下载文档原格式
3.7《粒子物理学简介（选学）》教案★新课标要求（一）知识与技能1．了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史2．初步了解加速器的发展（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和加速器★教学难点各种微观粒子模型的理解★教学过程（一）引入新课教师：宇宙的起源一直是天文学中困难而又有启发性的问题。
宇宙学中大爆炸论的基本观点是宇宙正在膨胀，要了解宇宙更早期的情况，我们必须研究组成物质的基本粒子。
问题：现在我们所知的构成物体的最小微粒是什么？学生：构成物体的最小微粒为“原子”（不可再分）。
点评：从宇宙的起源角度去引起对物质构的粒子的了解，激发学生的兴趣，积极回答。
教师：其实直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质不可分的最小微粒。
20世纪初人们发现了电子，并认为原子并不是不可以再分，而且提出了原子结构模型的研究。
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）进行新课1．基本粒子的分类教师：1897年汤姆生发现电子，1911年卢瑟福提出原子的核式结构。
继而我们发现了光子，并认为“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”。
那么随着科学技术的发展“它们”还是不是真正意义上的“基本”粒子呢？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）教师：20世纪30年代以来，人们对宇宙线的研究中发现了一些新的粒子。
思考下面的问题：（1）通过科学核物理实验又发现了哪些粒子？（2）什么是反粒子？（3）现在可以将粒子分为哪几类？在老师的引导下学生带着问题阅读教材。
6.核聚变7．粒子物理学简介(选学)[先填空]1．定义：把轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应，简称核聚变．2．热核反应(1)举例：一个氘核和一个氚核聚变成一个氦核的核反应方程：21H＋31H―→42He ＋10n＋17.60 MeV(2)反应条件①轻核的距离要达到10－15 m以内．②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．(3)优点①轻核聚变产能效率高．②地球上聚变燃料的储量丰富．③轻核聚变更为安全、清洁．3．可控核聚变反应研究的进展(1)把受控聚变情况下释放能量的装置，称为聚变反应堆，20世纪下半叶，聚变能的研究取得重大进展．(2)核聚变的约束方法：磁约束和惯性约束，托卡马克采用的是磁约束方式．(3)核聚变是一种安全，不产生放射性物质、原料成本低的能源，是人类未来能源的希望．3．恒星演化中的核反应(1)现阶段，供太阳发生核聚变过程的燃料是氢．(2)大约50亿年后，太阳的核心的核聚变过程是：42He＋42He→84Be，42He＋84 Be→126C.[再判断]1．核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．(×)2．轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生．(×)3．现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应．(√)[后思考]1．核聚变为什么需要几百万度的高温？【提示】要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万度时，原子核就可以具有这样大的动能．2．受控核聚变中磁约束的原理是什么？【提示】原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作用．3．恒星是如何形成的？它在哪个阶段停留的时间最长？【提示】宇宙尘埃在外界影响下聚集，某些区域在万有引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，形成星云团，星云团进一步凝聚使得引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时就开始发光，形成恒星．恒星在辐射产生向外的压力和引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长．1．聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．2．轻核聚变是放能反应从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．3．核聚变的特点(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去．(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．4．核聚变的应用(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．(2)可控热核反应：目前处于探索阶段．5．重核裂变与轻核聚变的区别1．下列关于聚变的说法中正确的是 ( ) A ．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B ．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应C ．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D ．自然界中不存在天然的热核反应E ．轻核聚变易控制，目前世界上的核电站多数是利用核聚变反应释放核能 【解析】 轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m ，所以必须克服库仑斥力做功，A 正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B 、C 正确，E 错误；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D 错误．【答案】 ABC2．如图3-6-1所示，托卡马克(Tokamak) 是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的头两个字母以及katushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．根据以上信息，下述判断中可能正确的是( )图3-6-1A ．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似B ．线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出C ．这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同D ．这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定地进行E．这种装置是利用电场来约束带电粒子的【解析】聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A正确；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出，故B正确，E错误；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C错误；该装置使人们可以在实验中控制反应速度，平稳释放核能，故D正确．【答案】ABD3．氘核(21H)和氚核(31H)结合成氦核(42He)的核反应方程如下：21H＋31H→42He＋1n＋17.6 MeV(1)这个核反应称为________．(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6 MeV是核反应中________(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(选填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)．【解析】在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝ΔEc2≈3×10－29 kg.【答案】(1)核聚变(2)放出减少3×10－29(1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据.(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算.[先填空]1．基本粒子(1)1897年汤姆孙发现了电子后，人们又陆续发现了质子、中子，认为电子、中子、质子是组成物质的基本粒子．(2)1932年，安德森发现了正电子，它的质量、电荷量与电子相同，电荷符号与电子相反，它被称为电子的反粒子，正电子也成为了基本粒子．2．基本粒子的分类按粒子参与相互作用的性质把粒子分为三类：它们分别是：媒介子、轻子、强子．3．加速器粒子加速器是用人工方法产生高速粒子的设备，按加速粒子的路径大致分为两类：一类是直线加速器，带电粒子沿直线运动；一类是回旋加速器，带电粒子沿圆弧运动，并反复加速．能够实现两束相对运动的粒子对接的设备叫做对撞机．[再判断]1．质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×)2．质子和反质子的电量相同，电性相反．(√)3．按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元．