人教版高中物理教案-粒子和宇宙

第十九章原子核
新課標要求
1．內容標準
（1）知道原子核的組成。

知道放射性和原子核的衰變。

會用半衰期描述衰變速度，知道半衰期的統計意義。

（2）瞭解放射性同位素的應用。

知道射線的危害和防護。

例1 瞭解放射性在醫學和農業中的應用。

例2 調查房屋裝修材料和首飾材料中具有的放射性，瞭解相關的國家標準。

（3）知道核力的性質。

能簡單解釋輕核與重核內中子數、質子數具有不同比例的原因。

會根據質量數守恆和電荷守恆寫出核反應方程。

（4）認識原子核的結合能。

知道裂變反應和聚變反應。

關注受控聚變反應研究的進展。

（5）知道鏈式反應的發生條件。

瞭解裂變反應堆的工作原理。

瞭解常用裂變反應堆的類型。

知道核電站的工作模式。

（6）通過核能的利用，思考科學技術與社會的關係。

例3 思考核能開發帶來的社會問題。

（7）初步瞭解恒星的演化。

初步瞭解粒子物理學的基礎知識。

例4 瞭解加速器在核子物理、粒子物理研究中的作用。

2．活動建議：
（1）通過查閱資料，瞭解常用的射線檢測方法。

（2）觀看有關核能利用的錄影片。

（3）舉辦有關核能利用的科普講座。

新課程學習
19.8 粒子和宇宙
★新課標要求
（一）知識與技能
1．瞭解構成物質的“基本粒子”及粒子物理的發展史
2．初步瞭解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統一
（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．能夠突破傳統思維重新認識客觀物質世界
（三）情感、態度與價值觀
1．讓學生真正感受到自然的和諧統一並深知創建和諧社會的必要性。

2．培養學生的科學探索精神。

★教學重點
瞭解構成物質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、引導，學生討論、交流。

★教學用具：
1．Internet網路素材、報刊雜誌、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（基於網路環境）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，要瞭解宇宙更早期的情況，我們必須研究組成物質的基本粒子。

問題：現在我們所知的構成物體的最小微粒是什麼？
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構的粒子的瞭解，激發學生的興趣，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不可分的最小微粒。

20世紀初人們發現了電子，並認為原子並不是不可以再分，而且提出了原子結構模型的研究。

問題：現在我們認為原子是什麼結構模型，由什麼組成？
學生回憶並回答：現在我們認為原子是核式結構，說明原子可再分，原子核由質子與中子構成。

點評：引起學生回憶舊知識並鞏固知識。

（二）進行新課
1．“基本”粒子“不”基本
教師：1897年湯姆生發現電子，1911年盧瑟福提出原子的核式結構。

繼而我們發現了光子，並認為“光子、電子、質子、中子”是組成物質的不可再分的粒子，所以把它們叫“基本粒子”。

那麼隨著科學技術的發展“它們”還是不是真正意義上的“基本”粒子呢？
學生思考並驚奇。

點評：因為學生所能瞭解的最小粒子只有這些，所以這節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現）
2．發現新粒子
教師：20世紀30年代以來，人們對宇宙線的研究中發現了一些新的粒子。

請學生看教材（103頁“發現新粒子”）
思考下面的問題：
（1）從宇宙線中發現了哪些粒子？這些粒子有什麼特點？
（2）通過科學核子物理實驗又發現了哪些粒子？
（3）什麼是反粒子？
（4）現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年發現正電子；1937年發現μ子；1947年發現K介子與π介子
（2）實驗中發現了許多反粒子，現在發現的粒子多達400多種。

（3）許多粒子都存在著品質與它相同而電荷及其他一些物理性質相反的粒子，叫做反粒子。

（4）按粒子與各種相互作用的關係，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：質子、中子… 輕子：電子、電子中微子 媒介子：光子、膠子…
點評：激發學生瞭解相關知識，更進一步瞭解這個世界。

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．誇克模型
問：上述粒子是不是最小單位，有沒有內部結構呢？ 請學生看教材（第104頁“誇克模型”） 學生：在老師的引導下學生帶著問題閱讀教材。

