План-конспект урока
по теме
«Понятие
об элементарных частицах»
(11 класс)
Учитель физики
Черпита Валерий Николаевич
ГБОУ Школа 2051
города Москвы
Понятие об элементарных частицах.
Классификация элементарных частиц.
/data/files/u1514922328.pptx (Презентация к уроку по теме "Понятие об элемент частицах")
Задачи урока: ознакомить учащихся с элементарными частицами как единственными представителями материи на уровне меньших 10 ¯ ¹⁵ м пространственных размеров и расстояний; раскрыть общие свойства элементарных частиц, дать их классификацию.
План урока
| Этапы урока | Время, мин | Методы и приемы |
| Введение: постановка учебных проблем урока | 3 - 5 | Рассказ и формулировка учителя |
| Изучение нового материала: понятие об элементарных частицах, классификация частиц, кварки и др. | 30 - 35 | Рассказ учителя с использованием элементов беседы. Работа с учебником. Хрестоматийный материал. Таблица. Записи в тетради |
| Подведение итогов, выделение главного. Домашнее задание | 5 - 7 | Беседа по вопросам. Формулировка выводов |
1. На протяжении курса физики учащиеся не раз встречались с элементарными частицами. Уже на первой ступени изучались электроны; далее понятие электрона использовалось во многих случаях. В квантовой физике учащиеся узнали о протоне и нейтроне.
Заключительные уроки могут быть проведены в форме школьных лекций, включающих элементы беседы, краткие выступления учащихся по отдельным вопросам. Для поддержания познавательной активности учащихся на уроке нужно обеспечить смену их деятельности, сочетать информационный материал (рассказ, сообщение) с репродуктивным (ответы на вопросы, самостоятельная работа с учебником) и проблемным (постановка проблемы, выдвижение гипотез и т.д.). При подготовке уроков следует позаботиться о средствах наглядности, подготовить таблицы, фотографии треков и т.д. Для многократного применения вводимых понятий времени в курсе уже нет, поэтому следует возможно больше связывать новое с раннее изученным.
2. Изложение нового материала. По мере углубления в строение вещества наука открыла молекулы, атомы, выяснила, что атом состоит из ядра и электронов, наконец, установила сложное строение ядра, в которое входят протоны и нейтроны.
Если мы будем рассматривать строение вещества с учетом этих сведений, то в микромире на уровне малых расстояний, порядка 10¯¹ ⁴ - 10¯¹ ⁵ м, можно заключить, что вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Но материя представлена в природе не только веществом, но и электромагнитным полем. Электромагнитное поле также состоит из микрочастиц - фотонов.
Микрочастица - фотоны, электроны, протоны, нейтроны - называются элементарными частицами. Слово «элементарная» означает простейшая, лежащая в основе материи: все материальные объекты - тела, поля - состоят из этих частиц. При введении этого термина предполагалось, что внутренняя структура у элементарных частиц отсутствует, т.е. они более не из ничего не состоят. Сейчас понятие об элементарности уточнено, о чем будет сказано ниже.
В настоящее время открыто более 400 микрочастиц, по размерам, массе, электрическому заряду (и некоторым другим свойствам) близких к перечисленным выше. Все они также называются элементарными.
Характерная особенность большинства элементарных частиц - их нестабильность . Все частицы, кроме фотонов в пустоте, электронов, протонов, нейтронов (в ядре) и частиц нейтрино, самопроизвольно распадаются, превращаясь в конце концов в стабильные. Эти процессы подобны радиоактивному распаду ядер. Среднее время жизни нестабильных элементарных частиц чрезвычайно мало долгоживущими или относительно стабильными считаются частицы, время жизни которых 10 ¯ ⁶ - 10 ¯ ¹⁴ с, а имеются и частицы, живущие всего 10 ¯ ²² - 10 ¯ ²³ с.
Нейтрон вне ядра также неустойчив: среднее время жизни его 16 мин, но по сравнению с временем жизни короткоживущих частиц это очень большой срок.
Понятно, что если Вселенная когда-то возникла, то за время ее существования до наших дней все нестабильные элементарные частицы распались бы, превратились бы в стабильные или исчезли бы, отдав свою энергию тепловому движению стабильных частиц вещества. Откуда же берутся короткоживущие частицы? Их открыли и получают как в ядерных реакциях, так и в различных реакциях со стабильными элементарными частицами. Реакция происходит, когда одна элементарная частица сталкивается с другой или самопроизвольно распадается. В результате реакции образуются новые частицы, происходит взаимное превращение частиц.
В качестве примера реакции распада приведем следующую реакцию:
n → p + e ¯+ ṽ ,
где нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино.
Антинейтрино и нейтрино - это частицы с очень малой массой покоя, в тысячи раз меньшей самой легкой частицы - электрона. Они электронейтральны. Нейтрино - стабильная частица. Долгое время, посте теоретического предсказания, действия нейтрино не удавалось зафиксировать на опыте. Наконец в 1956 году была осуществлена реакция
p + ṽ → n + e ˖
в которой образовался нейтрон и положительно заряженный электрон - позитрон.
