5.5 “基本”粒子 教案-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该教案聚焦“基本”粒子的发现历程与分类，通过质子对撞轨迹图情境导入，联系原子结构旧知，以问题驱动学生思考新粒子分类及关系，搭建从宏观到微观的认知支架。 该教案融合科学史与探究式教学，借助粒子发现年份表、分类对比表格等资料，培养学生物质观念与科学思维，例题与评价反馈强化知识应用，激发科学探究热情，为教师提供结构化资源，提升课堂效率与学生核心素养。

第5节　“基本”粒子 教学分析 · 教学目标 物理观念：了解构成物质的“基本粒子”，了解粒子物理的发展史 科学思维：感知人类（科学家）探索粒子奥秘的过程和方法，能够突破传统思维重新认识客观物质世界。 科学探究：通过对“基本”粒子发现过程的学习，体会科学的进步。 科学态度与责任：学习科学家们研究问题的方法，坚持实事求是的科学态度，体验其工作的艰辛，激发探索未来科学的热情。教学重难点 发现新粒子,粒子的分类。 · 教学方法 探究法、讲授法、讨论法。 · 课时安排 1课时 · 教学准备 多媒体辅助教学设备、学案等。 教学设计 一、情境导入 图中显示的是质子对质子碰撞后粒子的轨迹。20世纪,人们通过对粒子碰撞和宇宙线的观测,发现了很多新粒子。 [问题提出]这些新发现的粒子分为哪几类?彼此间有什么关系? [学生活动]观察图片,引起好奇,思考问题。 二、新课讲授 (一)发现新粒子 [科学背景] 直到19世纪末,人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。后来发现了电子、质子和中子,并且知道了原子核和电子组成了原子,质子和中子组成了原子核。于是许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子,并把它们叫作“基本粒子”。 [发现新粒子] 1.粒子 不同种类的新粒子 质子、中子有复杂结构 从20世纪后半期起,就将“基本”二字去掉,统称为粒子。 2.发现新粒子的方法: ①研究宇宙线 ②利用加速器和对撞机 下表呈现的是自20世纪30年代至今物理学家通过实验发现的一部分新粒子。 年份 发现的粒子 年份 发现的粒子 1931—1940 正电子、μ子 1971—1980 τ子、胶子、 J/Ψ介子 1941—1950 K介子、π介子 1981—1990 W 和Z玻色子 1951—1960 反质子、电子中微子 1991—2000 τ子中微子 1961—1970 μ子中微子 2001年至今 希格斯玻色子 超子:质量比质子的质量大很多的粒子。 反粒子:它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同,而电荷等其他性质相反。 例如,电子的反粒子是正电子,它的电荷量与电子相同,但带的是正电荷。质子的反粒子是反质子,它的电荷量与质子相同,但带的是负电荷。 (二)粒子的分类 现在已经发现的粒子达400多种。它们大体可被分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别。 项目 特点 粒子 强子 参与强相互作用的粒子 质子和中子 轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 规范玻色子 传递各种相互作用的粒子 光子、中间玻色子、胶子 希格斯玻色子 希格斯场的量子激发 — 拓展学习:夸克与粒子物理标准模型 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。科学家们直到今天还从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”。 [例题展示] 【例题1】(多选)关于粒子的组成,下列说法正确的是 (　　) A.原子是组成物质的不可再分的最小粒子 B.原子是最大的粒子 C.原子由原子核和核外电子构成,质子和中子构成了原子核 D.质子、中子本身也是复合粒子,它们也有着自己复杂的结构 例题分析:物质由分子组成,分子由更小的原子组成;原子核由带正电的质子与不带电的中子组成;原子由位于原子中心的原子核与核外电子组成;质子与中子由夸克组成,质子与中子可以再分。 例题解答:物质由分子组成,分子由更小的原子组成,原子由处于原子中心的带正电的原子核与核外高速旋转的电子组成,质子和中子构成了原子核,故A、B错误,C正确;质子与中子由夸克组成,质子与中子可以再分,故D正确。故选CD。 答案:CD 本知识点设计说明:对粒子的认识 【例题2】 (多选)关于人们发现的新粒子,下列说法正确的是(　　) A.许多粒子都有自己的反粒子 B.电子属于轻子 C.质子属于强子 D.光子属于轻子 例题分析:根据粒子的分类、粒子与反粒子的描述知A、B、C正确;光子属于规范玻色子,D错误。 例题解答:很多粒子都有自己的反粒子,质子和中子属于强子,电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子属于轻子,光子、中间玻色子、胶子属于规范玻色子。故选ABC。 答案:ABC 本知识点设计说明:粒子的分类 评价反馈 1.下列说法正确的是(　　) A.原子是组成物质的最小微粒 B.质子是比原子更小的微粒 C.目前我们可以断定夸克已不能再分 D.粒子的带电荷量不可能比元电荷再小 答案:B 2.下列说法正确的是(　　) A.最早发现的轻子是电子,最早发现的强子是中子 B.质子、中子、介子和超子都属于强子 C.现代实验发现强子、轻子都有内部结构 D.τ子质量比核子质量大,τ子不属于轻子 答案:B 3.为了探究宇宙起源,科学家将利用阿尔法磁谱仪(AMS)在太空中寻找“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荷量,但电荷的符号相反,则反氢原子是(　　) A.