粒子与宇宙教案

粒子与宇宙教案（精选7篇）

粒子与宇宙教案 篇1

粒子和宇宙教案 新人教版选修3-5 粒子和宇宙 ★新课标要求

（一）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

（二）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

（三）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。★课时安排 1 课时 ★教学过程

（一）引入新课

教师：宇宙的起源一直是天文学中困难而又有启发性的问题。宇宙学中大爆炸论的基本观点是宇宙正在膨胀，要了解宇宙更早期的情况，我们必须研究组成物质的基本粒子。问题：现在我们所知的构成物体的最小微粒是什么？

学生：构成物体的最小微粒为“原子”（不可再分）。

点评：从宇宙的起源角度去引起对物质构的粒子的了解，激发学生的兴趣，积极回答。教师：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，而且提出了原子结构模型的研究。问题：现在我们认为原子是什么结构模型，由什么组成？

学生回忆并回答：现在我们认为原子是核式结构，说明原子可再分，原子核由质子与中子构成。点评：引起学生回忆旧知识并巩固知识。

（二）进行新课

1．“基本”粒子 “不” 基本 教师：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？ 学生思考并惊奇。点评：因为学生所能了解的最小粒子只有这些，所以这节课引起了学生的兴趣。（可以不按教材顺序介绍，接着介绍新粒子的发现）2．发现新粒子

教师：20世纪30年代以来，人们对宇宙线的研究中发现了一些新的粒子。请学生看教材（103页“发现新粒子”）思考下面的问题：

（1）从宇宙线中发现了哪些粒子？这些粒子有什么特点？（2）通过科学核物理实验又发现了哪些粒子？（3）什么是反粒子？

（4）现在可以将粒子分为哪几类？ 在老师的引导下学生带着问题阅读教材。学生回答：

（1）1932年发现正电子；1937年发现μ子；1947年发现K介子与π介子（2）实验中发现了许多反粒子，现在发现的粒子多达400多种。

（3）许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其他一些物理性质相反的粒子，叫做反粒子。（4）按粒子与各种相互作用的关系，可分为三大类：强子、轻子和媒介子。教师（讲授评析）：

强子：是参与强相互作用的粒子。（强子又分为介子和重子）轻子：轻子是不参与强相互作用的粒子。媒介子：传递各种相互作用的粒子。学生举例： 强子：质子、中子? 轻子：电子、电子中微子 媒介子：光子、胶子? 点评：激发学生了解相关知识，更进一步了解这个世界。比较三类粒子，让学生形成直观的认识，知道三类粒子的主要作用。3．夸克模型

问：上述粒子是不是最小单位，有没有内部结构呢？ 请学生看教材（第104页“夸克模型”）

学生：在老师的引导下学生带着问题阅读教材。

教师：1964年提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克（quark）。夸克模型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受。那么，现代科学认为夸克有哪几种？有什么特征？ 学生回答：

（1）上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。?（2）夸克带电荷为元电荷的21?3或3倍

点评：提示学生现代科学不仅发现6种夸克而且发现了反夸克存在的证据。使学生知道知识的学习和科学的探究是无止境的。

教师（提示）：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。

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。而另一方面也说明科学正由于一个一个的突破才使得科学得到进一步的发展。

粒子与宇宙教案 篇2

在标准模型中物质结构的基本微粒为夸克、有六种之多, 每个夸克又有三种色, 再加上反夸克, 有36种之多, 而且质量大小不一而悬殊, 这么多的夸克它们的具体结构与相互关系标准模型中并没有给出, 也不能自洽的解释与其他粒子 (电子、质子、中子、夸克间) 质量之间的相互关系, 并且在物理实验中并没有找到单独的夸克存在, 同样基本粒子标准模型中的胶子在物理学的实验中也没有找到。还有很多物理现象得不到科学合理的解释, 由此在[美]斯蒂芬·韦伯/著《看不见的世界》一书中也认为标准模型理论还有很大的欠缺与不足并非终极理论。

根据爱因斯坦质能方程 (E=mc2) 得出:一定量的能量对应一定质量的物质也即表示能量是物质的另一种表现形式暂设定为物质的虚散扩张态、反之一定质量的物质对应一定量的能量也即表示物质是能量的又一种存在形式暂设定为能量的缩聚稳态。根据物质不灭定律、质量守恒定律、能量守恒定律和现代物理学的广泛证明———当物质转变为能量时, 全部都是以光子 (γ电磁波) 的形式出现, 由此进行理论反推当能量转变为物质时, 物质的结构本质也必定是由电磁波中所包含的电波融合缩聚的电点暂定为正能子与磁波融合缩聚的磁点暂定为反能子的有序结构的具体体现。正能子与反能子的性质和正电子与负电子的性质基本相同, 同性相斥、异性相引、质量相同。不同的是正能子与反能子也不能单独存在, 它们是构成一切物质的基本单元, 是基本粒子正子与反子的基本组员即:正子由两个正能子与一个反能子组成、反子由两个反能子与一个正能子组成, 正子与反子一般情况下也不能单独存在, 通常情况下都是以正反偶合子的形式存在并迅速构成中微子或反中微子, 当中微子和反中微子在一定的密度条件下分别迅速聚集到电子质量的中微子团和反中微子团时, 它们的极化结构而形成的磁力 (磁极的初始形成) 将一个中微子撕裂而分别构成正电子与负电子, 每个正电子带有三个正子、每个负电子带有三个反子。在物质的形成之初, 正电子与负电子的生成数量相当且密度较大时, 正电子与负电子也不会单独存在, 而是以正负电子偶合为正负电子对的形式存在。正负电子对在密度一定的条件下迅速以极化的结构形式在中微子的参与下迅速聚集到中子质量大小的正负电子对团, 由于极化结构较强, 形成的磁力也较大, 在两极的强大磁力引力作用下分裂一个正负电子对而构成中子 (1) 。至此物质世界的基本组元已基本构成, 形成了统一的中子世界。随着中子间距离的增大, 中子间的相互作用与碰撞在所难免, 由于正负电子分别附着在中子两极之间的两侧, 这种结构容易造成中子之间碰撞后正电子或负电子与中子的分离, 当第一个负电子在中子撞击过程中与中子分离后并围绕分离的母体旋转时, 这时就产生了原子, 失去负电子的中子转变为质子 (2) 。在质子形成之初, 负电子并不能像现在这样围绕质子旋转, 而只能在不规则的轨道上旋转, 这时质子中的正电荷就会对附近中子内的负电子产生引力导致负电子相比正电子与中子结构不牢, 进而在碰撞中容易失去负电子, 在此机理下大量的中子失去负电子而转变为质子, 随着中子质子间密度的减小、间距增大, 负电子便在质子正电荷的引力下围绕质子旋转。至此物质世界的基本粒子已全部产生。随着宇宙物质世界的进一步发展演化而形成了现在的宇宙结构。

