《“基本”粒子》教案

《“基本”粒子》教案教材分析本课题为普通高中物理选择性必修第三册，第五章第五节的内容《“基本”粒子》。课程内容方面，探索物质结构，认识微观粒子的发现过程。在学习中，使学生体验到科学过程和科学方法。并认识科学技术在促进人类社会发展中的作用。使学生在学习的过程中建构相对完整、科学的物质观念。教学目标分析1.知道电子、中子、质子并不是组成物质的最基本的粒子。2.知道粒子的分类及其作用。3.了解夸克模型。4.感悟人类对物质结构的认识是不断深入的，通过对这些微观世界相关内容的学习，形成相对完整、科学的物质观念教学重点了解构成物质的粒子教学难点各种微观粒子模型的理解教学设计一、基本粒子的发现过程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？①19世纪末都认为原子是组成物质的最小微粒。②发现了电子、质子和中子后，许多人认为光子和它们是组成物质的“基本粒子”。③逐渐发现了数以百计的不由质子、中子、电子组成的新粒子；又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。学生通过学习粒子的发现过程，明白科学的发展是一个不断质疑推翻原有不准确的结果，并不断进步的过程。发现新粒子1.从20世纪30年代以来，人们在对宇宙线的研究中陆续发现了一些新的粒子。1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子。后来还发现了一些粒子，质量比质子的质量大很多，叫作超子。2.1932年发明的粒子加速器，有助于发现更多的新粒子3.反粒子：质量、寿命、自旋等物理性质相同而电荷等其他性质相反的粒子。电子——正电子质子——反质子由反粒子构成的物质叫反物质反粒子（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现在已经发现的粒子达到400多种。粒子的分类粒子的分类概念实例备注强子参与强相互作用的粒子质子、中子强子有内部结构，有夸克构成轻子不参与强相互作用的粒子电子、电子中微子、μ子、μ子中微子以及ԏ子和ԏ子中微子未发现内部结构规范玻色子传递各种相互作用的粒子光子、中间玻色子（W和Z玻色子）、胶子光子、中间玻色子胶子分别传递电磁、弱、强相互作用希格斯玻色子希格斯场的量子激发基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量希格斯玻色子是这几种基本粒子中最后一个被发现的夸克模型1.夸克提出：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.夸克种类（6种）上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克3.夸克模型夸克模型的物理意义夸克模型的提出是物理学发展史中的一个重大突破，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是由于一个一个的突破才得到进一步的发展．华人科学家在粒子物理学领域的杰出贡献在粒子物理学的发展史上，有一批华人科学家作出了众多举世瞩目并被载入史册的重大贡献。1930年，在美国加州理工学院学习的赵忠尧和英国剑桥大学的科学家各自独立地发现硬γ射线在重元素中的“反常吸收”。同年，他又发现了γ射线在重元素中的“额外散射”。这实际上是对正负电子对产生和湮灭过程的最早观察（尽管赵忠尧当时并未意识到这一点）。更重要的是，他的实验结果直接激发美国物理学家安德森完成了发现正电子的著名实验。1933年，谢玉铭和美国科学家豪斯顿合作对氢原子光谱进行了精准测量，发现测量结果和当时的理论有差异，并提出这可能是由于当时关于光和物质相互作用的理论还需要改进。他们发现的这个问题被美国物理学家兰姆等人的实验进一步确认，而理论确实因此而作了重要改进。粒子物理学中极其重要的重整化理论就是由此诞生的。1942年，王淦昌提出证实中微子存在的一种实验方案：观察轻原子K俘获过程中的核反冲。半年后，美国物理学家阿伦照此方案进行实验，找到了中微子。王淦昌还预言在100亿电子伏特质子同步加速器上有可能找到反超子，并于1959年找到了一个与反西格玛负超子有关的事例。1954年，杨振宁和美国物理学家米尔斯提出了杨－米尔斯规范场理论。后来的电弱统一理论和量子色动力学都是在杨－米尔斯规范场理论的基础上建立的。1956年，李政道和杨振宁提出，在弱相互作用过程中宇称不守恒，并提出了实验验证的建议。1957年，吴健雄领导的小组在钴60的衰变中证实了宇称不守恒的论断。不久，宇称不守恒在其他弱相互作用过程中也得到了证实。为此，杨振宁、李政道获得1957年的诺贝尔物理学奖。1974年，丁肇中领导的小组发现了一种新的粒子。这种粒子有两个奇怪的性质：质量大，大约是质子质量的3.3倍；寿命长，比一般介子的寿命长5000倍。这个发现证实了人们对存在第四种夸克——粲夸克的预测。美国科学家里克特也在这一年独立地发现了这种粒子，丁肇中与里克特共获1976年的诺贝尔物理学奖。这种新粒子被命名为J/Ψ介子。小结这节课的内容主要介绍人类认识微观世界的过程，在研究的过程中不断的深入，形成相对完整、科学的物质观念。测评一、单项选择题(本题共7小题,每小题4分,共28分。每小题只有一个选项符合题目要求)1.(山东潍坊三模)下列事实中,能说明原子核具有复杂结构的是()A.α粒子散射实验B.天然放射现象C.电子的发现D.玻尔的原子模型答案B解析α粒子散射实验证明了原子的核式结构模型,故A错误;天然放射现象在原子核内部发生,说明原子核具有复杂结构,故B正确;电子的发现说明原子具有复杂结构,故C错误;玻尔的原子模型中提出了定态和跃迁的概念,成功地解释了氢原子光谱的实验规律,故D错误。2.下列说法正确的是()A.