Позитрон обнаруживается в опыте, встречаясь с электроном, - он «исчезает» вместе с электроном:
e ˖ + e ¯ → 2 y
Реакция называется аннигиляцией электронно-позитивной пары; в результате образуются два фотона, которые фиксируются специальными счетчиками.
Взаимная превращаемость элементарных частиц при взаимодействиях - вторая их особенность.
Третья, присущая всем элементарным частицам особенность - наличие у каждой частицы двойника - античастицы. Если частица электрически заряжена, то античастица несет противоположный по знаку заряд. Но существуют античастицы и у незаряженных частиц. При встрече взаимодействие частицы и античастицы приводит к их аннигиляции, т.е. к исчезновению, к превращению в фотоны или другие частицы. В настоящее время античастицы обнаружены почти для всех известных частиц, в том числе получен антипротон, антинейтрон. Получен даже атом, состоящий из античастиц, - антигелий, так что в принципе можно говорить о возможности существования антивещества. Соединение вещества с антивеществом должно привести к переходу вещества в поле, к аннигиляции вещества в рамках законов сохранения энергии, импульса, электрического заряда; при этом выделяется энергия, эквивалентная массе покоя mc ². Но в настоящее время известно, что Вселенная состоит только из вещества, а антивещества в ней нет, как нет или очень мало стабильных античастиц.
Далее следует дать классификацию элементарных частиц с подразделением всех частиц по массе на классы: лептоны, мезоны, барионы. При рассмотрении и анализе таблицы элементарных частиц обращаем внимание на их характеристики: массы, заряды, время жизни. Сообщаем, что в таблицу помещены основные частицы - стабильные и относительно стабильные. Множество нестабильных частиц - мезонов и барионов, называемых резонансами , - в таблицу не помещено.
Обсуждаем размеры частиц. По современным данным, фотоны и лептоны не обнаруживают в опытах протяженности и внутренней структуры. В этом отношении их можно отнести к истинно элементарным (первичным) частицам. Мезоны и барионы имеют размеры порядка 10 ¯ ¹⁵ м. Опыты по рассеянию на них электронов очень высокой энергии, подобные опытам Резерфорда, приводят к выводу о наличии внутренней структуры мезонов и барионов. Можно сказать, что они не элементарны, а состоят из субэлементарных частиц, получивших название кварки .
Мы не затрагиваем при изучении элементарных частиц второе макроскопическое поле, существующее в природе,- гравитационное. Теоретически установлено, что на микроуровне оно состоит из квантов поля, называемых гравитонами . Это, как и фотоны, частицы без массы покоя я заряда. Однако гравитон экспериментально не обнаружен.
3. Подведение итогов. Рефлексия
Домашнее задание
Молянова Надежда Михайловна ID 011
Тема: Зарождение физики элементарных частиц. Классификация элементарных частиц.Основное содержание учебного материала:
- Исторические этапы развития элементарных частиц.
- Понятие об элементарных частицах и их классификация, взаимные превращения.
- Типы взаимодействий элементарных частиц.
- Элементарные частицы в нашей жизни.
Тип урока: обобщение и систематизация.
Форма урока: Лекция с элементами беседы и самостоятельной работы учащихся с учебником и таблицами.(Таблицы лежат на столах у учащихся и проецируются на экран в процессе урока)
Цель урока:
- Расширить представление учащихся о строении вещества, дать классификацию элементарных частиц, их общие свойства, ознакомить с основными этапами развития.
- Развивать научное мышление учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях
Ход урока:
1. Организационный момент (1 мин.)
2. Изучение нового материала (30 мин.)
3. Закрепление изученных знаний (6 мин.)
4. Подведение итогов (2 мин.)
5. Д/З (1 мин.)
1. Сегодня на уроке мы будем говорить о первичных, неразложимых далее частицах, из которых состоит вся материя. Вы уже более или менее знакомы с электроном, фотоном, протоном и нейтроном. Но что же такое элементарная частица?
2. Исторические этапы развития элементарных частиц можно представить в виде таблицы.
В начале xx века было установлено, что все атомы построены из нейтронов, протонов и электронов. Были открыты позитроны, нейтрино, фотон (гамма - квант).
Основные характеристики наиболее часто встречающихся элементарных частиц.
Элементарные частицы, в точном смысле этого слова – это первичные неразложимые далее частицы, из которых состоят все вещества.
В настоящее время этот термин применяется для большой группы микрочастиц, которые НЕ являются атомами или ядрами, за исключением протона являющегося и элементарной частицей и ядром легкого атома водорода.
Элементарные частицы характеризуются параметрами: "масса покоя частицы, величина спина, величина электрического заряда, время жизни."
Спин элементарной частицы равен отношению постоянной Планка к 2 п
Частицы, имеющие спин и т.д., называют бозонами ; с полуцелым спином - фермионами , т.е.все элементарные частицы разделяются на частицы и античастицы. Они имеют одинаковые массы, спины, времена жизни и равные по модулю электрические заряды.
