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2019-2020年高中物理 4.7《小粒子與大宇宙》教案 粵教版選修3-5 ★新課標(biāo)要求 （一）知識(shí)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 （二）過程與方法 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)思維重新認(rèn)識(shí)客觀物質(zhì)世界 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 1．讓學(xué)生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 教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。 ★教學(xué)用具： 1．Internet網(wǎng)絡(luò)素材、報(bào)刊雜志、影視媒體等。 2．多媒體教學(xué)設(shè)備一套：可供實(shí)物投影、放像、課件（基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境）播放等。 ★課時(shí)安排 1 課時(shí) ★教學(xué)過程 （一）引入新課 教師：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：現(xiàn)在我們所知的構(gòu)成物體的最小微粒是什么？ 學(xué)生：構(gòu)成物體的最小微粒為“原子”（不可再分）。 點(diǎn)評(píng)：從宇宙的起源角度去引起對(duì)物質(zhì)構(gòu)的粒子的了解，激發(fā)學(xué)生的興趣，積極回答。 教師：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：現(xiàn)在我們認(rèn)為原子是什么結(jié)構(gòu)模型，由什么組成？ 學(xué)生回憶并回答：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。 點(diǎn)評(píng)：引起學(xué)生回憶舊知識(shí)并鞏固知識(shí)。 （二）進(jìn)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(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？ 學(xué)生思考并驚奇。 點(diǎn)評(píng)：因?yàn)閷W(xué)生所能了解的最小粒子只有這些，所以這節(jié)課引起了學(xué)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(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。 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(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？ 在老師的引導(dǎo)下學(xué)生帶著問題閱讀教材。 學(xué)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(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。 教師（講授評(píng)析）： 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。 學(xué)生舉例： 強(qiáng)子：質(zhì)子、中子… 輕子：電子、電子中微子 媒介子：光子、膠子… 點(diǎn)評(píng)：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：上述粒子是不是最小單位，有沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？ 學(xué)生：在老師的引導(dǎo)下學(xué)生帶著問題閱讀教材。 教師：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）。夸克模型經(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？ 學(xué)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(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)的學(xué)習(xí)和科學(xué)的探究是無止境的。 教師（提示）：科學(xué)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(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：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（ ）（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(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。 粒子 媒介子 輕子 （6種） 強(qiáng)子 參與強(qiáng)作用 光子（傳遞電磁相互作用） 膠子（傳遞強(qiáng)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?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。 點(diǎn)評(píng)：培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)的習(xí)慣。學(xué)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(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?！? 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)楹ぁ? 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 恒星質(zhì)量更大時(shí)(無法抵抗)→黑洞 教師：引導(dǎo)學(xué)生閱讀課外材料“科學(xué)足跡”，課本第106頁“華人科學(xué)家在粒子物理領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)”,了解科學(xué)發(fā)展史。 學(xué)生：了解華人對(duì)物理科學(xué)的貢獻(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生的愛國主義熱情和熱愛科學(xué)的高尚的道德情操。 點(diǎn)評(píng)：激發(fā)學(xué)生的求知欲，讓學(xué)生有一種探索科學(xué)奧秘的愿望。 5．課堂練習(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（ ） 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 答案：B 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(chǎng)的方向射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)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（ ） 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(diǎn)。 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(xué)生：整理課堂筆記，進(jìn)一步回憶鞏固所學(xué)知識(shí)。 點(diǎn)評(píng)：要求學(xué)生梳理知識(shí)，進(jìn)行課堂小結(jié)。 （四）作業(yè)： （1）查找有關(guān)華人科學(xué)家在粒子物理領(lǐng)域的更多成果和事跡與其他同學(xué)交流。 （2）“問題與練習(xí)”中的1~2題。 ★教學(xué)體會(huì) 粒子和宇宙是近現(xiàn)代物理學(xué)重要內(nèi)容，讓學(xué)生了解人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過程從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)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(shí)相對(duì)抽象，課堂教學(xué)以講授為主，并加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充介紹，使內(nèi)容更象形象。一方面讓學(xué)生了解科學(xué)知識(shí)，另一方面通過發(fā)展名的介紹（尤其是華人在粒子物理學(xué)方面的貢獻(xiàn)）激發(fā)學(xué)生愛國主義的精神，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)、熱愛自然的高尚的道德情操，并鼓勵(lì)他們?yōu)樽鎳?、為科學(xué)而努力學(xué)習(xí)，爭取更大貢獻(xiàn)。