92238U衰变为

91234Pa要经过2次B.β射线与γ射线一样都是电磁波,但β射线的穿透本领远比γ射线弱C.放射性元素的半衰期与原子所处的化学状态和外部条件有关D.天然放射现象使人类首次认识到原子核可分答案D解析

92238U衰变为

91234Pa要经过1次α衰变和1次β衰变,A错误;β射线是高速电子流,B错误;半衰期与原子所处的物理、化学状态无关,C错误3.如图所示,x为未知放射源,它向右方放出射线,p为一张厚度为0.5mm左右的薄铝箔,铝箔右侧是一真空区域,内有较强磁场,q为荧光屏,h是观察装置。实验时,若将磁场撤去,每分钟观察到荧光屏上的亮点数基本没有变化,再将铝箔移开,则每分钟观察到荧光屏上的亮点数明显增加,则可知放射源x可能为()A.α射线和β射线的混合放射源B.α射线和γ射线的混合放射源C.β射线和γ射线的混合放射源D.α射线、β射线和γ射线的混合放射源答案B解析将强磁场撤去,每分钟观察到荧光屏上的亮点数基本没有变化,说明磁场对穿过p的射线粒子没有影响,可知射到屏上的是不带电的γ射线;再将厚0.5mm左右的薄铝箔移开,则每分钟观察到荧光屏上的亮点数明显增加,说明除接收到γ射线外,又收到了原来被薄铝箔p挡住的射线,而厚度为0.5mm左右的铝箔能挡住的只有α射线,所以此放射源应是α射线和γ射线的混合放射源。故正确选项为B。4.(浙江模拟)正电子发射型计算机断层显像的基本原理是将放射性同位素15O注入人体,15O在人体内衰变放出的正电子与人体内的负电子相遇湮灭转化为一对γ光子,被探测器采集后,经计算机处理生成清晰图像。已知15O的半衰期为2.03min,正、负电子的质量均为m,光速c,普朗克常量h,下列说法正确的是()A.辐射出γ光子的动量为2mcB.正、负电子相遇湮灭过程的质量亏损为mc2C.15O在人体内衰变的方程是

8D.经过4.06min剩余15O为原来的四分之一答案D解析据题意可知,正负电子的能量转化为一对光子的能量,即2mc2=2hν,一个光子的能量E=hν=hcλ=mc2,单个光子的动量p=ℎλ=Ec=mc,故A错误;根据质能方程可得:Δm=ΔEc2=2mc2c2=2m,故B错误;根据质量数守恒和电荷数守恒可得:15O人体内衰变的方程是