Позитрон обнаружен в камере Вильсона в 1928 г. Эта частица – электрон, но с положительным зарядом Позитрон был обнаружен в космических лучах. Позже при взаимодействии гамма- квантов с веществом и в реакции превращения протона в нейтрон.
Процесс взаимодействия элементарной частицы с античастицей, в результате чего они превращаются в другие частицы или кванты электромагнитного поля, называют аннигиляцией
(исчезновение). Реакция аннигиляции:
Процесс, обратный аннигиляции, называется рождением пары
.
Вопрос:
Подумайте, какое строение будет иметь антидейтерий?
Ответ:
состоит из электрона и ядра(протон и нейтрон). Атом антидейтерия будет состоять из антиядра (антипротона и антинейтрона) и одного позитрона, движущегося вокруг антиядра.
Элементарные частицы участвуют в четырёх известных фундаментальных видах взаимодействия:
сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. (см. таб.3)
Энергии фундаментальных взаимодействий относятся примерно так:
Рассмотрим табл.4
Вопрос:
Назовите основные классы элементарных частиц.
Ответ: фотоны, лептоны, мезоны, барионы.
Вопрос:
Назовите основные характеристики элементарных частиц.
Ответ:
Масса, заряд, спин, время жизни.
Вопрос:
Чем отличаются частицы и античастицы?
Ответ:
Знаки электрических зарядов у частицы и античастицы противоположны.
Фотоны
– частицы, участвующие в электромагнитных и гравитационных взаимодействиях.
Лептоны
– частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, но способные к трём остальным.
Адроны
– частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. В этот класс объединяются барионы и мезоны
. Барионы имеют полуцелые спины, а мезоны – целочисленные спины. Принадлежность к барионам отмечается присвоением барионного заряда – числа равного +1 для частицы, и -1 для античастицы. К адронам относятся только часть мезонов (П -мезон). Нуклоны относятся к барионам. Барионы, масса которых больше массы нуклона, называют гиперонами
.
Принадлежность к лептонам отмечается присвоением каждой частице лептонного заряда: для частиц +1, для античастиц -1.
Установлено, что адроны состоят из кварков
– шести частиц, имеющих дробный элементарный электрический заряд. Кварки не наблюдались в свободном состоянии, только в самом центре нуклона находятся как самостоятельные частицы.
Для того, чтобы проникнуть глубже в микромир, необходимо использовать частицы всё больших энергий.
Оказывается, при огромной энергии, существующей при температуре слабое и электромагнитное взаимодействия объединяются в электрослабое. При объединяются все четыре взаимодействия, при этом становятся возможными превращения частиц физической материи (фермионов) в частицы – переносчики взаимодействия (бозоны).
Почему так необходима информация об элементарных частицах?
Важнейшим для физики элементарных частиц является вывод о связи между массой и энергией. Энергия тела или системы тем равна массе, умноженной на квадрат скорости.
Есть над чем подумать!
Нейтрино – частица, которая появилась в момент рождения Вселенной и носит много информации, поэтому нейтринные телескопы «ловят»частицы и ученные изучают их.
Существует прибор позитронный томограф. В кровь живого организма вводят радиоактивный элемент, излучающий позитроны, которые вступают в реакцию с электронами организма, аннигилируют, излучают гамма-лучи, которые фиксируются детектором.
В малых дозах гамма-кванты оказывают на живые организмы определенную пользу. Область применения – медицина, наука, техника.
3.
Используя опорные конспекты, учебник, таблицы, дайте ответы на вопросы.
4. Все элементарные частицы превращаются друг в друга, т.е. эти взаимные превращения являются главным фактором их существования. Среди свойств элементарных частиц можно выделить следующие: нестабильность, взаимопревращаемость и взаимодействие, наличие у каждой частицы античастицы, сложная структура, классификация.
Мир состоит из фундаментальных частиц. Любое материальное тело обладает массой. А что такое масса? БАК ускоритель частиц, благодаря которому физики могут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда раньше.
Создание БАКа знаменует начало будущих перспективных исследований. Исследователи надеются на новые физические явления, такие как неуловимые частицы Хиггса, или те, что образуют тёмную материю, составляющую большую часть вещества во Вселенной. Невозможно точно предсказать результаты предстоящих экспериментов, но они точно окажут большое влияние и не только на физику элементарных частиц!
Но создание БАКа не заканчивает страницу в истории физики, а скорее знаменует начало будущих перспективных исследований.
5.
Домашнее задание (на доске)
Параграфы 115, 116; опорный конспект
подготовить сообщение о ходе исследовательских работ на БАКе.
Используемая литература:
Физика 11 Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. Дрофа.
Курс физики. 3 том. К.А.Путилов, В.А.Фабрикант.
Атомная и ядерная физика. О.К. Костко.
Поурочные разработки по физике. 11класс. В.А.Волков.