2 这一基本粒子结构体系对宇宙物质世界的解释

宇宙中的四种力———核力、弱力、电磁力与引力形成的机理:

2.1 核力的成因

在中子与质子的形成过程中, 由于正负电子对的极化排列形式, 最终形成了强大的磁性两极 (S、N) 与磁力, 犹如一个磁体。中子、质子在原子核内的结构排列也是按照异性磁极相互吸引而进行的有序排列, 这种中子质子间强大磁力的密近结合正是核力的本源。

2.2 弱力的成因

弱力的成因主要是原子核内质子所带正电荷的相互排斥力对原子核内结构的影响, 随着质子的增多与电位分布的不同而对原子核内结构影响的不同, 也是放射性元素放射现象的成因。

2.3 电磁力的成因

正电子与负电子电荷间相互吸引的力以及电场与磁场的垂直本质而构成的电磁相互关系便是电磁力的本源。

2.4 万有引力的成因

在这一基本粒子结构体系中, 正能子与反能子是构成一切物质的基本单元或粒子, 它们的性质类似于正电子与负电子, 同性相斥、异性相引, 每一个正能子都尽可能多的与反能子相结合, 而每一个反能子也都尽可能多的与正能子相结合, 如此在基本粒子如 (电子) 内部就形成了每一个正能子周围与六个反能子结合, 每一个反能子与周围六个正能子相结合如Na Cl晶体中Na离子与Cl离子的结构排列形式, 不同层级粒子间的相互组合, 正能子与反能子的这种结构形式基本保持不变性的惯性 (超对称结构) 便是万有引力的本源。

2.5 磁单极子之谜

在以往的科学实验中, 始终没有找到磁单极子, 也令科学界十分迷茫。而这一基本粒子结构体系则很好的解释了磁单极子问题:磁单极子是不存在的, 正子与反子分离 (理想中的磁单极子) 则显示为电性如正电子与负电子, 只有正反偶合子按照极化的结构形式构成物质粒子时, 这种整体粒子显示电中性, 而两极的正能子与反能子各向异性吸引的特性才显示磁性, 也是磁性的本源、核力的本质。由于中微子和反中微子结构简单而质量微小、也没有形成极化结构, 所以中微子和反中微子既没有电性、也没有磁性、一般不和其他物质相互作用。所以最基本的磁体单位即是正电子与负电子。

2.6 黑洞的本质

根据这一基本粒子结构体系, 中子或中子球便是宇宙间最致密的结构形式, 随着质量的增加与引力的增大, 只不过中子球更加致密而已, 所以目前宇宙中黑洞的本质即是一个巨大致密的中子球, 宇宙的最终结局也将寂灭于宇宙大黑洞———形成更加致密巨大的中子球———宇宙的奇点

2.7 宇宙原始火球大爆炸的机理与成因

在以往的宇宙原始火球大爆炸的理论中认为宇宙起源于宇宙原始火球大爆炸, 而这个宇宙原始火球被称为宇宙奇点:体积极小、温度极高、密度极大, 在一个时间的起点突然以指数的形式暴涨爆炸产生了我们今天的宇宙。这一理论虽然给出了我们今天的宇宙产生于宇宙大爆炸, 但却没有给出宇宙大爆炸的成因与机理。根据这一基本粒子结构体系, 不但能给出宇宙大爆炸的成因与机理, 而且还能推导出宇宙演化的基本规律:

(1) 宇宙奇点是有体积的, 而且是一个密度极高的巨大中子球或者是一个正能子与反能子超对称结构的极大密度的宇宙蛋 (黑洞) ———中子球内中子压碎后的极密结构形式。

