高中物理198粒子和宇宙教案 新人教版选修35.docx
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高中物理198粒子和宇宙教案 新人教版选修35.docx
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高中物理198粒子和宇宙教案新人教版选修35
2019-2020年高中物理19.8粒子和宇宙教案新人教版选修3-5
新课标要求
1.内容标准
(1)知道原子核的组成。
知道放射性和原子核的衰变。
会用半衰期描述衰变速度,知道半衰期的统计意义。
(2)了解放射性同位素的应用。
知道射线的危害和防护。
例1了解放射性在医学和农业中的应用。
例2调查房屋装修材料和首饰材料中具有的放射性,了解相关的国家标准。
(3)知道核力的性质。
能简单解释轻核与重核内中子数、质子数具有不同比例的原因。
会根据质量数守恒和电荷守恒写出核反应方程。
(4)认识原子核的结合能。
知道裂变反应和聚变反应。
关注受控聚变反应研究的进展。
(5)知道链式反应的发生条件。
了解裂变反应堆的工作原理。
了解常用裂变反应堆的类型。
知道核电站的工作模式。
(6)通过核能的利用,思考科学技术与社会的关系。
例3思考核能开发带来的社会问题。
(7)初步了解恒星的演化。
初步了解粒子物理学的基础知识。
例4了解加速器在核物理、粒子物理研究中的作用。
2.活动建议:
(1)通过查阅资料,了解常用的射线检测方法。
(2)观看有关核能利用的录像片。
(3)举办有关核能利用的科普讲座。
新课程学习
19.8粒子和宇宙
★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.初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一
(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宇宙演化过程
★教学难点
各种微观粒子模型的理解
★教学方法
教师启发、引导,学生讨论、交流。
★教学用具:
1.Internet网络素材、报刊杂志、影视媒体等。
2.多媒体教学设备一套:
可供实物投影、放像、课件(基于网络环境)播放等。
★课时安排
1课时
★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“不”基本
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)
2.发现新粒子
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。
请学生看教材(103页“发现新粒子”)
思考下面的问题:
(1)从宇宙线中发现了哪些粒子?
这些粒子有什么特点?
(2)通过科学核物理实验又发现了哪些粒子?
(3)什么是反粒子?
(4)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。
学生回答:
(1)1932年发现正电子;1937年发现μ子;1947年发现K介子与π介子
(2)实验中发现了许多反粒子,现在发现的粒子多达400多种。
(3)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。
(4)按粒子与各种相互作用的关系,可分为三大类:
强子、轻子和媒介子。
教师(讲授评析):
强子:
是参与强相互作用的粒子。
(强子又分为介子和重子)
轻子:
轻子是不参与强相互作用的粒子。
媒介子:
传递各种相互作用的粒子。
学生举例:
强子:
质子、中子…
轻子:
电子、电子中微子
媒介子:
光子、胶子…
点评:
激发学生了解相关知识,更进一步了解这个世界。
比较三类粒子,让学生形成直观的认识,知道三类粒子的主要作用。
3.夸克模型
问:
上述粒子是不是最小单位,有没有内部结构呢?
