠子等→ 10-6秒后溫度1013K，夸克構成了質(zhì)子和中子等（強子時代）→ 溫度為1011K時，少量夸克，光子、大量中微子和電子存在（輕子時代）→ 溫度109K時進入核合成時代→ 溫度降到3000K時，電子與質(zhì)子復合成氫原子→ 冷卻，出現(xiàn)了宇宙塵埃 密集塵埃→ 星云團 開始發(fā)光→ 一顆恒星誕生。 恒星收縮升溫→ 熱核反應成氦→ 氫大部分聚變?yōu)楹ぁ? 收縮→ 氦

10、聚合成碳→… （類似）直到產(chǎn)生鐵元素。 恒星最后的歸宿： 恒星質(zhì)量小于太陽1.4倍→白矮星 恒星質(zhì)量是太陽1.4~2倍→中子性 恒星質(zhì)量更大時(無法抵抗)→黑洞 教師：引導學生閱讀課外材料“科學足跡”，課本第106頁“華人科學家在粒子物理領域的杰出貢獻”,了解科學發(fā)展史。 學生：了解華人對物理科學的貢獻，增強學生的愛國主義熱情和熱愛科學的高尚的道德情操。 點評：激發(fā)學生的求知欲，讓學生有一種探索科學奧秘的愿望。 5．課堂練習（可選為例題） 練習1、目前普遍認為，質(zhì)子和中子都由被稱為μ夸克和d夸克的兩類夸克組成，μ夸克帶電量為2e/3，d夸克帶電量為-e/3，e為元電荷，則下

11、列論斷可能的是（ ） A．質(zhì)子由1個μ夸克和1個d夸克組成，中子由1個μ夸克和2個d夸克組成 B．質(zhì)子由2個μ夸克和1個d夸克組成，中子由1個μ夸克和2個d夸克組成 C．質(zhì)子由1個μ夸克和2個d夸克組成，中子由2個μ夸克和1個d夸克組成 D．質(zhì)子由2個μ夸克和1個d夸克組成，中子由1個μ夸克和1個d夸克組成 答案：B 練習2、介子衰變方程為：→π-+πo其中介子和π-介子帶負的基元電荷，πo介子不帶電，如圖所示，一個介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圓弧Ap，衰變后產(chǎn)生的π-介子的軌跡為圓弧pB,兩軌跡在p點相切，它們半徑Rk-與Rπ-之比為2：1（πo介子的軌跡未畫

12、出）由此可知π-的動量大小與πo的動量大小之比為（ ） A．1：1 B．1：2 C．1：3 D．1：6 答案：C （三）課堂小結(jié) 1．知道組成物質(zhì)的粒子的發(fā)展史 2．了解粒子的種類及特點。 3．知道宇宙演化和恒星的演化過程 4．理解物質(zhì)世界粒子與宇宙的和諧統(tǒng)一。 學生：整理課堂筆記，進一步回憶鞏固所學知識。 點評：要求學生梳理知識，進行課堂小結(jié)。 （四）作業(yè)： （1）查找有關華人科學家在粒子物理領域的更多成果和事跡與其他同學交流。 （2）“問題與練習”中的1~2題。 ★教學體會 粒子和宇宙是近現(xiàn)代物理學重要內(nèi)容，讓學生了解人類對物質(zhì)結(jié)構的認識過程從而進一步認識到物質(zhì)世界的發(fā)展過程：粒子→宇宙。本節(jié)內(nèi)容有很多知識相對抽象，課堂教學以講授為主，并加以適當?shù)难a充介紹，使內(nèi)容更象形象。一方面讓學生了解科學知識，另一方面通過發(fā)展名的介紹（尤其是華人在粒子物理學方面的貢獻）激發(fā)學生愛國主義的精神，培養(yǎng)學生熱愛科學、熱愛自然的高尚的道德情操，并鼓勵他們?yōu)樽鎳?、為科學而努力學習，爭取更大貢獻。