(2) 根据这一基本粒子结构体系可以给出两个宇宙原始火球大爆炸的机理与成因: (a) 大宇宙的开端———宇宙物质基本粒子的创生:根据这一基本粒子结构体系, 宇宙的奇点宇宙蛋是一个正能子与反能子超对称结构的致密的球体, 正能子与反能子的特性是同性相斥、异性相引但是不可融合。在某一个时间的起点由于强大的引力与压力, 宇宙蛋中心区域的正能子与反能子被压碎 (物质能量的转换机制) 而转变为能量从而发生了宇宙原始火球大爆炸。在周围未被压碎的正能子与反能子便在前述的基本粒子生成机制与规律下演化出自然界中的基本粒子, 进而演化出现代宇宙。开放的宇宙———动态的宇宙:目前的理论认为现在的宇宙诞生于137亿年前的宇宙大爆炸, 而人类文明目前的科技水平也大致只能观察到以地球为中心这么远的距离 (130亿—140亿光年) , 并且在这么远的距离仍然可以观察到巨大的星系团存在, 并没有真正看到宇宙的边缘。但在科学界的广泛认知中普遍认为现在的宇宙是一个有限无界的动态的封闭宇宙--由哈勃发现的星系红移现象而修正的爱因斯坦静态宇宙模型 (3) 。

(b) 次级原始火球大爆炸:在开放的动态的宇宙模型中, 宇宙是一个多级的动态平衡宇宙, 在宇宙的空间中广泛的分布着黑洞 (中子球) (4) , 宇宙中的黑洞象征着原子核, 恒星星球象征着电子, 星系就好比是一个具有复杂系统的大原子, 这些星系按照各自的规律运行着, 在宇宙中不断地进行着碰撞合并最终寂灭于更大的宇宙黑洞 (巨大致密的中子球) 。当两个宇宙大黑洞距离足够远的不能相互影响合并之时, 它们将各自的独立发展演化着。在宇宙的演化过程中, 当恒星坍缩为中子星 (黑洞) 时, 将会有部分物质的核外电子在未进入原子核使质子转变为中子时就进入了中子球, 如此这个巨大的中子球也就可以看做是一个巨大的原子核。在宇宙的演化过程中中子球不断地合并长大, 直到两个中子球距离足够远的不能相互影响合并之时而停止、进而独自的演化着。在原子核放射性现象的机理下 (弱相互作用) , 质子间的正电斥力不断地将附近中子内的负电子推出中子直至中子球表面 (由于中子球的极高密度与强大的引力, 中子球的放射性现象既没有α粒子的喷出, 也没有γ射线的放出———只有较小的中子球可有γ射线的射出, 电子也只能缓慢的蒸发到中子球的表面) 随着时间的推移, 中子球内质子的数量也在不断的增多, 当中子、质子的数量达到一个特定的比值 (质子间的正电荷斥力大于中子质子间的引力———核力) 时, 这个中子球 (宇宙大黑洞) 就会发生大爆炸, 进而把中子球内的中子质子与中子球表面的负电子抛向广阔的宇宙空间。当这些物质向外抛射的过程中遇到中子球 (宇宙黑洞) 时, 除一部分被中子球吸入外, 绝大部分在中子球的引力下而围绕中子球旋转进而形成星云系、星系。

2.8 现代物理学物理实验中出现数目繁多的粒子结构与机理

(1) 具有强相互作用的粒子重子如:和中子、质子质量相近或较大的粒子如被现代物理学命名的奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克以及所有的介子、结构都是与中子质子结构相似的具有极化结构的粒子。

(2) 不具有强相互作用的粒子轻子如:电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子的结构一般都是对称性结构形式, 唯有电子具有弱的极化结构与中间部分的对称性结构形式以及电子质量的微小, 所以既表现出轻子的性质, 也具有重子的两极结构形式。

2.9 基本粒子分类

构成现实物质世界的基本粒子如:正能子、反能子、正子、反子、正反偶合子、中微子、反中微子、正电子、负电子、中子、质子、光子 (γ) 。这些粒子结构稳定有序、寿命长。

人造粒子:这些粒子在现实物质世界不能被找到、只能在实验室或宇宙线中出现的粒子如:奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子以及各种介子和物理实验中出现的众多粒子。这些粒子结构不稳定、寿命短。

数学模型粒子———上夸克 (u) 、下夸克 (d) 、胶子。

理论引入的粒子———W+、W-、Z0。希格斯机制中的希格斯玻色子 (5) (欧洲核子中心CERN的科学家在2012年7月4号宣布发现了希格斯粒子, 但这很可能是这一理论系统中能量转化为物质的一个标量能量密度) 。

3 这一基本粒子结构体系的优点与缺点

这一基本粒子结构体系是建立在已被证明的现代科学理论之上———质能方程E=mc2、物质不灭定律、能量守恒定律、质量守恒定律与物理世界的广泛对称性。结构简洁、相互从属关系明确、能够给出基本粒子的具体结构与形状并能够较好的解释众多现实物理现象。凡是标准模型理论能够解释的物理现象, 本理论都能够解释, 而标准模型不能解释的物理现象如:基本粒子的具体结构与相互从属关系、引力的本质、磁单极子之谜、黑洞的本质、宇宙原始火球大爆炸之成因, 本理论也能够给出科学合理的解释。而标准模型理论中的夸克结构学说是建立在数学模型之上, 具有很大的不确定性, 对现实物理现象也不能作全面的合理解释, 而且导致高能物理学理论方面的极度繁杂、甚至不能自圆其说。至此我的这一基本粒子结构体系替代标准模型理论解释自然与宇宙现象具有更大的优势。缺点是我不是一个高能物理学方面的专业学者, 只是一个科学爱好者, 对其中的专业知识学习掌握的有限, 对其中的理论论述可能有不到或不足之处。

