高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册5 “基本”粒子教案

“基本”粒子

【教学目标】

一、知识与技能

1．了解构成物质的“基本粒子”。

2．了解粒子物理的发展史。

二、过程与方法

1．感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法。

2．能够突破传统思维重新认识客观物质世界。

三、情感、态度与价值观

1．让学生真正感受到自然的和谐统一并深知创建和谐社会的必要性。

2．培养学生的科学探索精神。

【教学重点】

了解构成物质的粒子。

【教学难点】

各种微观粒子模型的理解。

【教学过程】

一、新课导入

欣赏视频：宇宙的演化。

教师：我们看到了经历了138亿年的宇宙演化过程，是多么绚丽。宇宙是神秘的，人们对宇宙的探索从未停止。同学们知道我们为了探索宇宙，做了哪些事情吗？

学生：火箭、卫星、探测器、望远镜。

教师：确实，这是我们探索宇宙的一种方式，通过直接的观测和探索来了解我们现在的宇宙。但是大家有没有想过，我们的科学家又是怎么知道过去的宇宙，知道宇宙是怎么诞生的吗？而这离不开我们前面所学习的粒子了。这里引入诺贝尔物理奖获得者格拉肖的话：“隐藏在原子内心的，是宇宙结构的秘密。”

问题：现在我们认为原子是什么结构模型，由什么组成？

学生回忆并回答：现在我们认为原子是核式结构，说明原子可再分，原子核由质子与中子构成。

点评：引起学生回忆旧知识并巩固知识。

二、新课教学

教师：从道尔顿发现原子，到汤姆孙发现电子，再到卢瑟福提出原子的核式结构并且发现质子，查德威克发现了中子，最后我们发现了光子。当时科学家们认为“光子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子，所以把它们叫“基本粒子”。但是随着科学技术的发展这些粒子并不是真正意义上的“基本”粒子，我们发现它们还有更小的结构。

学生思考并惊奇。

点评：因为学生所能了解的最小粒子只有这些，所以这节课引起了学生的兴趣。

（可以不按教材顺序介绍，接着介绍新粒子的发现）

（一）发现新粒子

教师：20世纪30年代以来，人们是通过对宇宙线的研究中发现了一些新的粒子。（展示宇宙射线图片）

请学生看教材，思考下面的问题：

从宇宙线中发现了哪些粒子？这些粒子有什么特点？

1932年发现正电子；1937年发现μ子；1947年发现K介子与π介子。

展示强子对撞机，并适当介绍。

1932年发明的粒子加速器，能使带电粒子加速到很高的能量。让这些高能粒子彼此对撞，就能产生更多的粒子，这种装置称为对撞机。利用加速器和对撞机，人们发现了更多的粒子。

展示部分新粒子的实验发现年代图。

（二）粒子的分类

在老师的引导下学生带着问题阅读教材总结：

1．实验中发现了许多反粒子，现在发现的粒子多达400多种。

2．许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其他一些物理性质相反的粒子，叫做反粒子。

2．可分为四大类：强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子。

教师（展示粒子与各种相互作用的关系，讲授评析）：

（1）强子：参与强相互作用的粒子。

质子和中子都是强子。

（2）轻子：不参与强相互作用。

电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子。每种轻子都有对应的反粒子。

（3）规范玻色子：传递各种相互作用的粒子。

光子、中间玻色子（W和Z玻色子）、胶子。

（4）希格斯玻色子：希格斯场的量子激发。

基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。

问：上述粒子是不是最小单位，有没有内部结构呢？

教师（展示美国费米国家加速器实验室）：1964年盖尔曼提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克（quark）。夸克模型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受。并且由美国费米国家加速器实验室实验证实了夸克的存在。

拓展：夸克名字的由来。夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔伊斯（James Joyce）的小说《芬尼根的守灵夜》（“Finnegans Wake”）的词句“向麦克老人三呼夸克（Three quarks for Muster Mark）”。另外夸克在该书中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声。他认为这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法，但同时他也指出这只是一个笑话，这是对矫饰的科学语言的反抗。另外，也可能是出于他对鸟类的喜爱。

那么，现代科学认为夸克有哪几种？有什么特征？

学生回答：

（1）上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。

（2）夸克带电荷为元电荷的或倍

教师拓展：质子是由两个上夸克和一个下夸克组成。

点评：提示学生现代科学不仅发现6种夸克而且发现了反夸克存在的证据。使学生知道知识的学习和科学的探究是无止境的。

教师（提示）：科学家们还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”。能否解放被禁闭的夸克，是物理学发展面临的一个重大课题。

夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。而另一方面也说明科学正由于一个一个的突破才使得科学得到进一步的发展。

教师展示标准模型中最基本的粒子类型图谱。

请学生阅读教材中《华人科学家在粒子物理学领域的杰出贡献》。教师展示华人科学家的风采。

【练习巩固】

1．关于粒子，下列正确的是（    ）

A．质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子

B．质子、中子本身也是复合粒子，它们拥有复杂的结构

C．质子是带电的弱子

D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位

答案：BD

2．关于分子的说法下列正确的是（    ）

A．分子是组成物质的最小微粒

B．分子是物质中不能再分的最小微粒

C．分子是组成物质，并能保持物质化学性质的最小微粒

D．分子是人们为了描述物质结构而想象出来的模型，实际是不存在的

答案：C

3．下列粒子呈带正电荷性质的是（    ）

A．质子  B．中子

C．电子  D．原子

答案：A

4．下列物体的尺寸由小到大排列的是（    ）

A．夸克/电子、原子核、质子/中子、原子、分子、物质

B．夸克/电子、质子/中子、原子核、原子、分子、物质

C．夸克/电子、原子核、原子、质子/中子、分子、物质

D．物质、分子、原子、原子核、质子/中子、夸克/电子

答案：C