815O→15.(辽宁葫芦岛模拟)月面上空几乎没有空气,月夜的温度会降到-180℃,因此玉兔号月球车在月夜要休眠。为了使车内温度不至于降到太低而冻坏那些相对脆弱的设备,科学家们专门给月球车配备了一种特制的放射性同位素核能电池热源,使月球车在休眠时能稳定发热。这种核能电池中的核反应可能是()A.13B.92235UC.94238Pu→95D.714N+2答案C解析对于A选项,此核反应是聚变反应,反应剧烈,至今可控聚变反应还处于各种实验研究阶段,所以不宜采用,故A错误;对于B选项,此核反应是重核裂变反应,虽然实现了人工控制,但因反应剧烈,防护要求高还不能小型化,目前只是一些大型的核电站采用,故B错误;对于C选项,此核反应是人工放射性同位素的衰变反应,是小型核能电池主要采用的反应方式,故C正确;对于D选项,此核反应是人工核转变反应,需要高能α粒子,在月球上不宜实现,故D错误。6.(浙江绍兴上虞区二模)下列说法正确的是()A.图甲中的γ射线可能是原子中的内层电子跃迁时产生的B.图乙中原子核衰变放出β粒子,说明β粒子是组成原子核的一种粒子C.图丙的γ射线测厚装置,若探测器测得的射线越弱,说明金属板厚度越厚D.图丁中氡的半衰期是3.8天,说明20个氡原子核经过7.6天,还剩下5个未衰变答案C解析题图甲中的γ射线是伴随放射性元素的衰变产生的,故A错误;题图乙原子核衰变放出β粒子,是由于发生β衰变产生的,β衰变中生成的电子是一个中子转化为一个质子同时生成一个电子,这种转化产生的电子发射到核外,就是β粒子,但β粒子不是组成原子核的一种粒子,故B错误;γ射线具有较强的穿过本领,题图丙的γ射线测厚装置,若探测器测得的射线越弱,说明金属板厚度越厚,故C正确;半衰期是大量放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,对于少数的放射性原子不能使用,故D错误。7.一静止的原子核

naX发生α衰变,变成另一个新的原子核Y,衰变后测得α粒子的速率为v,已知α粒子的质量为m0,原子核Y的质量为M,下列说法正确的是(A.原子核Y的符号表示为a-m0n-2YB.nC.原子核Y的速率为mD.原子衰变过程中释放的核能为12m0v答案C解析质量数和质量不能混淆,原子核Y的符号应表示为

n-2a-4Y,故A错误;因该核反应放出核能,则

naX的比结合能小于Y核的比结合能,故B错误;根据动量守恒定律可得m0v=Mv'得v'=m0vM,故C正确;因原子核Y也有动能二、多项选择题(本题共3小题,每小题6分,共18分。全部选对得6分,选对但选不全的得3分,有错选的得0分)8.关于原子核的衰变,下列说法正确的是()A.对于一个特定的衰变原子核,我们只知道它发生衰变的概率,而不知道它将何时发生衰变B.放射性元素A经过2次α衰变和1次β衰变后生成一新元素B,则元素B在元素周期表中的位置较元素A的位置向前移动了2位C.β衰变的实质在于核内的质子转化成了一个中子和一个电子D.碘131的半衰期约为8天,若某药物含有质量为m的碘131,经过32天后,该药物中碘131的含量大约还有m答案AD解析对于一个特定的衰变原子核,我们只知道它发生衰变的概率,并不知道它将何时发生衰变,故A正确;原子核经过2次α衰变后电荷数减小4,同时,经过一次β衰变,电荷数增加1,所以元素A经过2次α衰变和1次β衰变后电荷数减小3,则生成的新元素在元素周期表中的位置向前移3位,故B错误;β射线是原子核内部一个中子变成一个质子和电子产生的,故C错误;碘131的半衰期约为8天,经过32天后,碘131的剩余质量为m'=m16,故D9.(河南洛阳一模)“东方超环”是我国自主设计建造的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置。有“人造太阳”之称的“东方超环”实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破,获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步,已知“人造太阳”核聚变的反应方程为