摘要：在[美]斯蒂芬·韦伯/著《看不见的世界》一书中认为标准模型理论并非终极理论、有很大欠缺与不足。根据爱因斯坦质能方程 (E=mc2) 、物质不灭定律、质量守恒定律、能量守恒定律与物理世界的广泛对称性原则, 现推理出全新的基本粒子结构体系, 在这一基本粒子结构体系中包括“正能子、反能子、正子、反子、正反偶合子、正反中微子、正负电子、质子与中子”。它们不但有明确的具体结构和形状, 而且有明确的相互从属关系, 更能科学的解释宇宙中的四种力——强力、弱力、电磁力、引力的本质与磁单极子之谜、黑洞之谜、宇宙原始火球大爆炸之机理。由此希望能够弥补或替代标准模型理论的不足以解释物理世界的众多物理现象。

关键词：基本粒子,核力,引力,黑洞,宇宙演化

参考文献

[1][美]斯蒂芬·韦伯, 胡俊伟, 译.看不见的世界——碰撞的宇宙, 膜, 弦及其他[M].长沙:湖南科学技术出版社, 2007.

[2]武伟轩.宇宙通史[M].北京:台海出版社, 2005.

粒子对撞机与宇宙大爆炸 篇3

以前，人们认为宇宙是静止的。20世纪20年代，科学家发现宇宙正在膨胀。30年代，勒梅特想：宇宙膨胀会不会是由一场大爆炸引起的？1948年，美国科学家伽莫夫、阿尔法发表论文，发展了勒梅特的理论，为热大爆炸宇宙学奠定了基础。20世纪前半期的观念变革，精彩而富有启发。热大爆炸宇宙学主要说了些什么呢？

在早期，宇宙的物质密度极高，温度也极高，可以说那时的宇宙是超高温、超高能的“宇宙汤”。后来，宇宙不断膨胀，物质密度不断变“稀”，温度不断下降。宇宙从热到冷、从密到稀的演化过程，犹如规模巨大的“热大爆炸”。

人类对物质结构的探索没有止境。“标准模型”提出，构成物质的最小单元是夸克和轻子，物质是由3对轻子和3对夸克组成的。然而在实际生活中，我们就只会遇到两种夸克——上夸克和下夸克。其他4种夸克（粲夸克、奇异夸克；顶夸克、底夸克），仅仅在宇宙大爆炸之初存在过。在今日地球上，这4种夸克只有在粒子对撞实验中才能出现。这就是说，粒子对撞机能够模拟宇宙大爆炸之初的状况。

日常生活里，我们要想知道核桃里面的构造，就把两个核桃对撞，把它们打碎。外皮打碎了，就看见了果肉。粒子对撞机也是这个道理。这就是为什么有人把各种粒子对撞机形象地称为“原子粉碎机”。

利用高能加速器，把两束粒子加速到接近光速，然后令它们对撞，检测对撞时发生的现象，科学家可以得到对物质结构的许多新认识，这就是粒子对撞机的主要工作机理。粒子对撞机有很多种，如正负电子对撞机、质子-反质子对撞机、质子-质子对撞机等。在“大型强子对撞机”一词中，“强子”指的就是质子。

在欧洲大型强子对撞机运行之前，美国费米实验室的质子-反质子对撞机，是世界上能量最高（1万亿电子伏特）的加速器。就是说，加速器将质子和反质子分别反向加速，在它们的能量各自达到上万亿电子伏特时，让它们发生对撞。质子被撞碎，科学家就能发现组成质子的更深层次的粒子。1995年，费米实验室宣布，在对撞实验中发现了顶夸克。到那一年，理论预示的3对夸克均被发现了。

粒子与宇宙教案 篇4

一、《课标》的要求

1、知道物质是由分子和原子组成的。

2、了解原子的核式模型。了解人类探索微观世界的历程，并认识这种探索交不断深入。

3、大致了解人类探索太阳系及宇宙的历程，并认识人类对宇宙的`探索并不断深入。

4、对物质世界从微观到宏观的尺度有大致的了解。

二、编写思路

本章教材分为四节：认识分子，“解剖”原子，飞出地球，宇宙深处。

基本思路如下：教材按照由小到大，由微观到宏观的顺序编排，前两节在于引导学生从微观上初步认识物质的组成：分子概念与原子的组成，后两节着重引导学生从宏观方面初步认识太阳系和银河系的结构。

教材中重视介绍人类探索粒子和宇宙的历程，并预示这种探索将不断深入，教材中渗透着猜想、模型等研究方法，以此激发学生的探索兴趣，初步形成科学的世界观。

三、本章特点

1、在教学内容呈现上重视科学探究，与以往不同的是，除了以实验、活动形式展现科学探究过程外，还运用了以文献资料为主的科学发展史的科学探究形式。实际上我们获得的大多数的知识是间接得到的，因而以科学发展史的线索作为探究过程中极其重要的一个方面。

2、本章涉及较多现代物理知识，要介绍清楚这些内容，所需基础知识较多，而本章教学要求又不高，因此，教材中较多地采用以图代文的呈现方式。形象生动，简明扼要，不仅给学生留下更多的想像空间，也给教师在组织教学时有更多选择和发挥的余地。

