5. “基本”粒子（表格式教学设计）物理人教版选择性必修第三册

该高中物理教学设计聚焦“基本”粒子核心知识，涵盖新粒子发现、粒子分类、夸克模型及标准模型。通过质子对撞轨迹图导入，联系20世纪粒子碰撞与宇宙线观测发现，引导学生思考新粒子分类及关系，搭建从宏观现象到微观结构的学习支架。 此资料亮点在于融合物理观念、科学思维与科学态度，通过梳理科学家发现历程（如汤姆孙发现电子、盖尔曼提出夸克模型）建构微观物质层级观念，结合反粒子湮灭、K介子衰变等例题培养科学推理能力，融入华人科学家贡献案例激发探究精神，分层练习与清晰板书设计助力教师高效教学，帮助学生形成系统思维。

第5节 “基本”粒子 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第5节 “基本”粒子 教学 目标 物理观念 了解基本粒子的概念、分类及夸克模型，建立微观物质结构的层级观念，理解粒子与相互作用的关联。 科学思维 通过分析粒子反应与模型建构，体会从现象到本质的推理逻辑，形成粒子物理的系统思维。 科学探究 了解粒子探测的实验研究方法，体会理论与实验结合的研究思路，提升基于证据论证的能力。 科学态度 与责任 感受人类探索微观世界的历程，体会科学家严谨求实的精神，认识粒子物理对科技与社会发展的意义。 教学 重难点 1.基本粒子的概念、分类体系及夸克模型的核心内容(重点)。 2.四种基本相互作用与对应传递粒子的理解，粒子间相互作用的规律(重点)。 3.夸克模型中夸克的电荷分数、夸克禁闭等概念的理解；粒子分类与相互作用间的内在逻辑联系(难点)。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 教师：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。这些新发现的粒子分为哪几类？彼此间有什么关系？ 学生思考问题。 新课讲授 一、发现新粒子 教师：现在我们认为原子是什么结构模型，是由什么组成的呢？ 学生：现在我们认为原子是核式结构，说明原子可再分，原子核是由质子与中子构成的。 教师：发现各种微粒的科学家 1.德谟克利特认为，万物的本原或根本元素是“原子”和“虚空”。 2.1897年J.J.汤姆孙发现电子，建立了枣糕模型。 3.贝克勒尔通过对天然放射现象的研究，使人们认识到原子核不是实心的，可以再分。 4.1919年卢瑟福发现质子。 5.1932年查德威克发现中子。 6.1932年美国物理学家安德森用云室在宇宙射线中找到了正电子。 7.1947年，英国物理学家鲍威尔在宇宙射线的乳胶底片上发现了一个新粒子（π介子）。 8.1930年，有科学家在核反应实验中发现中子在衰变成一个质子和电子时，轨迹和能量都有变化，还有一小部分能量不知所踪。三年后，奥地利著名物理学家泡利认为是一个探测不到的粒子带走了能量，预言这个窃走能量的“小偷”就是中微子。 9.1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子结构的夸克模型，夸克模型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。 10.华人科学家的贡献 李政道：31岁时与杨振宁一起因发现弱作用中宇称不守恒而获得诺贝尔物理学奖，此发现后由吴健雄的实验证实。 丁肇中：因发现“J”粒子，于1976年获得诺贝尔物理学奖。 朱棣文：因发明激光冷却和捕捉原子的方法而获得了1997年的诺贝尔物理学奖。 杨振宁：1954年发布杨——米尔斯方程，成为整个粒子物理标准模型的基础，和李政道合作发现宇称不守恒，解决了建立弱力理论和弱电统一理论具体工作的最关键问题。 师生：归纳总结 1.发现新粒子 2.反粒子：粒子的质量、寿命、自旋等物理性质与过去发现的粒子相同，电荷等其他性质相反。 反粒子（反物质）最显著的特点是当它们与相应的正粒子（物质）相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子。 【例1】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 【解析】反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成。故选B。 【例2】人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的粒子，K介子和π介子都是科学家在1947年发现的。K-介子的衰变方程为K-→π0+π-，其中K-介子和π-介子带负电，电荷量等于元电荷的电荷量，π0介子不带电。如图所示，一个K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线，K-介子衰变后，π0介子和π-介子的轨迹可能是 【解析】π0介子不带电，在磁场中不偏转，π-介子带负电，在磁场中洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，再根据动量守恒定律判定知A正确。 学生思考并回答问题。 新课讲授 二、粒子的分类 教师：现在已经发现的粒子达400多种。它们大体可被分为几种类别。 学生：粒子分为：强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子。 教师：强子：参与强相互作用的粒子。如质子、中子。 轻子：不参与强相互作用的粒子。电子、电子中微子、μ子、μ子中微子 τ子和τ子中微子。 教师：当人们发现众多的粒子之后，需要建立起一套理论来加以解释，标准模型就是这样一套用于描述物质间基本作用力及物质组成的理论。在标准模型理论中，构成物质的有两类粒子，一种是强子，一种是轻子，还有一类粒子，负责传递相互作用，叫媒介子（也叫传播子），这种理论认为物质间的相互作用是通过交换“粒子”实现的。 【例3】(多选)关于粒子，下列说法正确的是 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，它们具有复杂的结构 C.质子是带电的强子 D.光子是希格斯玻色子 【解析】质子和中子是由不同的夸克组成的，它们不是最基本的粒子，故A错误，B正确；不同的夸克组成的强子，有的带电，有的不带电，质子是带正电的强子，故C正确；光子是规范玻色子，故D错误。 学生思考并回答问题。 新课讲授 三、夸克与粒子物理标准模型 教师：标准粒子模型中的粒子类型有哪些？ 学生：标准模型如下： 教师：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。 【例4】(多选)(2023·武威市高二月考)质子和中子属于强子，强子是由更基本的粒子——夸克组成。根据夸克模型，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。它们的带电荷量分别为-e/3或+2/3e，电荷量e为元电荷。已知一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。则下列说法正确的是 A.上夸克的电荷量为+2e/3 B.下夸克的电荷量为-e/3 C.上夸克的电荷量为-e/3 D.