Uroki. Net
>> Три этапа в развитии физики элементарных частиц
Глава 14. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
В этой главе речь пойдет о частицах, которые нельзя разделить и из которых построена вся материя.
§ 114. ТРИ ЭТАПА В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Вы уже более или менее знакомы с электроном, фотоном , протоном и нейтроном. Но что же такое элементарная частица?
Этап первый. От электрона до позитрона: 1897-1932 гг.
(Элементарные частицы - «атомы Демокрита» на более глубоком уровне.)
Когда греческий физик Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает «неделимый»), то ему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых, неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, - это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными.
Но в конце XIX в. было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX в., были открыты протон и нейтрон - частицы, входяпцие в состав атомного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точно так, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания.
Этап второй. От позитрона до кварков: 1932-1964 гг. (Все элементарные частицы превращаются друг в друга.) Ситуация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элементарная заключается двоякий смысл. С одной стороны, элементарный - это само собой разумеющийся, прос:тейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто фуидаментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сейчас и называют субатомные частицы элементарными).
Считать известные сейчас элементарные частицы подобными неизменным атомам Демокрита мешает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна. Большинствo частиц, называемых сейчас элементарными, не может прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне. Свободный нейтрон (нейтрон, находящийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 мин.
Лишь частицы фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено электрического заряда, и его масса покоя, по-видимому, равна нулю).
Но у электронов и протонов имеются опаснейшие собратья - позитроны и антипротоны, при столкновении с которыми происходит взаимное уничтожение этих частиц и образование новых.
Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10 -8 с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бумагой.
Лишь нейтрино почти бессмертны, так как они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.
Итак, в вечном стремлении к отысканию неизменного в нашем изменчивом мире ученые оказались не на «гранитном основании», а на «зыбком песке».
Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения - главный факт их существования.
Превращения элементарных частиц ученые наблюдали при столкновениях частиц высоких энергий. Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам. Вот что заставляет так думать.
Пусть у нас возникло естественное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон ? Можно придумать только один способ. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пластмассовой игрушки, - сильный удар.
Разумеется, по электрону нельзя ударить молотком. Для этого можно воспользоваться другим электроном, летящим с огромной скоростью, или какой-либо иной движущейся с большой скоростью элементарной частицей.
Современные ускорители сообщают заряженным частицам скорости, очень близкие к скорости света.
Что же происходит при столкновении частиц сверхвысокой энергии? Они отнюдь не дробятся на нечто такое, что можно было бы назвать их составными частями. Нет, они рождают новые частицы из числа тех, которые уже фигурируют в списке элементарных частиц. Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем большее количество частиц рождается. При этом возможно появление частиц с большей массой, чем сталкивающиеся частицы. Главное, что надо отметить, -это то, что всегда выполняется закон сохранения энергии.
На рисунке 14.1 вы видите результат столкновения ядра углерода , имевшего энергию 60 млрд эВ (жирная верхняя линия), с ядром серебра фотоэмульсии. Ядро раскалывается на осколки, разлетающ,иеся в разные стороны. Одновременно рождается много новых элементарных частиц - пионов. Подобные реакции при столкновениях релятивистских ядер, полученных в ускорителе, впервые в мире осуществлены в лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований в г. Дубне под руководством академика А. М. Балдина. Лишенные электронной оболочки ядра были получены путем ионизации атомов углерода лазерным лучом.
Возможно, конечно, что при столкновениях частиц с недоступной пока нам энергией будут рождаться и какие-то новые, еще неизвестные частицы. Но сути дела это не изменит. Рождаемые при столкновениях новые частицы никак нельзя рассматривать как составные части частиц-«родителей». Ведь «дочерние» частицы, если их ускорить, могут, не изменив своей природы , породить, в свою очередь, при столкновениях сразу несколько таких же в точности частиц, какими были их «родители», да еще и множество других частиц.
Итак, по современным представлениям, элементарные частицы - это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однако неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.
Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней. (Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.) В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают это название. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много.
Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчас составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства. Триумфы стали следовать буквально друг за другом.
Была открыта группа так называемых странных частиц: К-мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных очарованными.
Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10 -22 -10 -23 с. Эти частицы были названы резонансами, и их число перевалило за двести.
Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, - адроны - построены из более фундаментальных (или первичных) частиц - кварков.
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиУрок физики в 11 классе
«МИР ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ»
Учитель физики
ГБОУ СОШ № 603 г.
Санкт - Петербурга
Дубиляс Наталья Юрьевна
(Слайд № 1) Тема: Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия.
Цель: Продолжить формирование научно-материалистического мировоззрения и целостной Картины Мира на основе современных представлений о строении материи.
Задачи:
Образовательные :
Обеспечить усвоение знаний учащихся по теме «Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия», дать понятие «элементарная частица» и показать историю развития теории элементарных частиц; познакомить учащихся с основами классификаций элементарных частиц; обобщить и закрепить знания о фундаментальных взаимодействиях.