3、在探究微观世界和宇宙世界的物理现象和性质时，充分应用了猜想和建立模型的方法，这是科学家采用的一种非常有效的办法，教材中多处渗透这种方法，教学时应注意点拨。

4、注意学科间的渗透，我们知道地球与宇宙也是地理学的主要内容之一，在教材中加入地球与宇宙方面的内容，既能有效地普及航天知识，也进一步落实了学科之间的渗透理念。

四、课时安排：

《宇宙航行》教案 篇5

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《宇宙航行》教案

一、教材分析

《宇宙航行》系新课程人教版必修2第六章第五节，重点讲述了人造卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度,并介绍了第二、第三宇宙速度。人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材。教材不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。因此，本节课是“万有引力定律与航天”中的重点内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。另外，学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强民族自信心和自豪感。

二、教学目标

（一）知识与技能

（1）知道人造地球卫星的运行原理，会运用万有引力定律和圆周运动公式分析解答有关卫星运行的原因；

（2）掌握三个宇宙速度，会推导第一宇宙速度；（3）简单了解航天发展史。

（4）能用所学知识求解卫星基本问题。

（二）过程与方法

（1）培养学生科学探索能力；

（2）培养学生在处理实际问题时，如何 构建物理模型的能力；（3）学习科学的思维方法培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力。

（三）情感态度与价值观

介绍我国航天事业的发展现状，激发学习科学，热爱科学的激情，增强民族自信心和自豪感。课时安排：一节课

教 具：多媒体课件、计算机

三、设计理念

学科教学活动以学生为主体，促进学生知识、能力、品德三维一体的全面发展，这是本课件设计的基本理念。学生已学过平抛运动、匀速圆周运动、万有引力定律等基本理论，具备了解决问题的基本工具。本节课的难点在于对人造卫星原理的理解，因此教学设计上采用理论探究法：在设计中突出发挥学生的主体作用，课堂中通过设疑→思考→启发→引导这样一条主线，激发鼓励学生的大胆思考、积极参与，让学生通过自己的分析研究来掌握获取相关的知识和方法。

四、教学重点、难点

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（1）第一宇宙速度的推导；

（2）人造卫星运转的环行速度与卫星发射速度的区别；

五、教学方法

启发探究式教学、多媒体辅助教学。

六、教学准备：

多媒体制作，计算机。

七、教学过程

（一）创设情境，激发情感，引入新课

1.利用多媒体播放视频：神七问天

2.导入语：探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。“嫦娥奔月”“神七问天”标志着我国具有世界上最先进的航天技术。那么，卫星是如何上天的？是如何到达指定高度的？会掉下来吗？是什么力使卫星能绕地球飞行？„

本节课我们就利用万有引力定律和圆周运动的知识对宇宙航行做一个初步的了解和研究。

3.提出问题：抛出的石头会落地，为什么卫星、月亮没有落下来？卫星、月亮没有落下来必须具备什么条件？

（二）人造地球卫星

1．抛物演示实验：学生观察落地点的变化，落地点为什么会变化？ 2．牛顿的思考与设想：

△抛出的速度v越大时，落地点越远，速度不断增大，将会出现什么结果？

△牛顿根据自己的设想草拟了一幅极富创意的人造卫星原理图。

△牛顿的设想由于受技术条件的限制，物体不可能达到这样的速度，但他的思想启发了后人，在太空探索中立了头功。

△展示牛顿的设想过程。

引出人造地球卫星（简称人造卫星）的概念。

（三）宇宙速度

问题

猜测

獭猜猜猜 如何验证

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1、问题的提出：人造卫星为什么不掉下来，人造卫星的线速度有多大。进行提示想想杂技水流星，水到了最高点为什么不掉来，一起探索原因，直到得出结论。围绕线速度问题，让学生猜测高轨道还是低轨道的人造卫星线速度更大。

利用这样的教学设计，力求真正的体现学生的主体地位和老师的主导作用。强调学生自己探究、自行分析的能力，得出结论：

由此解出

学生证实了刚才的猜测，在这一基础上，让同学们自己研究ω、T 和半径r的关系，每位同学都能找到：，随着半径增大，ω减小，随着半径增大，T变大

接下去的任务就是如何导出第一宇宙速度，在点评公式时，提示学生，半径是不是有什么特殊的情况，运行的最小半径为多少？让学生以小组为单位进行探究。在理想情况下，运行的半径最小就是靠近地面的人造卫星，半径近似等于地球半径，也就是最大的线速度，学生得出：

可以近似认为r=R，将此代入，地球质量为5.89×1024Kg，半径为R=6.37×106m，G=6.67×10-11N·m2/Kg2 m/s=7.9Km/s

v1=7.9km/s是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，叫第一宇宙速度。学生思考：

（1）将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易？为什么？（2）所需要的发射速度，哪一个更大？为什么？

（3）发射速度和卫星绕地旋转的速度是不是同一速度？发射速度大说明什么？卫星运转速度大又说明什么？

从能的角度，圆周运动的公式引导学生分析二者的不同。学生思考：

我们刚研究过，当卫星的轨道半径越大时，卫星绕地球旋转时的速度越小，卫星发射时越难，送入轨道需要消耗的能量越多，发射的速度必须越大，由此我们可以得出要将人造卫星送入轨道的发射速度必须大于多少？学生分析得出v≥7.9km/s

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引导：发射速度越大，人造卫星就进入更高的轨道，当速度大到某一值时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运动我们把这个速度叫第二宇宙速度，它的大小为v2=11.2km/s。

