19.8《粒子和宇宙》PPT课件(新人教版 选修3-5)
文档属性
| 名称 | 19.8《粒子和宇宙》PPT课件(新人教版 选修3-5) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 1.5MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2012-06-16 08:12:37 | ||
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文档简介
(共32张PPT)
新课标人教版课件系列
《高中物理》
选修3-5
19.8《粒子和宇宙》
教学目标
1、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。
2、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。
3、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。
第十九章 原子核
第八节 粒子和宇宙
比比谁小
分子由______构成，不同原子构成_______分子，相同原子构成_______分子。
原子是由位于中心的_______和核外高速旋转的______构成的。
（电子带___电，原子核带___电）
原子核是由_____和_____构成的。
（质子带___电，中子_______电）
质子和中子都是由_____组成的。
原子
化合物
单质
原子核
电子
负
正
质子
中子
不带
夸克
正
盖尔曼
（夸克）
道尔顿
（原子）
汤姆逊
（电子）
卢瑟福（质子）
查德威克（中子）
盖尔曼
（夸克）
发现各种微粒的科学家
一、“基本粒子”不基本
1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(Top Quark)的存在
二、发现新的粒子
粒子的分类
分类 自旋 泡利不相容原理 统计规律
费米子
(电子 质子 中子 各种重子) 半整数
1/2，3/2，… 服从 费米—狄拉克统计分布
玻色子
( 光子 介子
K介子、 介子 ) 整数
0 或 1 等 不服从 玻色— 爱因斯坦统计分布
1. 按自旋分类
2. 共振态粒子— 寿命极短（约10-23s）
万有引力 电磁力 弱相互作用 强相互作用
引力子 ＋
光子 ＋ ＋
轻子 ＋ ＋ ＋
强子 ＋ ＋ ＋ ＋
4. 按相互作用分类(＋ —— 参与)
正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量 ( 如电荷、磁矩等 ) 的符号相反。
引力子 自旋应为2、静止质量和电荷为零，以光速运动。
光子 自旋为1，是玻色子
3. 正粒子、反粒子
分类 正反粒子 自旋 电荷量
e 重子数B 轻子数 寿命10-6s
轻 子 电子μ子
τ子 1/2 -1 +1
-1 +1
-1 +1
0
0
0 0
-1 +1
稳定
2.2
<2.3
中
微
子 稳定
轻子（共12种）
中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。
说明
分类 粒子名称 自旋
介子 、 、 K介子等 整数 玻色子
重子 核子 质子、中子及其反粒子 1/2
(Ω超子 3/2) 费密子
超子 ΩΣΛΞ超子及反粒子
强子分类
K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象
协同产生: 一个超子总是和一个或几个K介子同时产生。
奇异粒子协同产生的过程极快(约为10-23s), 表明是在强
相互作用下进行的；而衰变过程很慢(寿命约为10-8 ～
10-10s)， 表明是在弱相互作用下进行的。
强子结构的夸克模型
下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s
强子结构夸克模型 (1964年 ) ：
介子（夸克和反夸克组成） 重子（三个夸克组成）
粲夸克 c 底夸克 b 顶夸克 t
三、夸克模型
例如 质子 奇异粒子 π+ 介子
夸克 质量 电荷
e 自旋 重子数 同位旋 同位旋分量 奇异数 超荷 粲数 底数 顶数
d 下夸克 0.008 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0
u 上夸克 0.004 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0
c 粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0
b 底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0
t 顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1
1. 质子
(uud)
电荷
重子数
奇异数
自旋
同位旋
夸克 质量 电荷
e 自旋 重子数 同位旋 同位旋分量 奇异数 超荷 粲数 底数 顶数
d 下夸克 0.008 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0
u 上夸克 0.004 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0
c 粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0
b 底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0
t 顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1
2. 奇异粒子
（uus）
电荷
重子数
奇异数
自旋
夸克 质量 电荷
e 自旋 重子数 同位旋 同位旋分量 奇异数 超荷 粲数 底数 顶数
d 下夸克 0.008 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0
u 上夸克 0.004 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0
c 粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0
b 底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0
t 顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1
夸克 质量 电荷
e 自旋 重子数 同位旋 同位旋分量 奇异数 超荷 粲数 底数 顶数
d 下夸克 0.008 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0
u 上夸克 0.004 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0
c 粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0
b 底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0
