高中物理粒子宇宙課件新人教版選修

高中物理新人教版

選修３-5系列課件19.8《粒子和宇宙》教學(xué)目標(biāo)

1、知識與技能（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。2、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)識客觀物質(zhì)世界。3、情感、態(tài)度與價值觀（1）讓學(xué)生真正感受到自然的和諧統(tǒng)一并深知創(chuàng)建和諧社會的必要性；（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。第十九章原子核第八節(jié)粒子和宇宙比比誰小

分子由______構(gòu)成，不同原子構(gòu)成_______分子，相同原子構(gòu)成_______分子。原子是由位于中心的_______和核外高速旋轉(zhuǎn)的______構(gòu)成的。（電子帶___電，原子核帶___電）原子核是由_____和_____構(gòu)成的。（質(zhì)子帶___電，中子_______電）質(zhì)子和中子都是由_____組成的。原子化合物單質(zhì)原子核電子負(fù)正質(zhì)子中子不帶夸克正蓋爾曼（夸克）道爾頓（原子）湯姆遜（電子）盧瑟福（質(zhì)子）查德威克（中子）蓋爾曼（夸克）發(fā)現(xiàn)各種微粒的科學(xué)家一、“基本粒子”不基本

1995美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室證實(shí)了頂夸克(TopQuark)的存在二、發(fā)現(xiàn)新的粒子粒子的分類分類自旋泡利不相容原理統(tǒng)計規(guī)律費(fèi)米子

(電子質(zhì)子中子各種重子)半整數(shù)1/2，3/2，…服從費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計分布玻色子

(光子

介子K介子、

介子)

整數(shù)0或1等不服從玻色—愛因斯坦統(tǒng)計分布1.按自旋分類2.共振態(tài)粒子—壽命極短（約10-23s）萬有引力電磁力弱相互作用強(qiáng)相互作用引力子＋光子＋＋輕子＋＋＋強(qiáng)子＋＋＋＋4.按相互作用分類(＋——參與)正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某些物理量(如電荷、磁矩等)的符號相反。

引力子自旋應(yīng)為2、靜止質(zhì)量和電荷為零，以光速運(yùn)動。

光子自旋為1，是玻色子3.正粒子、反粒子分類正反粒子自旋電荷量e重子數(shù)B輕子數(shù)壽命10-6s輕子電子μ子τ子1/2-1+1-1+1-1+10000-1+1穩(wěn)定2.2<2.3中微子穩(wěn)定輕子（共12種）中微子系中性粒子，質(zhì)量為零，只參與弱相互作用。說明分類粒子名稱自旋介子

、、K介子等整數(shù)玻色子重子核子質(zhì)子、中子及其反粒子1/2(Ω超子3/2)費(fèi)密子超子ΩΣΛΞ超子及反粒子強(qiáng)子分類K介子和各種超子稱為奇異粒子。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象

協(xié)同產(chǎn)生:一個超子總是和一個或幾個K介子同時產(chǎn)生。奇異粒子協(xié)同產(chǎn)生的過程極快(約為10-23s),表明是在強(qiáng)相互作用下進(jìn)行的；而衰變過程很慢(壽命約為10-8～

10-10s)，表明是在弱相互作用下進(jìn)行的。強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型下夸克d

上夸克u

奇夸克

s強(qiáng)子結(jié)構(gòu)夸克模型(1964年)：介子（夸克和反夸克組成）重子（三個夸克組成）粲夸克c

底夸克b

頂夸克

t三、夸克模型例如質(zhì)子奇異粒子π+介子夸克質(zhì)量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+11.質(zhì)子

(uud)電荷重子數(shù)奇異數(shù)自旋同位旋夸克質(zhì)量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+12.奇異粒子（uus）電荷重子數(shù)奇異數(shù)自旋夸克質(zhì)量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+1夸克質(zhì)量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+11/31/2-1/31/203.π+介子重子數(shù)電荷奇異數(shù)自旋同位旋分量類別相對強(qiáng)度力程(m)作用時間(s)參與離子強(qiáng)作用1<10-1510-23強(qiáng)子電磁作用~10-2長程10-20~

10-16強(qiáng)子輕子光子弱作用~10-13<10-17~10-8強(qiáng)子輕子引力作用~10-39長程一切物質(zhì)四種基本相互作用1.四種基本相互作用的性質(zhì)相互作用是通過交換一定粒子實(shí)現(xiàn)的作用類型引力作用電磁作用弱作用強(qiáng)作用交換粒子引力子光子玻色子

(W+、W–Z0粒子)膠子

引力子尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)

弱電統(tǒng)一理論:電磁相互作用和弱相互作用被看作是一種相互作用。大統(tǒng)一理論試圖將強(qiáng)、電、弱三種相互作用統(tǒng)一起來。1983年，魯比亞實(shí)驗(yàn)組在高能質(zhì)子—反質(zhì)子對撞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了W+、W-和Z0粒子。為60年代提出的弱電統(tǒng)一理論提供了實(shí)驗(yàn)上的支持。歐洲核子中心高能質(zhì)子同步加速器上的UAI探測器四、宇宙的演化宇宙——從何而來？大爆炸理論(TheBigBangTheory)宇宙從一個“奇點(diǎn)”爆炸產(chǎn)生大爆炸是在無限的宇宙各處同時產(chǎn)生時間的零點(diǎn)

早在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，即不管你往哪個方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去。換言之，宇宙正在不斷膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當(dāng)時宇宙無限緊密。大爆炸宇宙論1950年前后，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個確定的點(diǎn)，然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時發(fā)生，從一開時就充滿整個空間的那種爆炸，爆炸中每一個粒子都離開其它每一個粒子飛奔。事實(shí)上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。"整個空間"可以指的是整個無限的宇宙，或者指的是一個就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。根據(jù)大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統(tǒng)一的溫度是當(dāng)時宇宙狀態(tài)的重要標(biāo)志，因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低，使得原子核、原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力，宇宙學(xué)家們?yōu)槲覀児串嫵鲞@樣一部宇宙歷史：大爆炸開始時150－200億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。大爆炸后10-43秒宇宙從量子背景出現(xiàn)。大爆炸后10-35秒同一場分解為強(qiáng)力、電弱力和引力。大爆炸后10-5秒10萬億度，質(zhì)子和中子形成。大爆炸后0.01秒1000億度，光子、電子、中微子為主，質(zhì)子中子僅占10億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。大爆炸后0.1秒后300億度，中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。大爆炸后1秒后100億度，中微子向外逃逸，正負(fù)電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。大爆炸后13.8秒后30億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。大爆炸后35分鐘后3億度，核過程停止，尚不能形成中性原子。大爆炸后30萬年后3000度，化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì)，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。五、恒星的演化粒子物理和宇宙學(xué)殊途同歸