同时分析飞到太阳系以外的宇宙空间，速度必须等于或大于16.7km/s，这个速度叫第三宇宙速度。动画展示三个宇宙速度

（四）梦想成真。让学生具有振兴中华的使命感与责任感

播放一段世界和中国的航天史实。让同学感想到：我们是祖国的未来的希望，现在需要努力学习科学文化知识，将来为祖国的航天事业做贡献。要培养学生坚韧不拨、勇于探索、协力合作的科学精神以及严谨求实、谦虚谨慎、勇于质疑科学态度；也要培养学习者热爱科学、热爱祖国的情感；努力学习、振兴中华的责任感。这些策略在本案例中得到了体现。

（五）练习反馈，拓展延伸：

例1 设地球的质量不变,而地球半径增加为原来的2倍,那么从地球发射的第一宇宙速度的大小应为原来的()

A.倍

B.倍

C.½ 倍

D.2倍

例2 关于宇宙速度，下列说法正确的是（）A.第一宇宙速度是能使人造地球卫星飞行的最小发射速度 B.第一宇宙速度使人造地球卫星绕地球飞行的最小速度 C.第二宇宙速度使卫星在椭圆轨道上运行时的最大速度 D.第三宇宙速度时发射人造地球卫星的最小速度

（六）小结与作业布置作业

1.航天事业正改变着人类的生活，请你到网上查阅，近几年的航天大事的资料，阐述你的观点，与同学交流。2.课本44页1、3题。结束语

尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕„„宇宙留给人们的思考深邃而广阔。宇宙有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？爱因斯坦曾经说过:“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜。”你想加入破解他的行列吗？努力学习吧！

八、综合评价：

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这节课始终以学生为主体精心设计学习活动。没有让学生机械的记忆，而且给学生主动探索、自主学习的空间，通过学生的思考、动手、观察、讨论，激发学生的学习热情，使学生由被动接受知识转化为主动的获取知识，让学生真正学会如何学习，使学生的创新潜能得到最大发挥。

宇宙的边疆 教案 篇6

高一九班 高丽君

【学习目标】

1、联系生活实际，了解解说词的文体特点。

2、把握文章的解说顺序，了解作者对宇宙和人类的思考。

3、了解文中介绍的有关宇宙的基础知识，培养筛选并整合信息的能力。【知识导学】

1、作者简介：

卡尔·萨根(Carl Sagan,1934-1996),美国人,曾任美国康奈尔大学行星研究中心主任,被称为“大众天文学家”和“公众科学家”。他以对科学的热忱和个人巨大的影响力,引导几代年轻人走上探索科学之路。他对人类将无人航天器发送到太空起过重要的作用,在行星科学、生命的起源、外星智能的探索方面也有诸多成就。他主持过电视科学节目,出版了大量科普文章和书籍,其《伊甸园的飞龙》曾获得普里策奖,电视系列节目《宇宙》在全世界取得热烈反响。主要作品还有《宇宙联结》《宇宙》《布卢卡的脑》《被遗忘前辈的阴影》《暗淡蓝点》《数以十亿计的星球》等。

2、解说词的文体特点

解说词是对展览、实物、影视、图片、名胜古迹和历史文物进行解释说明的一种文体。它通过对事物的准确描叙，词语的渲染，来感染观众或听众，使其了解事物的来龙去脉和意义，收到很好的宣传效果。

解说词根据被解释的对象可分为文学性解说词和平实性解说词两种。用于参观浏览的导游解说词，用于电影电视风光片的解说词，多用文学、散文手法，既抒情又有解释说明，语言绚丽多彩，情感真挚浓郁。用于生产成就的参观展览的解说词，科普影片、新闻纪念片的解说词，如历史文献纪录片《邓小平》的解说词，则运用朴实真挚的语言，介绍邓小平光辉伟大的一生。解说词有补充视觉和听觉的作用，具有以下特点：

（1）解说词要根据解说对象的特点，有明确的主题和说明重点，不能面面俱到，要突出事物的主要方面，抓住事物的关键，即使是拓展性内容，也不能游离解说的主题。如课文解说的对象是宇宙，那么就要紧扣宇宙的组成来介绍，不能随意生发其他问题。

（2）解说词补充和增加解说对象的相关信息，主要是知识和情理的扩展，使读者接受到画面和实物本身无法传递和难以表达的涵义。如课文中对光年基本概念的介绍（知识扩展），将宇宙比做大海，激发读者对宇宙的想像（情理扩展）。（3）解说词是一个有机的整体，但各个部分又有相对的独立性。课文从宇宙整体到星系的组成再到太阳系，虽然每个部分紧密相联，但又各有侧重，各有中心。

【预习案】

1．据拼音写汉字或给加点字注音：

悬yá（）眩（）晕 战lì（）崭新（）踝（）节夙（）望

广mào（）搁置（）旋（）涡 tuǒ（）圆 磅bó（）cuǐcàn（）

chuān（）流不息

huì（）核

俘（）获

２．下列词语中点粗的读音完全正确的一组是（）

Ａ、晕眩（yūn）

颤栗（zhàn）戎装（róng）徘徊不前（huí）Ｂ、踝节（huái）璀璨（càn）

束缚（fù）

人才济济（jì）Ｃ、广袤（mào）磅礴（bó）

椭圆（tuǒ）

区区可数（shù）Ｄ、纤细（xiān）旋涡（wō）

俘获（fú）

好大喜功（hào）３．下列各组词语中，没有错别字的一组是（）Ａ、覆盖 神密 奄奄一息 与世隔绝 Ｂ、附着 荒芜 辽阔无垠 尘埃落定 Ｃ、边缘 篷勃 穿流不息 作伴相随 Ｄ、闪铄 想像 茫无际崖 面目全非

