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

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(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(guò)程及宇宙與粒子的和諧統(tǒng)一（二）過(guò)程與方法1感知人類(lèi)（科學(xué)家）探究宇宙奧秘的過(guò)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(guò)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：1Internet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(guò)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(shuō)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(lái)，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(wèn)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(guò)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(lèi)？在老師的引導(dǎo)下學(xué)生帶著問(wèn)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)子；1947年發(fā)現(xiàn)K介子與介子（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(lèi)：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(lèi)粒子，讓學(xué)生形成直觀的認(rèn)識(shí)，知道三類(lèi)粒子的主要作用。3夸克模型問(wèn)：上述粒子是不是最小單位，有沒(méi)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(wèn)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）?？淇四Ｐ徒?jīng)過(guò)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(wú)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(chēng)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(shuō)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+介子、-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。+-ud帶電量+e-e下列說(shuō)法正確的是（ ）（xx全國(guó)）A+由u和組成B+由和d組成C-由u和組成D-由和d組成解析：根據(jù)各種粒子帶電情況，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）電子電子中微子子和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(jiǎn)單了解宇宙演化和恒星演化過(guò)程。教師：講授“宇宙演化過(guò)程和恒星演化過(guò)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(kāi)始發(fā)光一顆恒星誕生。恒星收縮升溫?zé)岷朔磻?yīng)成氦氫大部分聚變?yōu)楹な湛s氦聚合成碳（類(lèi)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(yáng)1.4倍白矮星恒星質(zhì)量是太陽(yáng)1.42倍中子性恒星質(zhì)量更大時(shí)(無(wú)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(yè)“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(ài)國(guó)主義熱情和熱愛(ài)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(chēng)為夸克和d夸克的兩類(lèi)夸克組成，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)夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)夸克和2個(gè)d夸克組成B質(zhì)子由2個(gè)夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)夸克和2個(gè)d夸克組成C質(zhì)子由1個(gè)夸克和2個(gè)d夸克組成，中子由2個(gè)夸克和1個(gè)d夸克組成D質(zhì)子由2個(gè)夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)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：-+o其中介子和-介子帶負(fù)的基元電荷，o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-介子的軌跡為圓弧pB,兩軌跡在p點(diǎn)相切，它們半徑Rk-與R-之比為2：1（o介子的軌跡未畫(huà)出）由此可知-的動(dòng)量大小與o的動(dòng)量大小之比為（ ）A1：1 B1：2 C1：3 D1：6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(lèi)及特點(diǎn)。3知道宇宙演化和恒星的演化過(guò)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(wèn)題與練習(xí)”中的12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(lèi)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過(guò)程從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到物質(zhì)世界的發(fā)展過(guò)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(guò)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(ài)國(guó)主義的精神，培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)、熱愛(ài)自然的高尚的道德情操，并鼓勵(lì)他們?yōu)樽鎳?guó)、為科學(xué)而努力學(xué)習(xí)，爭(zhēng)取更大貢獻(xiàn)。