请学生看教材(第104页“夸克模型”)
学生:
在老师的引导下学生带着问题阅读教材。
教师:
1964年提出夸克模型,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。
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
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。
例:
已知π+介子、π-介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克或反夸克)组成的,它们的带电荷量如下表所示,表中e为元电荷。
π+
π-
u
d
带电量
+e
-e
下列说法正确的是()(xx全国)
A.π+由u和组成
B.π+由和d组成
C.π-由u和组成
D.π-由和d组成
解析:
根据各种粒子带电情况,π的带应为u和d(“+”或“-”)所以选“AD”
归纳:
基本粒子不基本(列出框架图)
点评:
逐步突现物质世界的微观与宏观的和谐统一。
4.宇宙的演化、恒星的演化
前面我们提到要了解宇宙起源需了解物质的组成的粒子,这是因为在物理学中研究微观世界的粒子物理、量子理论,与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。
阅读教材(第105页“宇宙演化”)并要求学生初步了解宇宙演化的发展过程。
点评:
培养学生自学的习惯。
学生简单了解宇宙演化和恒星演化过程。
教师:
讲授“宇宙演化过程和恒星演化过程”:
宇宙大爆炸后,“粒子家族”(宇宙形成之初):
10-44秒后,温度1032K,产生夸克、轻子、胶子等→
10-6秒后温度1013K,夸克构成了质子和中子等(强子时代)→
温度为1011K时,少量夸克,光子、大量中微子和电子存在(轻子时代)→
温度109K时进入核合成时代→
温度降到3000K时,电子与质子复合成氢原子→
冷却,出现了宇宙尘埃
密集尘埃→
星云团
开始发光→
一颗恒星诞生。
恒星收缩升温→
热核反应成氦→
氢大部分聚变为氦→
收缩→
氦聚合成碳→…
(类似)直到产生铁元素。
恒星最后的归宿:
恒星质量小于太阳1.4倍→白矮星
恒星质量是太阳1.4~2倍→中子性
恒星质量更大时(无法抵抗)→黑洞
教师:
引导学生阅读课外材料“科学足迹”,课本第106页“华人科学家在粒子物理领域的杰出贡献”,了解科学发展史。
学生:
了解华人对物理科学的贡献,增强学生的爱国主义热情和热爱科学的高尚的道德情操。
点评:
激发学生的求知欲,让学生有一种探索科学奥秘的愿望。
5.课堂练习(可选为例题)
练习1、目前普遍认为,质子和中子都由被称为μ夸克和d夸克的两类夸克组成,μ夸克带电量为2e/3,d夸克带电量为-e/3,e为元电荷,则下列论断可能的是()
A.质子由1个μ夸克和1个d夸克组成,中子由1个μ夸克和2个d夸克组成
B.质子由2个μ夸克和1个d夸克组成,中子由1个μ夸克和2个d夸克组成
C.质子由1个μ夸克和2个d夸克组成,中子由2个μ夸克和1个d夸克组成
D.质子由2个μ夸克和1个d夸克组成,中子由1个μ夸克和1个d夸克组成
答案:
B
练习2、介子衰变方程为:
→π-+πo其中介子和π-介子带负的基元电荷,πo介子不带电,如图所示,一个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,它们半径Rk-与Rπ-之比为2:
1(πo介子的轨迹未画出)由此可知π-的动量大小与πo的动量大小之比为()
A.1:
1B.1:
2C.1:
3D.1:
6
答案:
C
(三)课堂小结
1.知道组成物质的粒子的发展史
2.了解粒子的种类及特点。
3.知道宇宙演化和恒星的演化过程
4.理解物质世界粒子与宇宙的和谐统一。
学生:
整理课堂笔记,进一步回忆巩固所学知识。
点评:
要求学生梳理知识,进行课堂小结。
(四)作业:
(1)查找有关华人科学家在粒子物理领域的更多成果和事迹与其他同学交流。
(2)“问题与练习”中的1~2题。
★教学体会
粒子和宇宙是近现代物理学重要内容,让学生了解人类对物质结构的认识过程从而进一步认识到物质世界的发展过程:
粒子→宇宙。
本节内容有很多知识相对抽象,课堂教学以讲授为主,并加以适当的补充介绍,使内容更象形象。
一方面让学生了解科学知识,另一方面通过发展名的介绍(尤其是华人在粒子物理学方面的贡献)激发学生爱国主义的精神,培养学生热爱科学、热爱自然的高尚的道德情操,并鼓励他们为祖国、为科学而努力学习,争取更大贡献。
探究洛伦兹力
★新课标要求
(一)知识与技能
1、知道什么是洛伦兹力。
2、利用左手定则会判断洛伦兹力的方向。
3、知道洛伦兹力大小的推理过程。
4、掌握垂直进入磁场方向的带电粒子,受到洛伦兹力大小的计算。
5、理解洛伦兹力对电荷不做功。
6、了解电视机显像管的工作原理。
(二)过程与方法
通过洛伦兹力大小的推导过程进一步培养学生的分析推理能力。
(三)情感、态度与价值观
让学生认真体会科学研究最基本的思维方法:
“推理—假设—实验验证”
★教学重点
1、利用左手定则会判断洛伦兹力的方向。
2、掌握垂直进入磁场方向的带电粒子,受到洛伦兹力大小的计算。
★教学难点
1、理解洛伦兹力对运动电荷不做功。
2、洛伦兹力方向的判断。
★教学方法
实验观察法、讲述法、分析推理法
★教学用具:
电子射线管、电源、磁铁、投影仪、投影片
★教学过程
(一)引入新课
教师:
(复习提问)前面我们学习了磁场对电流的作用力,下面思考两个问题:
(1)如图,判定安培力的方向
学生上黑板做,解答如下:
若已知上图中:
B=4.0×10-2T,导线长L=10cm,I=1A。
求:
导线所受的安培力大小?
