教案 基本粒子

“基本粒子”與恒星演化

三維教學(xué)目標(biāo)

1、與技能

(1)了解構(gòu)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。

2、過程與

(1)感知人類(科學(xué)家)探究宇宙奧秘的過程和方法;

(2)能夠突破傳統(tǒng)重新認(rèn)識(shí)客觀物質(zhì)世界。

3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀

(1)讓真正感受到自然的和諧統(tǒng)一并深知?jiǎng)?chuàng)建和諧社會(huì)的必要性;

(2)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神。

教學(xué)重點(diǎn)：了解構(gòu)成物質(zhì)的粒子和宇宙演化過程

教學(xué)難點(diǎn)：各種微觀粒子模型的理解

教學(xué)方法：啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。

(一)引入新課

宇宙的起源一直是天文學(xué)中困難而又有啟發(fā)性的問題。宇宙學(xué)中大爆炸論的基本觀點(diǎn)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1：現(xiàn)在我們所知的構(gòu)成物體的最小微粒是什么?(構(gòu)成物體的最小微粒為“原子”，不可再分)

其實(shí)直到19世紀(jì)末，人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)不可分的最小微粒。20世紀(jì)初人們發(fā)現(xiàn)了電子，并認(rèn)為原子并不是不可以再分，而且提出了原子結(jié)構(gòu)模型的研究。

問題2：現(xiàn)在我們認(rèn)為原子是什么結(jié)構(gòu)模型，由什么組成?

現(xiàn)在我們認(rèn)為原子是核式結(jié)構(gòu)，說明原子可再分，原子核由質(zhì)子與中子構(gòu)成。

(二)進(jìn)行新課

1、“基本”粒子 “不” 基本

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(gòu)。繼而我們發(fā)現(xiàn)了光子，并認(rèn)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(xué)技術(shù)的發(fā)展“它們”還是不是真正意義上的“基本”粒子呢?

2、發(fā)現(xiàn)新粒子

20世紀(jì)30年代以來，人們對(duì)宇宙線的研究中發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子�？唇滩�(103頁“發(fā)現(xiàn)新粒子”)

思考：

(1)從宇宙線中發(fā)現(xiàn)了哪些粒子?這些粒子有什么特點(diǎn)?

(2)通過科學(xué)核物理實(shí)驗(yàn)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?

提示：

(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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了許多反粒子，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的粒子多達(dá)400多種。

(3)許多粒子都存在著質(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(guān)系，可分為三大類：強(qiáng)子、輕子和媒介子。

說明：

強(qiáng)子：是參與強(qiáng)相互作用的粒子。 (強(qiáng)子又分為介子和重子)

輕子：輕子是不參與強(qiáng)相互作用的粒子。

媒介子：傳遞各種相互作用的粒子。

舉例：

強(qiáng)子：質(zhì)子、中子…

輕子：電子、電子中微子

媒介子：光子、膠子…

激發(fā)學(xué)生了解相關(guān)知識(shí)，更進(jìn)一步了解這個(gè)世界。比較三類粒子，讓學(xué)生形成直觀的認(rèn)識(shí)，知道三類粒子的主要作用。

3、夸克模型

問提：上述粒子是不是最小單位，有沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢?看教材(第104頁“夸克模型”)

1964年提出夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)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(xué)家接受。那么，現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為夸克有哪幾種?有什么特征?

提示：

(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(diǎn)評(píng)：提示學(xué)生現(xiàn)代科學(xué)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(xué)生知道知識(shí)的和科學(xué)的探究是無止境的。

提示：科學(xué)家們還未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)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(xué)發(fā)展面臨的一個(gè)重大課題。

夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展中的一個(gè)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?jǐn)?shù)電荷。而另一方面也說明科學(xué)正由于一個(gè)一個(gè)的突破才使得科學(xué)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

例1：已知π+介子、π-介子都是由一個(gè)夸克(夸克u或夸克d)和一個(gè)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( )(2005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(yīng)為u和d(“+”或“-”)所以選“AD”

歸納：基本粒子不基本(列出框架圖)

點(diǎn)評(píng)：逐步突現(xiàn)物質(zhì)世界的微觀與宏觀的和諧統(tǒng)一。

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?yàn)樵谖锢韺W(xué)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。

閱讀教材(第105頁“宇宙演化”)并要求學(xué)生初步了解宇宙演化的發(fā)展過程。

(1)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(gòu)成了質(zhì)子和中子等(強(qiáng)子時(shí)代)→溫度為1011K時(shí)，少量夸克，光子、大量中微子和電子存在(輕子時(shí)代)→溫度109K時(shí)進(jìn)入核合成時(shí)代→溫度降到3000K時(shí)，電子與質(zhì)子復(fù)合成氫原子→冷卻，出現(xiàn)了宇宙塵埃 密集塵埃→星云團(tuán) 開始發(fā)光→一顆恒星誕生。

恒星收縮升溫→熱核反應(yīng)成氦→氫大部分聚變?yōu)楹?rarr;收縮→氦聚合成碳→…(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

5、練習(xí)(可選為例題)

練習(xí)1：目前普遍認(rèn)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，則下列論斷可能的是( B )

A.質(zhì)子由1個(gè)μ夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)μ夸克和2個(gè)d夸克組成

B.質(zhì)子由2個(gè)μ夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)μ夸克和2個(gè)d夸克組成

C.質(zhì)子由1個(gè)μ夸克和2個(gè)d夸克組成，中子由2個(gè)μ夸克和1個(gè)d夸克組成

D.質(zhì)子由2個(gè)μ夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)μ夸克和1個(gè)d夸克組成

練習(xí)2： 介子衰變方程為： →π-+πo其中 介子和π-介子帶負(fù)的基元電荷，πo介子不帶電，如圖所示，一個(gè) 介子沿垂直于磁場的方向射入勻強(qiáng)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(diǎn)相切，它們半徑Rk-與Rπ-之比為2：1(πo介子的軌跡未畫出)由此可知π-的動(dòng)量大小與πo的動(dòng)量大小之比為( C)

A.1：1 B.1：2 C.1：3 D.1：6

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