教師：1964年提出誇克模型，認為強子由更基本的成分組成，這種成分叫做誇克（quark ）。

誇克模型經過幾十年的發展，已被多數物理學家接受。

那麼，現代科學認為誇克有哪幾種？有什麼特徵？ 學生回答：
（1）上誇克、下誇克、奇異誇克、粲誇克、底誇克、頂誇克。

（2）誇克帶電荷為元電荷的3
2
+
或31-倍
點評：提示學生現代科學不僅發現6種誇克而且發現了反誇克存在的證據。

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誇克。

誇克不能以自由的狀態單個出現，這種性質稱為誇克的“禁閉”。

能否解放被禁閉的誇克，是物理學發展面臨的一個重大課題。

誇克模型的提出是物理學發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，即存在分數電荷。

而另一方面也說明科學正由於一個一個的突破才使得科學得到進一步的發展。

例：已知π+介子、π-介子都是由一個誇克（誇克u 或誇克d ）和一個反誇克（反誇克u 或反誇克d ）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
u
d
帶
電量
+e
-e
e 3
2+
e 3
1-
e 3
2-
e 3
1+
下列說法正確的是（ ）（2005全國） A ．π+由u 和d 組成 B ．π+由u 和d 組成 C ．π-由u 和d 組成 D ．π-由u 和d 組成
解析：根據各種粒子帶電情況，π的帶應為u 和d （“+”或“-”）所以選“AD ” 歸納：基本粒子不基本（列出框架圖）
點評：逐步突現物質世界的微觀與宏觀的和諧統一。

4．宇宙的演化、恒星的演化
前面我們提到要瞭解宇宙起源需瞭解物質的組成的粒子，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。

閱讀教材（第105頁“宇宙演化”）並要求學生初步瞭解宇宙演化的發展過程。

點評：培養學生自學的習慣。

學生簡單瞭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”： 宇宙大爆炸後，“粒子家族”（宇宙形成之初）： 10-44秒後，溫度1032K ，產生誇克、輕子、膠子等→
10-6秒後溫度1013K ，誇克構成了質子和中子等（強子時代）→
溫度為1011K 時，少量誇克，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，電子與質子複合成氫原子→
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 τ子和τ子中微子
質子 中子
介子 超子 上誇克 下誇克
奇誇克 粲誇克 底誇克 頂誇克
誇克
冷卻，出現了宇宙塵埃−−
−−→−万有引力作用
密集塵埃→
星雲團−−
−→−温度升高
開始發光→ 一顆恒星誕生。

恒星收縮升溫→ 熱核反應成氦→ 氫大部分聚變為氦→ 收縮→ 氦聚合成碳→…
（類似）直到產生鐵元素。

恒星最後的歸宿：
恒星品質小於太陽1.4倍→白矮星 恒星品質是太陽1.4~2倍→中子性 恒星品質更大時(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傑出貢獻”,瞭解科學發展史。

學生：瞭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：激發學生的求知欲，讓學生有一種探索科學奧秘的願望。

5．課堂練習（可選為例題）
練習1、目前普遍認為，質子和中子都由被稱為μ誇克和d 誇克的兩類誇克組成，μ誇克帶電量為2e/3，d 誇克帶電量為-e/3，e 為元電荷，則下列論斷可能的是（ ）
A ．質子由1個μ誇克和1個d 誇克組成，中子由1個μ誇克和2個d 誇克組成
B ．質子由2個μ誇克和1個d 誇克組成，中子由1個μ誇克和2個d 誇克組成
C ．質子由1個μ誇克和2個d 誇克組成，中子由2個μ誇克和1個d 誇克組成
D ．質子由2個μ誇克和1個d 誇克組成，中子由1個μ誇克和1個d 誇克組成 答案：B
練習2、-
K 介子衰變方程為：-
K →π-+πo 其中-
K 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-
K 介子沿垂直於磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圓弧A p ，衰變後產生的π-介子的軌跡為圓弧p B,兩軌跡在p 點相切，它們半徑R k-與R π-之比為2：1（π
o介子的軌跡未畫出）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
1．知道組成物質的粒子的發展史
2．瞭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．理解物質世界粒子與宇宙的和諧統一。

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。

（四）作業：
（1）查找有關華人科學家在粒子物理領域的更多成果和事蹟與其他同學交流。

（2）“問題與練習”中的1~2題。

★教學體會
粒子和宇宙是近現代物理學重要內容，讓學生瞭解人類對物質結構的認識過程從而進一步認識到物質世界的發展過程：粒子→宇宙。

本節內容有很多知識相對抽象，課堂教學以講授為主，並加以適當的補充介紹，使內容更象形象。

一方面讓學生瞭解科學知識，另一方面通過發展名的介紹（尤其是華人在粒子物理學方面的貢獻）激發學生愛國主義的精神，培養學生熱愛科學、熱愛自然的高尚的道德情操，並鼓勵他們為祖國、為科學而努力學習，爭取更大貢獻。