4、结合课文内容给下列名词下一个定义： 宇宙： 星系： 太阳系： 恒星：

行星：

【学习案】

一、浏览全文，并思考下列问题

1.从说明顺序来看，作者是按照什么顺序做介绍的？请写出顺序流程图。

参考答案：常见的说明顺序有：时间顺序、空间顺序、逻辑顺序。空间顺序即按照事物空间存在的方式，或从外到内，或从上到下，或从整体到局部来加以介绍，这种说明顺序有利于全面说明事物各方面的特征。

宇宙 ——星系（星系群、子星系）—— 恒星——行星——太阳系——地球

2.检查预习案中的给名词下定义部分。

二、合作探究： 1.人类认识宇宙，是从地球开始的，为什么作者的解说，不沿着人类认识发展的轨迹进行呢？

参考答案：按人类对宇宙认识的历程来介绍，也未尝不可。课文的介绍顺序，是符合宇宙演化规律的，先有宇宙，次有星系，再有恒星，再有行星，这样介绍便于知识的梳理；其二，这是电视片的解说词，由摄影的角度来看，先整体后局部便于把握，而先局部后整体，表述上容易混乱，视觉画面也不好协调。

这样的说明顺序，好处在于：

（1）虽然我们生活在宇宙中，但是我们跳出宇宙之外，将它作为纯客观的说明对象来解说，这样能够更清晰、直观地介绍。

（2）空间尺度由大到小，让读者从整体上有所了解之后，再深入局部了解细微，这样顺序清楚，层次分明，符合读者的思维习惯。

（3）由广阔的宇宙，穿过无尽的空间，最终回到人类的家园，这是探索和发现的过程，表现了人类对宇宙的敬仰和“掌握我们自己的命运”的热情。“人类的未来取决于我们对这个宇宙的了解程度”，由宇宙再反观地球，就是人类的未来之路，说明的顺序和作者的思想达到某种契合。

2.作者对宇宙有怎样的认识？

参考答案：宇宙辽阔无垠，神秘莫测。而人类生活的地球，只是宇宙中的沧海一粟，“它的存在可能仅仅对我们有意义”。宇宙不因为地球及生活在地球上的人类而存在，而人类的未来，却取决于对宇宙的了解程度。

3.本文运用了大量的议论与抒情，有什么作用？

参考答案：作为电视片的解说词，不仅要让观众了解宇宙的客观构成和相关知识，还要表达人类对宇宙的主观认识和人类探索宇宙的意义，这样才能感染观众，激发他们对宇宙的兴趣。所以，议论和抒情不仅没有干扰介绍，反而使介绍更具科学意蕴和人文内涵

三、拓展练习：

1970年，赞比亚的玛丽·尤肯达修女给当时NASA太空航行中心的科学副总监恩斯特·史都林格博士写信问道：“目前地球上还有这么多小孩子吃不上饭，你怎么还能舍得为远在火星的项目花费数十亿美元？”

寻找宇宙中的基本粒子 篇7

如何寻找宇宙中最基本的粒子呢？我用四个故事向大家介绍一下，这些故事是我在过去的30年里所亲自经历的。

第一个故事是测量电子的半径。现代电磁学的理论认为电子的半径为零。1964年，美国麻省理工学院和哈佛大学建造了一个当时最大的加速器，这个加速器周长为1000英尺（1英尺为0.3048米）。当时来自哈佛大学和康乃尔大学的世界上很有名的专家，在这个加速器里做一个很重要的实验，实验结果同时证明量子电动力学是错误的，电子是有半径的。这是一个非常重要的实验。1966年，我在德国用不同的方法重新做了这个实验，结果发现电子的半径确实小到不可测量，电子是没有半径的。实验的结果和理论的预期的比值等于1，等于1即是说电子的半径等于零，也就是说以前许多专家所做的实验结果是错误的，所以我的第一个体会是不要盲目从专家的结论。

第二个故事是关于新粒子家族的发现。到了20世纪70年代，所有已经知道的基本粒子都可归结为由三种夸克组成，所有的现象都可以用三种夸克来解释。我就问为什么宇宙中只有三种夸克？为了寻找新夸克，我决定建造一个高灵敏度的探测器，它的灵敏度要达到新夸克/已知夸克=1/100亿。何谓灵敏度是一百亿分之一呢？南京下雨的时候，大概每秒钟有100亿个雨滴，其中有一个是蓝的，要把它找到。但这个实验不受物理界的欢迎。第一，当时的所有物理现象都可以用三种夸克来解释，所以人们不需要第四种夸克。第二，没有人相信这样困难的实验可以做成，因此这个实验几乎被当时所有的加速器实验室拒绝了。后来，终于在美国的布鲁克海文国家实验室用AGS做了这个实验。我们发现了一种很新的粒子，完全想象不到的一种粒子。这种粒子在正电子负电子质心系能量到达31亿电子伏特的时候，突然就产生一个很高的峰。根据以前所有的理论，这个峰是不应该存在的。说明找到了一种粒子，这是J粒子。所以我们完成了布鲁克海文国家实验室的实验以后，发现了一种全新的夸克。这种新粒子有很特别的性质：第一，它们质量比其他所有已知的粒子都重；第二，它的寿命比其他所有已知粒子的寿命长1000倍。这种长寿命的重粒子可能是新的夸克家族成员，所以，以前的人认为只有三种夸克的看法是错误的。当然，有了这第四种夸克，你就可以问有没有第五种、第六种——至今为止，已发现了六种。因此我的第二个体会是永远要对自己有信心，做你自己认为正确的事，别人反对是别人的事。