下夸克的电荷量为+2e/3 【解析】根据质子带电荷量为+e和中子不带电，设上、下夸克的电荷量分别为q1、q2，则有2q1+q2=+e，q1+2q2=0，解得q1=+2/3e，q2=-e/3，故选A、B。 学生思考并回答问题。 课 堂 练 习 1.下列所述不正确的是(　　) A.强子是参与强相互作用的粒子 B.轻子是不参与强相互作用的粒子 C.目前发现的轻子只有8种 D.夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的＋或－ 【解析】由三类粒子的特性可知A、B正确；而目前发现的轻子只有6种，C错误；夸克模型经过几十年的发展．已知夸克有6种，它们带的电荷分别为元电荷的＋或－，D正确． 2.目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的．u夸克带电荷量为e，d夸克带电荷量为－e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是(　　) A.质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成 B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成 C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成 D.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成 【解析】质子H带电荷量为2×e＋＝e，中子n带电荷量为e＋2×＝0.故B正确． 3.“轨道电子俘获”是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核(称为母核)俘获一个核外电子，使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核(称为子核)的过程．中微子的质量远小于质子的质量，且不带电，很难被探测到，人们最早就是通过核的反冲而间接证明中微子的存在的．一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子．下列说法正确的是(　　) A.母核的质量数小于子核的质量数 B.母核的电荷数大于子核的电荷数 C.子核的动量与中微子的动量相同 D.子核的动能大于中微子的动能 【解析】原子核(称为母核)俘获一个核外电子，使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核(称为子核)的过程，电荷数少1，质量数不变，故A错误，B正确；原子核(称为母核)俘获电子的过程中动量守恒，初状态系统的总动量为0，则子核的动量和中微子的动量大小相等，方向相反，故C错误；子核的动量大小和中微子的动量大小相等，由于中微子的质量很小，由Ek＝知，中微子的动能大于子核的动能，故D错误． 4.某核反应方程为H＋H―→He＋n＋17.6 MeV，现真空中有两个动量大小相等，方向相反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量(远大于碰前氘核和氚核的动能)全部转化为He与n的动能，则(　　) A.该反应有质量亏损 B.该反应为核裂变 C.n获得的动能约为14 MeV D.He获得的动能约为14 MeV 【解析】核反应过程中质量数守恒，有质量亏损，A正确；该反应是核聚变反应，B错误；在真空中，该反应动量守恒，由于相撞前氘核与氚核动量大小相等，方向相反，系统总动量为0，故反应后氦核与中子的动量也大小相等，方向相反，由Ek＝，得反应后粒子获得的动能之比为EkHe∶Ekn＝mn∶mHe＝1∶4，而两个粒子获得的总动能为17.6 MeV，故n获得的动能Ekn＝×17.6 MeV＝14.08 MeV，He获得的动能EkHe＝×17.6 MeV＝3.52 MeV，C正确，D错误。 5.现在的核电站广泛采用的核反应方程之一是：U＋n→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ (1)核反应方程中的是反中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数． (2)已知铀(235U)核的质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，钕(143Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u；又知1 u＝1.660 6×10－27 kg.试计算1 kg铀235大约能产生的能量是多少？ 【解析】(1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90，核反应方程中应用符号Zr表示． (2)1 kg铀235的原子核数为n＝×6.02×1023(个)，不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为Δm＝0.212 u 1 kg铀235完全裂变放出的能量约为E＝nΔmc2≈8.12×1013 J. 课 堂 小 结 板 书 设 计 第5节 “基本”粒子 1.“基本粒子”不基本 在19世纪末，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，随着科学的进一步发展，科学家发现质子、中子也有着自己的复杂结构，于是“基本粒子”不再“基本”。 2.发现新粒子 (1)1932年发现正电子，1937年发现μ子，1947年发现K介子和π介子。之后又发现了质量比质子大很多的粒子，叫作超子。 (2)实验中发现，存在着这样一类粒子，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，这些粒子叫作反粒子。 3.粒子分类 按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子。 4.(1)夸克、夸克模型：1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克。 (2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。 (3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。 (4)粒子物理标准模型是一整套关于粒子的理论。其中，夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子。 作业 布置 1.完成教材课后作业：“练习与应用”。 2.配套分层作业。 教学反思 在知识总结中，可先鼓励学生自行尝试，教师再给予引导性问题支持，逐渐培养知识总结的意识与能力。测评题目也可选择教材配套练习与应用进行，教师仍需对相应题目中涉及的核心素养及其水平进行分析，以保证测评的有效性。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $