【课 题】 §4.4 粒子物理与宇宙的起源
【教学目标】
知识与技能
1、了解物质结构的层次及粒子物理学的发展简史；
2、初步了解宇宙的暴胀和恒星的演化过程；
3、初步理解宇观世界与微观世界的和谐统一。
过程与方法
1、通过了解人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法，了解粒子物理和宇宙起源方面的知识；
2、通过学习能够突破传统思维重新认识客观物质世界。
情感、态度与价值观
1、让学生真正感受到自然的和谐统一，了解科学研究的成果和前景方向；
2、培养学生的科学探索精神，树立辩证科学的世界观。
【教学重点】
1、了解物质结构的层次及粒子物理学的发展简史；了解宇宙的暴胀和恒星的演化过程；
2、了解物质世界的统一性与和谐性。
【教学方法】
读书自学法 + 指导性讲授
【教学过程】
问题引入
问题1：
现在我们所知的构成物体的最小微粒是什么？
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，而且经过许多科学家的探究提出了原子结构模型。
问题2：
现在我们认为原子是什么结构模型，由什么组成？
现在我们认为原子是核式结构，说明原子可再分。且知道原子核由质子与中子构成。
指导学生阅读教材P.81~83
粒子世界
基本粒子概念的提出：
基本粒子是否基本？
发现新粒子：
右图标示了微观粒子的空间尺度：
夸克
夸克是什么？
有哪些种类？
上夸克（u）：电量 +e
下夸克（d）：电量 - e
奇异夸克（s）：
粲夸克（c）：
底夸克（b）：
顶夸克（t）：
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。
例析：
质子、中子及其它一些粒子的组成：
加速器和粒子物理
粒子物理学研究的工具：
高能加速器
粒子探测器
指导学生阅读教材
暴胀的宇宙
宇宙演化的大爆炸假设
恒星的演化
星际物质→星云→原恒星→恒星的“中年”→红巨星→恒星的末期（白矮星、中子星、黑洞）
小粒子与大宇宙
空间尺度：
时间尺度：
联系与交汇：
指导学生阅读教材
四种相互作用
强相互作用
电磁相互作用
弱相互作用
引力相互作用
物理学家的进一步追求：
把四种各有特色的相互作用再综合在一个统一的理论体系中。
【课堂小结】
物质结构的更深层次
暴胀的宇宙和恒星的演化
物质世界的统一性
物理学家的追求
【课后作业布置】
阅读教材P.76：多学一点
《反物质》
阅读教材P.74：信息浏览
《丁肇中的实验研究》
（2）课外作业：思考与探究
教材P.74：家庭作业与活动 1、2、3
自我小测
1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夸克的带电荷量为－e，e为元电荷量，下列论断可能正确的是( )
A．质子由1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
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1个u夸克和1个d夸克组成
2“轨道电子俘获”也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，其内部一个质子变为中子，从而变成一个新核(称为子核)，并且放出一个中微子的过程。中微子的质量很小，不带电，很难被探测到，人们最早就是通过子核的反冲而间接证明中微子的存在的。一个静止的原子的原子核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子。下面的说法中正确的是( )
A．母核的质量数等于子核的质量数
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
3下列说法中正确的是( )
A．太阳是宇宙的中心
B．太阳系中只存在太阳和它的八大行星
C．太阳系是由太阳和若干行星和他们的卫星和彗星组成
D．以上说法都正确
4质子和中子是由更基本的粒子即所谓“夸克”组成的，两个强作用电荷相反(类似于正负电荷)的夸克在距离很近时几乎没有相互作用(称为“渐近自由”)；在距离较远时，它们之间就会出现很强的引力(导致所谓“夸克禁闭”)。作为一个简单的模型，设这样的两夸克之间的相互作用力F与它们之间的距离r的关系为：
F＝
式中F0为大于零的常量，负号表示引力。用U表示夸克间的势能，令U0＝F0(r2－r1)，取无穷远为势能零点。下列U－r图示中正确的是( )
5关于宇宙的成因，目前比较容易被接受的是宇宙起源于________。
6现在科学家们正在设法探寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反。据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数为多少？
71997年8月26日在日本举行的国际学术会上，德国的研究组宣布了他们的研究成果，银河系的中心可能存在一个大黑洞，他们的根据是用口径为3.5 m的天文望远镜对猎户座中位于银河系中心附近的星系进行近6年的观测所得到的数据，他们发现距银河系中心约60亿千米的星系正以2 000千米每秒的速度围绕银河系中心旋转。根据上面数据，试在经典力学范围内(见提示)，通过计算确认，若银河系中心确实存在黑洞的话，其最大半径是多少？(最后结论保留一位有效数字，引力常数G＝6.67×10－11 N·m2/kg2)
8在天体演变过程中，红色巨星发生“超新星爆炸”后，可以形成中子星(电子被迫同原子核中的质子结合而形成中子)，中子星具有极高的密度。
(1)若已知某中子星的密度为107 kg/m3，该中子星的卫星绕它做圆轨道运动，试求该中子星的卫星运行的最小周期；
(2)中子星也在绕自转轴自转，其密度至少应为多大？(假设中子星是通过中子间的万有引力结合成的球状星体，引力常数G＝6.67×10－11 N·m2/kg2)
9已知从地球上的逃逸速度v＝，其中G、M、R分别为万有引力常量、地球的质量和半径。已知G＝6.67×10－11 N·m2/kg2、光速c＝2.99×108 m/s，求下列问题：
(1)逃逸速度大于真空中的光速的天体叫黑洞，设黑洞的质量等于太阳的质量M＝1.98×1030kg，求它可能的最大半径；
(2)在目前天文观测范围内，物质的平均密度为0.4 kg/m3，如果认为我们的宇宙是这样一个均匀大球体，其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中的速度c，因此任何物体都不能逃脱宇宙。问宇宙的半径至少为多大？
参考答案
1解析：质子H带电荷量为2×e＋(－e)＝e，中子n带电荷量为e＋2×(－e)＝0。
答案：B
2答案：AB
3解析：太阳系中以太阳为中心，有八大行星绕太阳运行，有的行星还有卫星，此外还有2 000多颗比较小的小行星和彗星等，所以叙述较完整的是C项。通常我们所说的九大行星是指太阳系中较大的几颗行星，太阳系的组成中还有小行星和彗星。
答案：C
4答案：B
5解析：目前关于宇宙成因有许多说法，其中具代表性和多数科学家所接受的是“大爆炸”学说，认为宇宙起源于一次大爆炸。尽管“大爆炸”学说受到很多人支持，但仍有很多不解之谜。
答案：大爆炸
6解析：因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量相同的电荷量，但电荷的符号相反。所以，反α粒子质量数为4，电荷数为－2。
答案：4 －2
7提示：(1)黑洞是一个密度极大的天体，其表面引力是如此之强，以致包括光在内的所有物质都逃脱不了其引力的作用；
(2)计算中可采用拉普拉斯黑洞模型，即使黑洞表面的物质速度等于光速也逃脱不了引力的作用。
解析：设黑洞质量为M，由题中信息“银河系的中心可能存在一个大黑洞，距银河系中心约60亿千米的星体正以2 000 km/s的速度围绕银河系中心旋转”可以得到这样一个理想模型：质量为m的星体绕银河系中心做圆周运动，则＝，得M＝＝3.6×1035 kg。
由拉普拉斯黑洞模型的信息得到：若质量为m′的物体能以光速在其表面环绕飞行，而不会离去，则＝，得r＝＝()2R＝3×108 m。
当物体速度v＞c时，＝，得r′＜r，所以r为最大半径。
答案：3×108 m
8解析：(1)设中子星的卫星圆轨道半径为R，质量为m，由万有引力提供向心力，可得＝mω2R＝。
又当R＝r(中子星的半径)时，卫星运行周期最小，注意到M＝，由此可得Tmin＝1.2×103 s。
(2)设中子星的质量为M，半径为r，密度为ρ，自转角速度为ω，今在中子星“赤道”表面处取一质量极小的部分，设质量仍为m。由万有引力提供向心力，可得＝mω2r。由M＝ρ，整理可得ρ＝，代入数据，可得ρmin＝1.3×1014 kg/m3。
答案：(1)1.2×103 s (2)1.3×1014 kg/m3
9解析：(1)由题目所提供的信息可知，任何天体均存在其所对应的逃逸速度v2，对于空洞来说，其逃逸速度大于真空中的光速，即v2＞c，所以R＜＝2.93 km，即太阳成为黑洞时的最大半径为2.93 km。
(2)把宇宙视为一普通天体，则质量为M＝ρV＝，其中R为宇宙半径，ρ为宇宙密度，则宇宙所对应的逃逸速度为v＝，由于宇宙密度使其逃逸速度大于光速，即v＞c，由以上的三个关系可得R＞＝4.2×1010(光年)。
答案：(1)2.93 km (2)4.2×1010(光年)