(√)4．回旋加速器加速带电粒子时，高频电源的频率应等于回旋粒子的频率．(√)[后思考]1．为什么说基本粒子不基本？【提示】一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的．2．北京正负电子对撞机于1988年10月完成建设，成功实现正负电子对撞，你了解对撞机的工作原理吗？它有什么作用？【提示】对撞机的工作原理是粒子先在同步加速器中加速，然后射入对撞机．在对撞机里两束粒子流反方向回旋，并进一步加速，在轨道交叉的地方相互碰撞．对撞机的出现，大大提高了有效作用能，因此它在高能物质实验中起着日益显著的作用．近年来，在粒子物质中的一系列重大发现和研究成果，几乎都是在对撞机上获得的．1．新粒子的发现及特点夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷是电子或质子所带电荷的23或13.每种夸克都有对应的反夸克．4．两点提醒(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子．(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．4．关于粒子，下列说法正确的是( )A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B．强子中也有不带电的粒子C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位E．超子的质量比质子的质量还大【解析】由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A错误，B正确；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋23e和－e3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确，超子属于强子，其质量比质子质量还大些，E正确．【答案】BDE5．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H的核反应，间接地证实了中微子的存在.【导学号：11010053】(1)中微子与水中的11H发生核反应，产生中子(10n)和正电子(01e)，即：中微子＋11H→10n＋01e可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即01e＋0－1e→2γ已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量约为________J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么？【解析】(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0.(2)产生的能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2，故一个光子的能量为E2，代入数据得E2＝8.2×10－14J．正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故只有产生2个光子，此过程才遵循动量守恒定律．【答案】0和08.2×10－14 J见解析对核反应中新生成粒子的认识新生成的粒子和实物粒子一样，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律．。
3.7《粒子物理学简介（选学）》学案学习目标1．了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史2．初步了解加速器的发展学习重点了解构成物质的粒子和加速器预习巩固1.K －介子衰变的方程为K －―→π－＋π0.其中K －介子和π－介子是带负电的基元电荷，π0介子不带电.如图3-6、7-3所示的1个K －介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP ，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB ，两轨迹在P 点相切，它们的半径R K －与R π－之比为2∶1.π0介子的轨迹未画出.由此可知π－的动量大小与π0的动量的大小之比为（ ）图3-6、7-3A.1∶1B.1∶2C.1∶3D.1∶6解析 带电粒子K －与π－在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力Bqv ＝mv 2R 得R ＝mv Bq ＝p Bq ，K －介子与π－介子带电量相同，故运动的半径之比等于动量之比p K －∶p π－＝R K －∶R π－＝2∶1在衰变后π－介子与π0介子动量方向相反，设K －介子的动量为正，则π－介子动量为负值，由动量守恒p K －＝－p π－＋p π0则p π－∶p π0＝1∶3故A 、B 、D 错，C 对.答案 C2.根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是（ ）A.夸克、轻子、胶子等粒子B.质子和中子等强子C.光子、中微子和电子等轻子D.氢核、氘核、氦核等轻核解析宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结合成氘核，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此A正确，B、C、D的产生都在A之后，故B、C、D错.答案 A3.现在，科学家们正在设法寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电量，但电荷的符号相反.据此，反α粒子为（）.A.42HeB.－42HeC.－4－2HeD.4－2He解析这类问题在前两年的高考中经常出现.根据题目中的描述，结合α粒子的特点很容易选出正确选项为D.答案 D4.1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图图3-6、7-4所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是（）图3-6、7-4A.离子由加速器的中心附近进入加速器B.离子由加速器的边缘进入加速器C.离子从磁场中获得能量D.离子从电场中获得能量解析回旋加速器的工作原理是使离子在两个D形盒的缝隙中受电场力加速，在D形盒的内部受洛伦兹力作匀速圆周运动，在磁场中所受的洛伦兹力不做功因此选项C错、D正确.随着加速次数的增加，离子的能量越来越大，速度越来越大，由r＝mvqB可知离子的圆周运动半径越来越大，最后从加速器的边缘飞出加速器，因此选项B错、A正确.答案AD5.1989年初，我国投入运行的高能粒子回旋加速器可以把电子的能量加速到2.8 GeV；若改用直线加速器加速，设每级的加速电压为U＝2.0×105V，则需要几级加速？解析设经n级加速，由neU＝E k有n＝E keU＝1.4×104(级).答案 1.4×104(级)6.正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质—反物质.1 000秒并不太长，但对于欧洲核子研究中心(CERN)反氢激光物理装置(ALPHA)项目的物理学家来说，却是4个数量级的重大突破.据美国物理学家组织网2011年5月4日报道，CERN此前的记录是捕获了38个反氢原子并保持了172毫秒，而本次实验捕获了309个反氢原子并保持了1 000秒，如图3-6、7-1所示，为进一步证明反物质属性铺平了道路，这是人类探索反物质的一大进步.你推测反氢原子的结构是（）图3-6、7-1A.由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成B.由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C.由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成D.由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成解析由题目中所给的信息知，物质与反物质的质量相同，电荷量相同，而电性相反，所以选B.答案 B7.美国《科学》杂志评出的《2001年世界十大科技突破》中，有一次是加拿大萨德伯里中微子观测站的结果如图3-6、72所示，该站揭示了中微子失踪的原因，即观测到的中微子数目比理论值少是因为部分中微子在运动中转化为一个μ子和一个τ子.在上述研究中有以下说法，正确的是（）图3-6、72A.若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向相反B.若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能一致C.若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向一定相反D.若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能相反解析中微子在转化为μ子和τ子的前后过程中满足动量守恒定律.若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的动量方向可能与中微子相同，也可能相反，所以选项A错误、B正确.若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的动量一定与中微子相同，即τ子的运动方向与中微子的运动方向一定相同，所以选项C、D错误.答案 B学后反思：。