第三个故事是关于1979年胶子的发现。大家都知道在原子里有电子和原子核，电子和原子核之间的力由光子传送。在质子里有不同的夸克，夸克之间的力在理论上来说是由胶子传递。那时我们正在德国用正电子负电子对撞机做一个量子电动力学的实验。在做这个实验的时候，则可以产生夸克、反夸克和胶子，如果这样的话就会出现三个喷注的现象。果然，当正负电子对撞的时候，当胶子能量很小的时候，只有两个喷注；当胶子的能量增大的时候，就会出现三个喷注现象。三个喷注现象的存在就表示胶子是存在的。当年，美国物理学会对这个事例作了详细介绍。虽然最初这套实验仪器并非为这个实验设计的，但却获得了意外的结果。所以第三个体会就是对意料之外的现象要有充分的准备。

第四个故事就是寻找反物质的宇宙。这在国际空间站上叫做AMS。反物质的存在，是由狄拉克在理论上推导出的，他因此在1933年12月12日获得诺贝尔奖。他注意到，相对论的公式和量子电动力学的公式中，质量是乘平方的，也就是说等于m×m，也等于（-m）×（-m）。狄拉克问“-m”是什么意思？从这儿就推导出反物质的理论，这也表示拿诺贝尔奖是很容易的。因为现在我们从实验上知道，所有的粒子有反粒子，我所要问的是另一个问题，大家都知道，宇宙是大爆炸形成的，在大爆炸的理论中，宇宙起源时的温度非常高，因为大爆炸以前什么都没有，因此大爆炸中有一个电子则应该有一个反电子，有一个夸克也应该有一个反夸克，所以在刚爆炸的时候，物质和反物质应该是一样多。问题是经过150亿年之后，由反物质组成的宇宙在什么地方。我们知道在宇宙中有氦原子、有碳原子在太空中漂行，那么有没有反物质所组成的宇宙也产生反氦原子和反碳原子呢？所以，我们从实验上需要知道的是由反物质组成的宇宙在何处。假设它存在的话，我们应该在太空中找到反氦原子、反碳原子。反氦原子、反碳原子不能在地面上找到，因为在穿过大气的时候，它们会被湮灭掉。因为原子和反原子有相反的电荷，所以寻找原子和反原子必须用磁铁来测量在磁场内的轨道，正的向一个方向偏转，负的向另一个方向偏转。在太空中探测它们这就是我现在所做实验的目标，这个实验称为AMS，它是空间站上唯一的物理实验。过去四十年中，经过观测紫外线，X射线，γ射线而发现了许多重要的天文现象。但在宇宙中除了光子之外，还有带电的粒子。然而至今还没有一个精密的磁谱仪在太空中观测带电粒子，其主要原因在于无法将超导磁铁放到太空中运行。第一期AMS（01）于1998年6月搭载美国航天飞机在太空中运行了10天，观测到一些过去没有的现象，这是人类第一次测量这些东西，所以觉得现在的结果很奇怪，可能过了三五年，对这种现象了解以后，就会觉得很自然了，这是我最简单的解释。美国航空航天局决定在2003年5月再次将AMS发射升空，AMS将作为第一个科学实验搭载安装在空间站上。AMS（01）原结构中用的中国制造的永久磁铁改为超导磁铁，大幅度提高AMS探测能力，在太空中长时间运行并采集更多的数据。超导磁铁用于太空是高技术发展的一个范例，不多久前还认为是不可能的。我们的超导磁铁是在英国和瑞士制造的，能在空间站上工作三年。AMS探测器还包括若干子探测器，它们能够在太空中精确测量光子、正负电子、正反质子、碳原子核和反碳原子核，氦原子核和反氦原子核等。到了2003年晚上，天晴的话，可以看到这个空间站，因为它非常大，可以看到它像星星一样转，到那时你会记住上面有一个AMS的实验。它要解决两个问题，一是宇宙如起源于大爆炸，一半的宇宙是正物质组成，另一半的宇宙是反物质组成，那么反物质所组成的宇宙在什么地方？第二个问题是90%的宇宙是观察不到的，它是由暗物质组成的，暗物质是什么？这些都是理论，实验到底会发现什么呢？这是AMS实验要回答的。

现在向大家介绍一下在过去50年内加速器的发展。最早的加速器是袁家骝教授所用的布鲁克海文国家实验室的加速器，至今快50年了，原定的目标是做π质子相互作用实验，袁先生做了非常重要的贡献。除了这以外，更重要的是发现两种中微子。美国费米国家实验室在芝加哥，原来是做中微子物理实验，却发现了第五种、第六种夸克。斯坦福直线加速器原来是做电子质子弹性散射和量子电动力学实验，结果发现的是部分子和第三种轻子。日内瓦的ISR质子对撞机，原目标是找Z和W，结果发现是质子总反应截面的增加。所以要做加速器，先找理论物理学家帮你写一个目标。根据过去50年的经验，原来的目标和实验发现完全是两回事情。因为这是最先进的科学，是没有办法预见的。所以最后一个体会就是，要实现一个目标，最重要的是要有好奇心。对自己做的事情感兴趣，要勤奋地工作！

（本文是丁肇中教授在“吴健雄袁家骝科学讲座——大师系列”上的首场演讲）