学生解答:
2019-2020年高中物理3.5《探究洛伦兹力》教案粤教版选修3-1
答:
导线受的安培力大小为4×10-3N。
(2)电流是如何形成的?
学生:
电荷的定向移动形成电流。
教师:
磁场对电流有力的作用,电流是由电荷的定向移动形成的,大家会想到什么?
学生:
这个力可能是作用在运动电荷上的,而安培力是作用在运动电荷上的力的宏观表现。
[演示实验]用阴极射线管研究磁场对运动电荷的作用。
如图3.5-1
教师:
说明电子射线管的原理:
从阴极发射出来电子,在阴阳两极间的高压作用下,使电子加速,形成电子束,轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光,可以显示电子束的运动轨迹。
学生:
观察实验现象。
实验结果:
在没有外磁场时,电子束沿直线运动,将蹄形磁铁靠近阴极射线管,发现电子束运动轨迹发生了弯曲。
学生分析得出结论:
磁场对运动电荷有作用。
(二)进行新课
洛伦兹力的方向和大小
教师讲述:
运动电荷在磁场中受到的作用力称为洛伦兹力。
通电导线在磁场中所受安培力实际是洛伦兹力的宏观表现。
我们用安培定则判断安培力的方向,因此可以用安培定则判断洛伦兹力的方向。
(投影)
左手定则:
伸开左手,使大拇指跟其余四个手指垂直,并且都和手掌在一个平面内,让磁感线垂直穿入手心,并使伸开的四指指向正电荷运动的方向,那么,大拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。
如果运动的是负电荷,则四指指向负电荷运动的反方向,那么拇指所指的方向就是负电荷所受洛伦兹力的方向。
[投影片出示练习题]
(1)试判断下图中所示的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向。
甲乙丙丁
学生解答:
甲中正电荷所受的洛伦兹力方向向上;
乙中负电荷所受的洛伦兹力方向向上;
丙中正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向纸内;
丁中负电荷所受的洛伦兹力的方向垂直于纸面指向纸外
教师:
下面我们来讨论B、v、F三者方向间的相互关系。
如图所示。
学生:
F总垂直于B与v所在的平面。
B与v可以垂直,可以不垂直。
教师:
现在我们来研究洛伦兹力的大小。
若有一段长度为L的通电导线,横截面积为S,单位体积中含有的自由电荷数为n,每个自由电荷的电量为q,定向移动的平均速率为v,将这段导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为B的磁场中。
教师:
这段导体所受的安培力为多大?
学生:
F安=BIL
教师:
电流强度I的微观表达式是什么?
学生:
I的微观表达式为I=nqSv
教师:
这段导体中含有多少自由电荷数?
学生:
这段导体中含有的电荷数为nLS。
教师:
每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为多大?
学生:
安培力可以看作是作用在每个运动上的洛伦兹力F的合力,这段导体中含有的自由电荷数为nLS,所以
教师:
当运动电荷的速度v方向与磁感应强度B的方向不垂直时,设夹角为θ,则电荷所受的洛伦兹力大小为多大?