t 顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1
1/3 1/2 -1/3 1/2 0
3.π+ 介子
重子数
电荷
奇异数
自旋
同位旋分量
类别 相对强度 力程(m) 作用时间(s) 参与离子
强作用 1 < 10-15 10-23 强子
电磁作用 ~10-2 长程 10-20 ~ 10-16 强子 轻子 光子
弱作用 ~10-13 < 10-17 ~ 10-8 强子 轻子
引力作用 ~10-39 长程 一切物质
四种基本相互作用
1. 四种基本相互作用的性质
相互作用是通过交换一定粒子实现的
作用类型 引力作用 电磁作用 弱作用 强作用
交换粒子 引力子 光子 玻色子 (W+ 、W–
Z0 粒子) 胶子
引力子尚未被实验证实
弱电统一理论:电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。
大统一理论试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。
1983年，鲁比亚实验组在高能质子—反质子对撞试验中发现了W +、W -和 Z0 粒子。为60年代提出的弱电统一理论提供了实验上的支持。
欧洲核子中心高能质子同步加速器上的UAI 探测器
四、宇宙的演化
宇宙——从何而来？
大爆炸理论 (The Big Bang Theory)
宇宙从一个“奇点”爆炸产生
大爆炸是在无限的宇宙各处同时产生
时间的零点
早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。
1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。"整个空间"可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。
根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。
从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：
大爆炸开始时 150－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。
大爆炸后10-43秒 宇宙从量子背景出现。
大爆炸后10-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。
大爆炸后10-5秒 10万亿度，质子和中子形成。
大爆炸后0.01秒 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。
大爆炸后0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。
大爆炸后1秒后 100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。
大爆炸后13.8秒后 30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。
大爆炸后35分钟后 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。
大爆炸后30万年后 3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。
五、恒星的演化
粒子物理和宇宙学殊途同归
17．(2004天津) 中子内有一个电荷量为+2e/3 的上夸克和两个电荷量为的 -1e/3 下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r 的同一圆周上，如图1所示。图2给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是:
A． B． C． D．
新课标人教版课件系列
《高中物理》
选修3-5
19.8《粒子和宇宙》
教学目标
1、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。
2、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。
3、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。
第十九章 原子核
第八节 粒子和宇宙
比比谁小
分子由______构成，不同原子构成_______分子，相同原子构成_______分子。
原子是由位于中心的_______和核外高速旋转的______构成的。
（电子带___电，原子核带___电）
原子核是由_____和_____构成的。
（质子带___电，中子_______电）
质子和中子都是由_____组成的。
原子
化合物
单质
原子核
电子
负
正
质子
中子
不带
夸克
正
盖尔曼
（夸克）
道尔顿
（原子）
汤姆逊
（电子）
卢瑟福（质子）
查德威克（中子）
盖尔曼
（夸克）
发现各种微粒的科学家
一、“基本粒子”不基本
1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(Top Quark)的存在
二、发现新的粒子
粒子的分类
分类 自旋 泡利不相容原理 统计规律
费米子
(电子 质子 中子 各种重子) 半整数
1/2，3/2，… 服从 费米—狄拉克统计分布
玻色子
( 光子 介子
K介子、 介子 ) 整数
0 或 1 等 不服从 玻色— 爱因斯坦统计分布
1. 按自旋分类
2. 共振态粒子— 寿命极短（约10-23s）
万有引力 电磁力 弱相互作用 强相互作用
引力子 ＋
光子 ＋ ＋
轻子 ＋ ＋ ＋
强子 ＋ ＋ ＋ ＋
4. 按相互作用分类(＋ —— 参与)
正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量 ( 如电荷、磁矩等 ) 的符号相反。
引力子 自旋应为2、静止质量和电荷为零，以光速运动。
光子 自旋为1，是玻色子
3. 正粒子、反粒子
分类 正反粒子 自旋 电荷量
e 重子数B 轻子数 寿命10-6s
轻 子 电子μ子
τ子 1/2 -1 +1
-1 +1
-1 +1
0
0
0 0
-1 +1
稳定
2.2
<2.3
中
微
子 稳定
轻子（共12种）
中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。
说明
分类 粒子名称 自旋
介子 、 、 K介子等 整数 玻色子
重子 核子 质子、中子及其反粒子 1/2
(Ω超子 3/2) 费密子
超子 ΩΣΛΞ超子及反粒子
强子分类
K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象
协同产生: 一个超子总是和一个或几个K介子同时产生。
奇异粒子协同产生的过程极快(约为10-23s), 表明是在强
相互作用下进行的；而衰变过程很慢(寿命约为10-8 ～
10-10s)， 表明是在弱相互作用下进行的。
强子结构的夸克模型
下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s
强子结构夸克模型 (1964年 ) ：
