Каптелова Н.В., учитель физики МОУ «Гимназия № 79» г. Барнаула Алтайского края
11 класс
Урок по теме «Элементарные частицы» (2 часа).
Учебный предмет – физика
Уровень – базовый
Профиль класса – гуманитарный
Используемый текст - § 64 «Элементарные частицы» (Мансуров А.Н., Мансуров Н.А., учебник «Физика-10-11» для гуманитарных школ)
Технология «Развитие Критического Мышления через Чтение и Письмо» (РКМЧП)
Тип урока: работа с информационным текстом
Цели:
дидактическая – через опосредованное изучение текста сформировать у учащихся систему научных знаний об элементарных частицах
развивающая – выработать у школьников приёмы эффективной переработки учебной информации, продолжить формирование способа самостоятельного обучения, познавательных и коммуникативных компетентностей
воспитательная – продолжить формирование у учащихся уверенности в своих собственных познавательных возможностях, диалектико-материалистического мировоззрения
методическая – создать условия для освоение учащимися способа самостоятельного обучения на основе технологии РКМЧП
Ожидаемый результат:
усвоение учащимися системы научных знаний об элементарных частицах и представление её в виде кластера;
получение и осмысление каждым учеником собственного опыта самостоятельной познавательной деятельности на основе работы с текстом через индивидуальную, парную, групповую, коллективную формы работы (технология РКМЧП).
Примечание: Кластер - графический способ, позволяющий представить информацию в структурированном и систематизированном виде, выявить ключевые слова темы. Кластер представляет собой графическую схему, состоящую из овалов. В центре кластера, в главном овале – основная проблема, тема, идея. В овалах следующего уровня – классифицирующие признаки или основания для систематизации, в овалах третьего уровня – дальнейшая детализация и т.д. Кластеры могут быть очень разветвлёнными, поэтому всегда нужно выбрать тот уровень детализации, на котором можно остановиться. С помощью кластеров можно в систематизированном виде представить большие объёмы информации.
Кластер содержит ключевые слова, ключевые идеи с указанием логических связей между текстовыми субъектами. Связи придают картине целостность и наглядность.
Кластер (как и все графические схемы) является моделью изучаемой темы, позволяет увидеть тему целиком, «с высоты птичьего полёта». Повышается мотивация, т.к. легче воспринимаются идеи темы. Человеку всегда нужны графические образы. Мозг запоминает модели. Представление информации учащимися в виде кластера способствует её творческой переработке, поэтому обеспечивает усвоение информации на уровне понимания. Кластеры (как и другие схемы) позволяют «пораскачивать» своё мышление, сделать его более гибким, избавиться от стереотипов, догматическое мышление превратить в критическое.
Важно и то, что построение кластеров позволяет выявить систему ключевых слов, которые могут быть использованы для поиска в Интернете, а также для определения основных направлений исследований учащихся, выбора тем учебных проектов.
Домашнее задание (внеклассная работа) :
1. § 65 (самостоятельно по технологии РКМЧП)
2. Кластеры, выполненные с помощью ИКТ
(2 и 3 по желанию)
Сценарий урока.
Вызов.
Цели этапа:
Побуждение к работе с новой информацией, пробуждение интереса к теме
- вызов «на поверхность» имеющихся знаний по теме
- бесконфликтный обмен мнениями
«Наводящие вопросы»
«Кластер»
Оргмомент
2. Учащимся предлагаются вопросы для обдумывания и обсуждения:
Выход на логическую цепочку: природа-тело-вещество-молекула-атом-ядро-нуклоны (протон, нейтрон)-электрон.
Вспомните, какие элементарные частицы вам известны? Представьте в виде кластера.
(Протон, нейтрон, электрон, фотон, π-мезон)
Ученики работают индивидуально в тетрадях, затем в парах , по их предложениям учитель на доске оформляет кластер. Один из предложенных учениками кластер:
Учитель: Начиная с 1932 года открыто более 400(!) элементарных частиц .
Может ли такое их количество претендовать на роль «первокирпичиков Вселенной», истинно элементарных частиц?
«Думай самостоятельно/в паре/группе». Коллективное обсуждение ответов. Осмысление и формулировка цели урока . Планирование деятельности. («Изучить элементарные частицы через их классификацию и систематизацию по выделенным характеристикам, результат представить в виде кластера».
Предлагается самостоятельно изучить текст §64 «Физика-10-11» Мансуров А.Н., Мансуров Н.А), информацию представить в виде кластера.
Осмысление
Цели этапа:
Получение новых знаний
Освоение разных типов чтения: ознакомительного, изучающего, усваивающего, поискового, приёмов осмысления информационного текста
Развитие аналитических, дискуссионных, коммуникативных навыков
«Система И.Н.С.Е.Р.Т.»
«Кластер»
«Думай самостоятельно/в паре/ в группе»
Самостоятельная работа с текстом
Восприятие информации. На этом этапе ученик работает индивидуально («Думай самостоятельно»). Ознакомительное чтение, получение общего представления по теме текста.