学生:
教师指出:
上式中各量的单位:
为牛(N),q为库伦(C),v为米/秒(m/s),B为特斯拉(T)
思考与讨论:
同学们讨论一下带电粒子在磁场中运动时,洛伦兹力对带电粒子是否做功?
说明理由。
教师引导学生分析得:
洛伦兹力的方向垂直于v和B组成的平面即洛伦兹力垂直于速度方向,因此,洛伦兹力只改变速度的方向,不改变速度的大小,所以洛伦兹力对电荷不做功。
投影片出示练习题:
练习1、电子的速率v=3×106m/s,垂直射入B=0.10T的匀强磁场中,它受到的洛伦兹力是多大?
学生分析求解,教师巡回指导:
f=qvB=1.60×10-19×3×106×0.10=4.8×10-14N
练习2、来自宇宙的质子流,以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点,则这些质子在进入地球周围的空间时,将_______
A.竖直向下沿直线射向地面B.相对于预定地面向东偏转
C.相对于预定点稍向西偏转D.相对于预定点稍向北偏转
学生分析解答:
B。
地球表面地磁场方向由南向北,质子是氢原子核带正电,根据左手定则可判定,质子自赤道上空竖直下落过程中受洛伦兹力方向向东。
(三)课堂总结、点评
教师活动:
让学生概括总结本节的内容。
请一个同学到黑板上总结,其他同学在笔记本上总结,然后请同学评价黑板上的小结内容。
学生活动:
认真总结概括本节内容,并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结,看谁的更好,好在什么地方。
点评:
总结课堂内容,培养学生概括总结能力。
教师要放开,让学生自己总结所学内容,允许内容的顺序不同,从而构建他们自己的知识框架。
(四)实例探究
☆洛伦兹力的方向
【例1】关于带电粒子所受洛伦兹力F和磁感应强度B及粒子速度v三者之间的关系,下列说法中正确的是
A.F、B、v三者必定均保持垂直
B.F必定垂直于B、v,但B不一定垂直于v
C.B必定垂直于F、v,但F不一定垂直于v
D.v必定垂直于F、B,但F不一定垂直于B
解析:
根据左手定则,洛伦兹力垂直于B,也垂直于v,垂直于B与v所决定的平面,但B与v不一定垂直.
答案:
B
【例2】如图所示的是磁感应强度B、正电荷速度v和磁场对电荷的作用力F三者方向的相互关系图(其中B垂直于F与v决定的平面,B、F、v两两垂直)。
其中正确的是
答案:
D
☆洛伦兹力的大小
【例3】如图所示,匀强磁场方向水平向里,匀强电场方向竖直向下,有一正离子恰能沿直线从左向右水平飞越此区域。
则
A.若电子从右向左飞入,电子也沿直线运动
B.若电子从右向左飞入,电子将向上偏转
C.若电子从右向左飞入,电子将向下偏转
D.若电子从左向右飞入,电子也沿直线运动
解析:
若电子从右向左飞入,电场力向上,洛伦兹力也向上,所以上偏,B正确;若电子从左向右飞入,电场力向上,洛伦兹力向下。
由题意,对正电荷qE=Bqv,与q无关,所以对电子二者也相等,所以电子从左向右飞,做匀速直线运动.
答案:
BD
【例4】一个长螺线管中通有电流,把一个带电粒子沿中轴线方向射入(若不计重力影响),粒子将在管中
A.做圆周运动B.沿轴线来回运动
C.做匀加速直线运动D.做匀速直线运动
解析:
通电长螺线管内部的磁场方向始终与中轴线平行,带电粒子沿磁场方向运动时,不受洛伦兹力,所以一直保持原运动状态不变,正确答案是D。
答案:
D
★教学体会
思维方法是解决问题的灵魂,是物理教学的根本;亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键,离开了思维方法和实践活动,物理教学就成了无源之水、无本之木。
学生素质的培养就成了镜中花,水中月。
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