介子（夸克和反夸克组成） 重子（三个夸克组成）
粲夸克 c 底夸克 b 顶夸克 t
三、夸克模型
例如 质子 奇异粒子 π+ 介子
夸克 质量 电荷
e 自旋 重子数 同位旋 同位旋分量 奇异数 超荷 粲数 底数 顶数
d 下夸克 0.008 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0
u 上夸克 0.004 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0
c 粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0
b 底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0
t 顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1
1. 质子
(uud)
电荷
重子数
奇异数
自旋
同位旋
夸克 质量 电荷
e 自旋 重子数 同位旋 同位旋分量 奇异数 超荷 粲数 底数 顶数
d 下夸克 0.008 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0
u 上夸克 0.004 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0
c 粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0
b 底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0
t 顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1
2. 奇异粒子
（uus）
电荷
重子数
奇异数
自旋
夸克 质量 电荷
e 自旋 重子数 同位旋 同位旋分量 奇异数 超荷 粲数 底数 顶数
d 下夸克 0.008 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0
u 上夸克 0.004 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0
c 粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0
b 底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0
t 顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1
夸克 质量 电荷
e 自旋 重子数 同位旋 同位旋分量 奇异数 超荷 粲数 底数 顶数
d 下夸克 0.008 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0
u 上夸克 0.004 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0
c 粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0
b 底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0
t 顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1
1/3 1/2 -1/3 1/2 0
3.π+ 介子
重子数
电荷
奇异数
自旋
同位旋分量
类别 相对强度 力程(m) 作用时间(s) 参与离子
强作用 1 < 10-15 10-23 强子
电磁作用 ~10-2 长程 10-20 ~ 10-16 强子 轻子 光子
弱作用 ~10-13 < 10-17 ~ 10-8 强子 轻子
引力作用 ~10-39 长程 一切物质
四种基本相互作用
1. 四种基本相互作用的性质
相互作用是通过交换一定粒子实现的
作用类型 引力作用 电磁作用 弱作用 强作用
交换粒子 引力子 光子 玻色子 (W+ 、W–
Z0 粒子) 胶子
引力子尚未被实验证实
弱电统一理论:电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。
大统一理论试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。
1983年，鲁比亚实验组在高能质子—反质子对撞试验中发现了W +、W -和 Z0 粒子。为60年代提出的弱电统一理论提供了实验上的支持。
欧洲核子中心高能质子同步加速器上的UAI 探测器
四、宇宙的演化
宇宙——从何而来？
大爆炸理论 (The Big Bang Theory)
宇宙从一个“奇点”爆炸产生
大爆炸是在无限的宇宙各处同时产生
时间的零点
早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。
1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。"整个空间"可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。
根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。
从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：
大爆炸开始时 150－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。
大爆炸后10-43秒 宇宙从量子背景出现。
大爆炸后10-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。
大爆炸后10-5秒 10万亿度，质子和中子形成。
大爆炸后0.01秒 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。
大爆炸后0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。
大爆炸后1秒后 100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。
大爆炸后13.8秒后 30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。
大爆炸后35分钟后 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。
大爆炸后30万年后 3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。
五、恒星的演化
粒子物理和宇宙学殊途同归
17．(2004天津) 中子内有一个电荷量为+2e/3 的上夸克和两个电荷量为的 -1e/3 下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r 的同一圆周上，如图1所示。图2给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是:
A． B． C． D．