Изучающее чтение. Индивидуальная работа («Думай самостоятельно»). Операции смыслового восприятия элементов текста, понимание слов, предложений, абзацев, вычленение текстовых субъектов (основных понятий, ключевых слов, идей), выявление связей (логических, причинно-следственных, пространственных, временных и т.д.) текстовых субъектов. Понимание связи содержания данного текста с содержанием других изученных текстов, интерпретация данного текста на основе этой связи. Помогает осмыслить содержание применение маркировки текста И.Н.С.Е.Р.Т.: (I .N .S .E .R .T . - "Interactive Notation System for Enhanced Reading and Thinking ")
- «известно»
- - «противоречит представлениям»
+ - «интересное и неожиданное»
? - «узнать поподробнее»
! - «важно»
Усваивающее чтение. Проверка понимания текста. Ученики в парах («Думай в паре») проговаривают своими словами друг другу ответы на вопросы к тексту.
Переработка информации. Индивидуальная работа («Думай самостоятельно»). Разбиение информации на связанные части. Выделение оснований для систематизации и классификации полученной информации.
Синтез переработанной информации. Индивидуальная работа («Думай самостоятельно»). Группировка, комбинирование информации, составление кластера. Перевод полученной информации «на другой язык»: с языка слов на язык схем, с вербального языка на графический.
Представление и защита индивидуальных кластеров в парах («Думай в паре»), затем в группах («Думай вместе»).
«Обратный перевод» информации: с языка схем на язык слов, с графического языка на вербальный, причём информация сообщается своими словами. Обмен идеями в дискуссии или полемике. Аргументация, конструктивная критика, уточнение, совместная доработка кластера.
Рефлексия
Обдумать смысл пройденного;
Взглянуть на содержание урока в свете собственного жизненного опыта
«Возвращение к кластеру»
«Выходная карта»
Представление и защита нескольких вариантов групповых кластеров перед классом, коллективное обсуждение.
Предполагаемый вариант итогового кластера:
2. Задание: Сравните данный кластер с кластером, предложенным в начале урока. (!!!)
Найдите место на нём для электрона, протона, нейтрона, фотона, π-мезона.
Сделайте вывод. (Значительное приращение знаний об элементарных частицах!)
3. (Подведение итогов и мотивация на дальнейшую познавательную деятельность). Вернёмся к вопросам, с которых начали урок. Нашли ли на них ответы? Какие вопросы остались без ответа? Какие возникли новые? Где искать ответы?
Из чего состоит окружающий мир?
Напоминает ли структура вещества бесконечную череду вложенных друг в друга матрёшек или процесс деления прерывается, когда обнаруживается неделимая элементарная частица?
Что представляют из себя самые первичные фундаментальные частицы, из которых состоят все остальные?
Существует ли в природе такой уровень организации материи, глубже которого ничего нет?
Может ли такое количество (более 400) претендовать на роль «первокирпичиков Вселенной», истинно элементарных частиц?
Как ориентироваться в таком изобилии элементарных частиц?
Какие частицы являются истинно «элементарными»?
(Думай самостоятельно/в паре/ группе). Обсуждение.
Индивидуальная письменная работа (10 мин) «Выходная карта» - 1) самая важная мысль урока; 2) один вопрос по теме урока 3) общий комментарий по материалу урока
Сделайте самооценку своей работы на уроке (доволен собой, не очень, не доволен, почему?).
IV . Домашнее задание (внеклассная работа)
Дать возможность учащимся вести самостоятельную работу по углублению знаний, полученных во время урока;
Отрабатывать навык самостоятельной учебной деятельности;
Развивать творческие способности школьников
1.Изучить § 65 (самостоятельно по технологии РКМЧП)
2. Кластеры к § 65, выполненные с помощью ИКТ
3. Творческая работа по заинтересовавшей теме.
(2 и 3 по желанию)
Наблюдения за учащимися показывают, что построение кластеров воспринимается ими как творческая работа , где возможна реализация собственного видения проблемы, собственного подхода, вариативности, как средство самореализации, самоутверждения.
Возможность индивидуальной, парной, групповой и коллективной работы создаёт психологический комфорт учебного процесса. Включение каждого ученика в три вида
деятельности (думаю, пишу, проговариваю) обеспечивает «внутреннюю обработку информации». Эти факторы способствуют усвоению учащимися нового материала на уровне понимания, осмысления и развитию у них учебно-познавательной мотивации и активности (особенно у тех школьников, которые плохо вписываются в систему традиционного, иллюстративно-объяснительного обучения). И самое главное - они практически осваивают способ самостоятельного приобретения нового знания , у них формируется функциональная грамотность.
Вышеописанная технология обучения на основе творческой переработки текста позволяет учить интересно, быстро, качественно и даёт учащимся чувство удовлетворения.