由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成 B.由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成 C.由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成 D.由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成 答案:B 4.太阳放出的大量中微子向地球飞来,但实验测定的数目只有理论的三分之一,后来科学家发现中微子在向地球传播的过程中衰变成一个μ子和一个τ子。若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子的速度方向一致,则τ子的运动方向(　　) A.一定与μ子的方向相同 B.一定与μ子的方向相反 C.一定与μ子在同一直线上 D.不一定与μ子在同一直线上 答案:C 5.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,科学家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H的核反应,间接地证实了中微子的存在。中微子与水中的H发生核反应,产生中子n)和正电子e),即中微子e,可以判定,中微子的质量数和电荷数分别是(　　)　　 　　　　　 　　　　　 A.0和0 B.0和1 C.1和0 D.1和1 答案:A [反馈深化] 题号 1 2 3 4 5 考查点 对“基本”粒子的认识 粒子的分类 反物质的特点 动量守恒定律的应用 核反应方程的规律 典型共 性错误 认识不清 记忆不扎实 对反物质的特点理解有误 缺失对情境中的物理模型建构 对中微子认识不清晰 教师讲 解要点 认识清晰,关注粒子发现的历程 明确记忆的重要性 反物质的特点在情境中的应用 理解动量守恒定律中的方向性 明确质量数和电荷数守恒 课堂小结 一、“基本”粒子不基本 粒子的发现历程 二、粒子的分类 强子;轻子;规范玻色子;希格斯玻色子 三、夸克模型 布置作业 完成学案上的核心素养专练。 教学反思 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,使内容更形象。物质是由分子构成,而分子由原子构成,原子是由原子核和核外电子构成,原子核由中子和质子构成,并且电子、中子、质子都还是有结构的。通过这一过程让学生了解到人类对物质结构的认识是不断深入的,了解到认识无止境,培养热爱探索的精神。 板书设计 第5节　“基本”粒子 一、发现新粒子 1.研究宇宙线发现新的粒子。 2.利用加速器发现新的粒子。 3.反粒子:电荷等其他性质相反的粒子。 二、粒子的分类 它们大体可被分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别。 备课资源 1932年,美国物理学家安德森在研究宇宙射线时果然发现了狄拉克预言的正电子。 20世纪50年代,已发现的基本粒子有数百种, 1961年,盖尔曼根据对称性思想,把有相近性质的强作用基本粒子分成了一个个族,并认为每个族应有8个成员。但是根据当时的实验结果,有一个族的基本粒子只有7个成员,盖尔曼据此大胆预言,还存在一个未被发现的新粒子,第二年(1962年)果然在实验中找到了这个新的基本粒子——η介子。1964年1月,美国布鲁克海文实验室的斯米欧在气泡室的成千上万张照片中找到了Ω-粒子衰变时留下的痕迹。盖尔曼的预言终于实现了!η介子和Ω-粒子的相继发现,证实了盖尔曼理论的正确性,从而确立了对称方法在基本粒子研究中的重要地位。根据对称理论,存在一个三维的基础表示——在这个族里应该有3个粒子只能带有分数电荷,即2/3、-1/3、-1/3的单位电荷,然而分数电荷却从来没有被观测到。盖尔曼给这3个粒子命名为上夸克、下夸克和奇异夸克,统称为夸克。 1969年,盖尔曼因“在基本粒子的分类及相互作用方面的贡献”获诺贝尔物理学奖。 粒子世界住着两大家族:以电子、质子为代表的费米子家族和以光子、介子为代表的玻色子家族,它们分别以物理学家费米和玻色的名字命名。一般认为,每一种粒子都有它的反粒子,费米子和它的反粒子就像一对长相一模一样、但脾气完全相反的双胞胎兄弟,两兄弟一见面就“大打出手”,产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。 1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言,自然界中可能存在一类特殊的费米子,这种费米子的反粒子不但和它自己长相一样,脾气也完全相同。两兄弟站在一起就像照镜子,它们的反粒子就是自己本身,这种费米子被称为“马约拉纳费米子”,又被称为“天使粒子”。在现代物理学家眼里,马约拉纳费米子不仅是一种重要的基本粒子,还与超对称理论以及暗物质息息相关。2017年7月21日,《科学》杂志上刊登的一篇论文引起了物理学界的关注。美国加州大学与斯坦福大学的研究人员合作,在一系列特殊实验中宣称发现了马约拉纳费米子。然而,此粒子非彼粒子。这次宣布发现的是“手性”马约拉纳费米子,它是一个只能在一维路径上往一个方向跑的、自己是自己的反粒子的费米子。这与高能物理学家寻找了80年的马约拉纳费米子很不相同,该马约拉纳费米子是三维的。2018年,微软量子团队在《自然》发表重磅研究,称“观察到马约拉纳费米子存在的相当有力的证据”。不过,3年之后,微软就因“技术错误”撤回了论文。时至今日,找寻“天使粒子”的工作仍在进行中。科学家观察到自然现象背后的和谐关系和庄严秩序,体会到客观规律的力量,并把揭示这种普遍规律,即科学真理,看作是自己的神圣的任务和最高的精神追求。 第 7 页 共 7 页 学科网（北京）股份有限公司 $