Развивающие:
Совершенствование умения анализировать учебный материал; самостоятельно формулировать выводы, развития мышления, познавательной активности и самостоятельности.
Воспитывающие:
Воспитание интереса к предмету через занимательность материала, культуры учебной деятельности, создание благоприятной психологической обстановки на уроке, привитие уважения к достижениям современной науки.
Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.
Форма урока: лекция с элементами беседы и самостоятельной работы.
Методы обучения: словесные, наглядные, самостоятельная работа по выполнению теста.
Форма деятельности учащихся: фронтальная, коллективная, индивидуальная.
Оборудование: ПК, мультимедиапроектор, стандартное оборудование физического кабинета, раздаточный материал (таблицы)
План урока:
Организационный этап.
Актуализация опорных знаний.
Изучение нового материала.
Домашнее задание.
Подведение итогов урока и рефлексия.
Ход урока:
Организационный этап.
Приветствие, проверка готовности учащихся к уроку.
(Слайд № 2) У Пушкина есть удивительное стихотворение:
Эпиграф:
О! сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог-изобретатель…
А.С.Пушкин
Эти строки поражают глубиной мысли. В них – поэтическое выражение принципов современной физики. Здесь есть намек на метод последовательных приближений (опыт, сын ошибок трудных), на развитие через разрешение парадоксов, требующих гениальных идей (гений, парадоксов друг), на идею отбора информации из шума (случай – бог изобретатель). Можно сказать, что в этих строчках выражены принципы современного познания (принцип цикличности). Сегодня наш с вами урок будет посвящен самому передовому краю науки – физике элементарных частиц.
Актуализация опорных знаний. (Слайд № 3)
Задание учащимся: ответить на вопросы:
1) Из чего состоит окружающий мир?
2) Из чего состоят тела?
3) Что является мельчайшей частицей вещества?
4) Из чего состоят молекулы?
5) Атом в переводе с греческого означает «неделимый». Так ли это на самом деле?
6) Что мы знаем о строении атома?
7) Какие элементарные частицы вам известны? Можно ли назвать их элементарными с точки зрения современной физики?
(фотон, протон, электрон, нейтрон, нейтрино)
Изучение нового материала.
(Слайд № 4) На доске появилась схема:
Природа –
тело –
вещество –
молекула –
атом –
ядро –
нуклоны – протон, нейтрон
электрон.
(Слайд №4) Так возник новый раздел физики – физика элементарных частиц, которая изучает явления, происходящие на сверхмалых (R = 10 -15 t = 10 -8 1 ГэВ).
Рассмотрим основные характеристики уже известных нам элементарных частиц
(таблицу вклеить в тетрадь)
Частица
Символ
Масса покоя
Заряд
Время жизни
Электрон
Протон
Нейтрон
Нейтрино
Фотон
e –
p
n
ν
γ
m e
1836 ,1 m e
1838,6 m e
10 – 4 m e
0
-1
+1
0
0
0
Стабилен
Стабилен
1000 с
Стабильно
Стабилен
Перед физикой встали определенные вопросы: (А какие вопросы могли бы поставить вы?)
Каковы их свойства?
Будут ли открыты новые? (слайд № 5)
(Слайд № 6) В истории развития физики элементарных частиц принято выделять 3 этапа:
1 этап – от атомов Демокрита до 1932 года.
Превращения, наблюдаемые в мире – это простая перестановка атомов. Атомы неизменны.
2 этап – от 1932 года до 1964 года.
1932 год вошел в историю науки как «год чудес». Первое чудо – открытие нейтрона, которое имело революционное значение, так как фактически означало крушение электромагнитной концепции в физике. До этого ФКМ строилась на двух фундаментальных взаимодействиях: электромагнитном и гравитационном и обходилась всего тремя «кирпичиками мироздания»: электроном, протоном и фотоном. С появлением нейтрона в физике появилось дополнительное фундаментальное взаимодействие, его стали называть ядерным или сильным. Сразу же была предложена протонно – нейтронная модель ядра, согласно которой ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных сильным взаимодействием.
При дальнейших исследованиях оказалось, что в отличие от уже известных частиц, нейтрон нестабилен – он спонтанно превращается в другие частицы, одна из которых - нейтрино, частица, которая была открыта позднее, в 1955г, хотя ее существование было предсказано еще П. Дираком в 1931г.
(Слайд № 7) Данное превращение нейтрона обусловлено еще одним взаимодействием – слабым. Это четвертое из фундаментальных взаимодействий.
Взаимодействие
Взаимодействующие частицы
Максимальный радиус действия
Относительные силы взаимодействия
Носители взаимодействия
Гравитационное
Все частицы
10 -39
Гравитоны
Электромагнитное
Частицы с электрическими зарядами
10 -2
Фотоны
Сильное
Нуклоны
Кварки
10 -15
Мезоны
Глюоны
Слабое
Лептоны
Кварки
10 -17
10 -3
Промежуточные бозоны
Но! Год чудес еще не закончился. Американский физик К.Д. Андерсон обнаружил первую античастицу – позитрон, существование которой теоретически предсказал П.Дирак в 1928 году.