12H+

13H→24HeA.要使轻核发生聚变,就要利用粒子加速器,使轻核拥有很大的动能B.Z=0,M=1C.1mol氘核和1mol氚核发生核聚变,可以放出17.6MeV的能量D.聚变比裂变更安全、清洁答案BD解析“人造太阳”是以超导磁场约束,让等离子气体达到上亿度的高温而发生轻核聚变,故A错误;根据质量数和核电荷数守恒,可以求出

ZMX为中子

01n,Z=0,M=1,故B正确;1个氘核和1个氚核发生核聚变,可以放出17.6MeV的能量,故C错误;轻核聚变产生物为氦核,没有辐射和污染,所以聚变比裂变更安全、清洁10.(浙江杭州模拟)据国内媒体报道,中国南海“充电宝”的构想即将实现,大陆第一座海上浮动核电站即将建设完成。据专家透露,中国计划建造20个海上浮动核电站,主要用于海水淡化、资源开发以及为护航潜艇和南海各地区供电。此类核电站采用的是“核裂变”技术,92235U受中子轰击时会发生裂变,产生

56144Ba和

3689Kr,同时放出能量,已知每个铀核裂变时释放的能量约为200MeV,阿伏加德罗常数取NA=6.0×10A.核反应方程为

92235U→56144B.56139Ba的结合能比C.只有铀块的体积不小于临界体积时才能发生链式反应D.若有1mol的铀发生核反应,且核裂变释放的能量一半转化为电能,则产生的电能约为9.6×1012J答案CD解析该核反应方程为

92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n,故A错误;由于

56139Ba的核子数比

92235U少,可知

56139Ba的结合能比

92235U小,故B错误;根据发生链式反应的条件,铀块的体积不小于临界体积,故C正确;由质能方程可计算得产生的电能为E=12×6.02×1023×200×10三、非选择题(本题共5小题,共54分)11.(6分)如图所示是利用放射线自动控制铝板厚度的装置,假如放射源能放射出α、β、γ三种射线,而根据设计,该生产线压制的是3mm厚的铝板,那么是三种射线中的射线对控制厚度起主要作用。当探测接收器单位时间内接收的放射性粒子的个数超过标准值时,将会通过自动装置将M、N两个轧辊间的距离调(选填“大”或“小”)一些。

答案β大解析α射线不能穿过3mm厚的铝板,γ射线又很容易穿过3mm厚的铝板,基本不受铝板厚度的影响,而β射线刚好能穿透几毫米厚的铝板,因此厚度的微小变化会使穿过铝板β射线的强度发生较明显变化,所以是β射线对控制厚度起主要作用。若超过标准值,说明铝板薄了,应将两个轧辊间的距离调节得大些。12.(8分)约里奥-居里夫妇因发现人工放射性而获得了1935年的诺贝尔化学奖,他们发现的放射性元素

1530P衰变成

1430Si的同时放出另一种粒子,这种粒子是。

1532P是

1530P的同位素,被广泛应用于生物示踪技术。1mg答案正电子56解析衰变方程为

1530P→1430Si++10e,即这种粒子是正电子。由图像可以看出

1532P的半衰期为14天,则4mg×1213.(10分)放射性同位素

614C被考古学家称为“碳钟(1)宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后,会形成很不稳定的

614C,它很容易发生衰变,放出(2)若测得一古生物遗骸中的

614C含量只有活体中的12答案(1)7

614C解析(1)核反应方程为

714N+0(2)活体中的

614C含量不变,生物死亡后,遗骸中的

614C按衰变规律变化,设活体中

614C的含量为N原,遗骸中的

614C含量为N余,由半衰期的定义得:N余=N原12

所以tτ=3,τ=5730年,则t=1719014.(14分)用速度大小为v的中子(01n)轰击静止的锂核(36Li),发生核反应后生成氚核和α粒子。已知氚核速度方向与中子的初速度方向相反,氚核与α粒子的速度之比为7∶8,质子与中子的质量近似相等且均为(1)写出核反应方程;(2)求氚核与α粒子的速度大小;(3)若核反应过程中放出的核能全部转化为氚核和α粒子的动能,求该过程