(Слайд № 8) Позитрон образуется из гамма - кванта с большой энергией: γ → е - + е + (электронно – позитронная пара).
Здесь необходимо упомянуть еще об одном важном моменте:
с открытием позитрона рушилась перегородка между веществом и полем. Оказывается, поле может превращаться в вещество, а вещество в поле.
Реакция аннигиляции: е - + е + → γ + γ
В настоящее время обнаружено, что античастица есть у каждой частицы. Представление ученых об «элементарности» частиц изменилось, когда были открыты античастицы.
Если к началу 1932 г было известны 4 элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон, фотон, то к середине 20 века в арсенале экспериментальной физики появились мощные ускорители, и число элементарных частиц, открытых с помощью новой техники, сильно возросло, их число стало измеряться сотнями (на сегодняшний день открыто около 400 частиц). Среди них мезоны, бозоны, гипероны и другие.
Практически все они оказались нестабильными. Самая долгоживущая частица – нейтрон (15 минут).
(Слайд № 9) Кроме того, выяснилось, что все частицы могут испытывать различные превращения (самопроизвольные или при столкновении с другими частицами) и это является их характерной особенностью. (записать)
В 1964 г американский физик М.Гелл-Манн и независимо от него Дж. Цвейг выдвинули гипотезу о том, что сильновзаимодействующие частицы построены из трех частиц, получивших название кварков. С этого момента в физике элементарных частиц начался
3 этап, который продолжается по сей день. Более сложными стали и экспериментальные методы.
(Слайд №) В 2008 году в работу был запущен Большой Адронный Коллайдер, расположенный на территории Швейцарии и Франции. Большим он называется из-за своих размеров: диаметр кольца 27 км. На строительство БАК было потрачено 8 миллиардов долларов и 20 лет. Для записи информации с тысяч детекторов было создано одно из самых больших файловых хранилищ на планете. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее провести было невозможно.
Первичное осмысление и закрепление знаний.
(Слайд №) Итак,
В современной физике элементарными частицами называют мельчайшие частицы материи, не являющиеся атомами или атомными ядрами.
2) Давайте вместе попытаемся выделить основные свойства элементарных частиц:
Масса;
Заряд;
Время жизни;
Взаимопревращаемость;
Участие в фундаментальных взаимодействиях;
И другие, названия которых совершенно непривычны нашему уху
Барионный заряд;
Странность, очарование, …..
3) Физика элементарных частиц изучает явления, происходящие на сверхмалых (R = 10 -15 м) расстояниях, в течение сверхмалых (t = 10 -8 с) промежутков времени и при сверхвысоких энергиях (Е 1 ГэВ).
4) Взаимопревращаемость – характерное свойство всех элементарных частиц.
5) Существование античастиц;
6) Превращение поля в вещество и вещества в поле (Аннигиляция частиц и античастиц);
7) Количество ЭЧ перевалило за 400, поэтому возникла необходимость в их классификации.
8) Для классификации элементарных частиц можно выбрать какие- то общие свойства, но один из наиболее удачных способов классификации ЭЧ основан на взаимодействиях частиц.
(таблица 2) (Слайд №)
Для закрепления полученных знаний предлагаю выполнить тест. (учащиеся выполняют тест с дальнейшей самопроверкой)
Тест.
Какое из перечисленных излучений не отклоняется в магнитном поле?
Альфа – частицы;
Поток протонов;
Бета – частицы;
Гамма – излучение.
Какое из представлений о строении атома верно? Большая часть атома сосредоточена…
В ядре, заряд электронов положителен;
В ядре, заряд ядра отрицателен;
В электронах, заряд электронов отрицателен;
В ядре, заряд электронов отрицателен.
Ядро состоит из…
Нейтронов и электронов;
Протонов и нейтронов;
Протонов и электронов;
Нейтронов.
При каких ядерных процессах возникает нейтрино?
При альфа – распаде;
При бета – распаде;
При излучении гамма – квантов;
При любых ядерных превращениях;
При аннигиляции электрона и позитрона:
Выделяется энергия с излучением;
Рождается новая пара электрон – позитрон;
Поглощается энергия;
Атом переходит в возбужденное состояние.
(Слайд №) Результаты теста:
Вопрос
Ответ
(Слайд №) Домашнее задание: Глава 14, 114, 115, статья о кварках, Интернет – ресурсы для желающих узнать больше.
Итоги урока и рефлексия. (Слайд №)
Итак, сегодня на уроке мы с вами познакомились с интересным миром элементарных частиц, но современная картина мира элементарных частиц не является окончательной. Впереди нас ждут захватывающие теоретические и экспериментальные открытия, которые расширят и углубят наши понятия о мире, в котором мы живем, дадут нам новые технологии и возможности. Но не будем забывать, что Мир сложнее, чем нам кажется.
Вернемся к вопросам начала урока (Слайд №)
Существуют ли другие частицы?
Каковы их свойства?
Что характерно для элементарных частиц?
Сколько частиц может существовать?
Будут ли открыты новые?
На память о нашей встрече я приготовила для вас закладки.
У вас на столах есть конверты с фишками, а на доске – модель Вселенной, пока еще не наполненная частицами. Если вам понравился урок и вы узнали что то новое – прикрепите фишку красного цвета – протон, если не понравилось – зеленый электрон, если вы остались равнодушны к происходящему – синий нейтрон.
Спасибо за работу, желаю успехов в изучении физики!
Класс: 11
Класс : 11
Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний
Метод обучения: лекция
Форма деятельности учащихся: фронтальная, коллективная, индивидуальная
Цель урока: расширить представление учащихся о строении вещества; рассмотреть основные этапы развития физики элементарных частиц; дать понятие об элементарных частицах и их свойствах.
Задачи урока:
- Образовательная : познакомить учащихся с понятием - элементарная частица, с типологией элементарных частиц, а так же с методами исследования свойств элементарных частиц;
- Развивающая : развивать познавательный интерес учащихся, обеспечивая посильное вовлечение их в активную познавательную деятельность;
- Воспитательная : воспитание общечеловеческих качеств - осознанности восприятия научных достижений в мире; развития любознательности, выдержки.
Оборудование к уроку:
Дидактические материалы: материал учебника, карточки с тестами и с таблицами
Наглядные пособия: презентация
1. Организация начала урока.
Деятельность учителя: взаимные приветствия учителя и учащихся, фиксация учащихся, проверка готовности учащихся к уроку. Организация внимания и включение учащихся в деловой ритм работы.
организация внимания и включение в деловой ритм работы.
2. Подготовка к основному этапу занятия.
Деятельность учителя: сегодня мы приступим к изучению нового раздела "Квантовой физики" - "Элементарные частицы". В этой главе речь пойдет о первичных, неразложимых далее частицах, из которых построена вся материя, об элементарных частицах.
Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования.
Главная задача физики элементарных частиц - это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.
Она будет являться и нашей главной задачей при изучении физики элементарных частиц.
3. Усвоение новых знаний и способов действий.
Деятельность учителя: Тема урока: "Этапы развития физики элементарных частиц". На уроке мы рассмотрим следующие вопросы:
- История развития представлений о том, что мир состоит из элементарных частиц
- Что такое элементарные частицы?
- Каким способом можно получить обособленную элементарную частицу и возможно ли это?
- Типология частиц.
Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. На сегодняшний день выделяют три этапа развития физики элементарных частиц.
Откроем учебник. Ознакомимся с названиями этапов и временными рамками.
Прогнозируемая деятельность ученика:
Этап 1. От электрона до позитрона: 1897 - 1932 гг.
Этап 2. От позитрона до кварков: 1932 - 1964 гг.
Этап 3. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наши дней.
Деятельность учителя:
Этап 1.
Элементарный, т.е. простейший, неделимый далее, так представлял себе атом известный древнегреческий ученый Демокрит. Напомню, что слово "атом" в переводе означает "неделимый". Впервые мысль о существовании мельчайших, невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана Демокритом за 400 лет до нашей эры. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. И в конце этого века было открыто сложное строение атома. В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение.
Вспомним ребята: какие частицы входят в состав атома и коротко охарактеризуем их?
Прогнозируемая деятельность ученика:
Деятельность учителя: ребята, а может быть, кто-то помнит из вас: кем и в какие годы были открыты электрон, протон и нейтрон?
Прогнозируемая деятельность ученика:
Электрон. В 1898 г. Дж. Томсон доказал реальность существования электронов. В 1909 г. Р. Милликен впервые измерил заряд электрона.
Протон. В 1919 г. Э. Резерфорд при бомбардировке азота - частицами обнаружил частицу, заряд которой равен заряду электрона, а масса в 1836 раз больше массы электрона. Назвали частицу протон.
Нейтрон. Резерфорд так же высказал предположение о существовании частицы, не имеющей заряда, масса которой равна массе протона.
В 1932 г. Д. Чэдвик открыл частицу, о которой предполагал Резерфорд, и назвал её нейтроном.
Деятельность учителя: после открытия протона и нейтрона стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг).
В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие -иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века - помимо открытия электрона, ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля - фотонах (А. Эйнштейн).
Вспомним: что называется фотоном?
Прогнозируемая деятельность ученика: Фотон (или квант электромагнитного излучения) - элементарная световая частица, электрически нейтральная, лишенная массы покоя, но обладающая энергией и импульсом.
Деятельность учителя: открытые частицы считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания. Однако такое мнение просуществовало не долго.
Этап 2.
В 30-е годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов, и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными "кирпичиками" природы.
В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц (частицы из которых состоят атомы, которые принято называть элементарными). Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными, (элементарные частицы превращаются друг в друга).
Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино.
Фотон, электрон, протон и нейтрино являются стабильными частицами (частицы, которые могут существовать в свободном состоянии неограниченное время), но каждая из них при взаимодействии с другими частицами может превращаться в другие частицы.
Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы и это главный факт их существования.
Я упомянула об ещё одной частице - нейтрино. Каковы основные характеристики этой частицы? Кем и когда она была открыта?
Прогнозируемая деятельность ученика: Нейтрино - частица, лишенная электрического заряда и масса покоя его равна 0. О существовании этой частицы предсказал в 1931 г. В. Паули, а в 1955г., частица была экспериментально зарегистрирована. Проявляется в результате распада нейтрона:
Деятельность учителя: нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни.
Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин.
Другие частицы "живут" гораздо меньшее время.
Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10 -17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными .
Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10 -22 -10 -23 с.
Способность к взаимным превращениям - это наиболее важное свойство всех элементарных частиц.
Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами.
Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение ) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии.
Позитрон - (античастица электрона) положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. О её характеристиках более подробно поговорим на следующем уроке. Скажем только лишь, что существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году, а открыл его в 1932 г. в космических лучах К. Андерсон.
В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (-мезонами ). Среднее время жизни -мезона равно 2,2 * 10 -6 с.
Затем в 1947-1950 годах были открыты пионы (т. е. -мезоны). Среднее время жизни нейтрального -мезона - 0,87·10 -16 с.
В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.
Современные ускорители необходимы для осуществления процесса рождения новых частиц и изучения свойств элементарных частиц. Исходные частицы разгоняются в ускорителе до высоких энергий "на встречных курсах" и в определенном месте сталкиваются друг с другом. Если энергия частиц велика, то в процессе столкновения рождается множество новых частиц, обычно нестабильных. Эти частицы, разлетаясь из точки столкновения, распадаются на более устойчивые частицы, которые и регистрируются детекторами. Для каждого такого акта столкновения (физики говорят: для каждого события) - а они регистрируются тысячами в секунду! -экспериментаторы в результате определяют кинематические переменные: значения импульсов и энергий "пойманных" частиц, а также их траектории (см. рис. в учебнике). Набрав много событий одного типа и изучив распределения этих кинематических величин, физики восстанавливают то, как протекало взаимодействие и к какому типу частиц можно отнести полученные частицы.
Этап 3.
Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны , лептоны и адроны (Приложение 2).
Ребята перечислите мне частицы, относящиеся к группе фотоны.
Прогнозируемая деятельность ученика: К группе фотонов относится единственная частица - фотон
Деятельность учителя: следующая группа состоит из легких частиц лептонов .
Прогнозируемая деятельность ученика : в эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и?-мезон
Деятельность учителя: к лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице.
Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами . Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов .
Прогнозируемая деятельность ученика: наиболее легкие из них - положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные -мезоны. Пионы являются квантами ядерного поля.
Деятельность учителя: вторая подгруппа - барионы - включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной.
Прогнозируемая деятельность ученика: самыми легкими из барионов являются нуклоны - протоны и нейтроны.
Деятельность учителя: за ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г.
Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц.
В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы - адроны - построены из более фундаментальных частиц, названных кварками.
Со структурной точки зрения элементарные частицы, из которых состоят атомные ядра (нуклоны), и вообще все тяжелые частицы - адроны (барионы и мезоны) - состоят из еще более простых частиц, которые принято называть фундаментальными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных элементов материи выступают кварки, электрический заряд которых равен +2/3 или -1/3 единичного положительного заряда протона.
Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up) и d (down). Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон состоит из комбинации uud, а нейтрон - udd. Верхний кварк имеет заряд +2/3; нижний - отрицательный заряд -1/3. Поскольку протон состоит из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон - из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете самостоятельно убедиться, что суммарный заряд протона и нейтрона получается строго равным 1 и 0.
Две другие пары кварков входят в состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованным - c (от charmed) и странным - s (от strange).
Третью пару составляют истинный - t (от truth, или в англ. традиции top) и красивый - b (от beauty, или в англ. традиции bottom) кварки.
Практически все частицы, состоящие из различных комбинаций кварков, уже открыты экспериментально
С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин не наблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях.
Однако в декабре 2006 года по лентам научных информагентств и СМИ прошло странное сообщение об открытии "свободных топ-кварков".
4. Первичная проверка понимания.
Деятельность учителя: итак, ребята, мы рассмотрели с вами:
- основные этапы развития физики элементарных частиц
- выяснили, какую частицу называют элементарно
- познакомились с типологией частиц.
На следующем уроке мы рассмотрим:
- более подробную классификацию элементарных частиц
- виды взаимодействий элементарных частиц
- античастицы.
А сейчас я предлагаю вам выполнить тест, чтобы оживить в памяти основные моменты изученного нами материала (Приложение 3).
5. Подведение итогов занятия.
Деятельность учителя: Выставление оценок наиболее активным учащимся.
6. Домашнее задание
Деятельность учителя:
1. пр. 115, стр. 347
2. конспект параграфа по плану, записанному на уроке.