Примеры выполнения кластеров по темам « Фундаментальные взаимодействия» и «Фундаментальные частицы»:
Цель: Рассказать учащимся об элементарных частицах, их основных свойствах и классификациях
Ход урока
Новый материал (дается лекционно)
Исследования строения атома и атомного ядра показали, что в состав атома входят электроны, протоны, нейтроны. Было принято называть эти частицы элементарными. Фотон(), позитрон (е +)и нейтрино (v), имеющие самое непосредственное отношение к атому и ядру, также стали называть элементарными частицами.
По первоначальному замыслу Элементарные частицы являются наипростейшими частицами, из которых построено вещество (атомы) существующего мира.
Элементарные частицы первоначально представлялось как нечто вечное, неизменное, нерушимое, и образ элементарной частицы связывался с образом песчинки или бесструктурного маленького шарика.
В наши дни не существует четкого критерия элементарности. Понятие "элементарная частица" в наши дни является весьма сложным.
Кратко перечислим известные элементарные частицы в порядке их исторического открытия.
Методические замечания: Учащимся в момент дальнейшего объяснения предлагается заполнять следующую таблицу (Приложение 1)
| К какому виду относится | Название частицы | Обозначение | Год открытия | Заряд q | Масса частицы |
Электрон был открыт Дж.Дж.Томсаном в 1897г..Через массу электрона обычно выражаются массы других элементарных частиц.
В 1900г. М.Планком и особенно, в 19005г. А.Эйнштейном было показано, что свет состоит из отдельных порций - фотонов. Фотон не обладает зарядом, и его масса покоя =0.Фотон может существовать только в процессе движения со скоростью света.
Опыты Резерфорда по рассеянию -частиц в 1911г. Привели к открытию протона. Масса протона=1836m е
Большинство физиков были уверены в том, что им удалось наконец-то все многообразие химических элементов и веществ природы свести к двум простейшим сущностям: к электронам и протонам. Картина, нарисованная физиками тех лет по вопросам строения вещества, вселяло чувство научной красоты и изящества. В период с 1911г. По 1932г. Многие ученые были преисполнены чувством удовлетворения, что им удалось осуществить многовековую мечту научного поиска.
Однако в 1928г. П. Дирак, а в последствии в 1932г. К.Андерсон были обнаружены такие частицы, получившие название позитроны(е +)
Позитрон - это первая элементарная частица, предсказанная теоретически.
В 1932г. Д.Чедвигом был открыт нейтрон с массой = 1838 m е
Нейтрон в свободном состоянии, в отличии от протона, является нестабильным и распадается на протон и электрон с периодом полураспада Т=1,01 10 3 с. В нутрии ядра нейтрон может существовать неопределенно долго.
В 1931-1933гг. В.Паули анализируя -распад предположил, что при распаде, кроме протона и электрона, испускается еще одна нейтральная частица с массой покоя =0. Эту частицу назвали нейтрино ()
Только в 1956г. К.Коуэн с сотрудниками обнаружил антинейтрино(), образующееся в ядерном реакторе. Оно было "поймано" при исследовании реакции: р+ v n+е + , нейтрино вызывает реакцию n+р+е - .
В 1937г. К.Андерсон и С.Неддерман обнаружили заряженные частицы с массой 206,7m е, эти частицы были названы -мезонами( + и -), обладающие зарядом +е и -е. В настоящее время эти частицы называют -частицами или -мюонами.
В 1947г. Английский ученые С.Поуэль, Г.Оккиалини и др. открыли -мезоны (-мезон - первичный мезон, который, распадаясь, дает мюоны)
Мезон имеют заряд +е и -е, а массы 273,2 m е. Несколько позднее 1950 г. Был открыт нейтральный -мезон( о), с массой 264,2 m е. В настоящее время известно три сорта -мезон: - , о, + , они интенсивно взаимодействуют с нуклонами, легко рождаются при столкновении нуклонов с ядрами, т.е. являются ядерно-активными. В настоящее время считается, что -мезоны являются квантами ядерного поля, ответственными за основную часть ядерных сил.
С 1949-1950гг. началось буквально "нашествие" элементарных частиц, их число стремительно возрастало.
Вновь появившиеся частицы можно разделить на две группы:
Первая группа включает в себя частицы с массами около 966 m е и 974 m е, в настоящее время их называют К-мезонами. Известны К + и К - мезоны с массами приблизительно 966,3 m е и электрическими зарядами +е и -е. Известны нейтральные К-мезоны (К о и К о) с массами 974,5 m е.
Вторая группа частиц получила название гиперонов. В настоящее время известны следующие гипероны:
В 1955г. Открыт антипротон, а в 1956г.- антинейтрон.
За последние годы были открыты новые квазичастицы (резонансных состояний) с необычайно малым временем жизнм, порядка 10 -22 - 10 -23 сек.. В этом случае даже не удается зафиксировать следы частиц и об их существовании можно судить лишь из косвенных соображений, из анализа поведения продуктов их распада.
В последние годы открыт второй сорт нейтрино, так называемое нейтрино(антинейтрино) мюонное и , которое испускается например, при распаде -мезонов;
III группа - тяжелые частицы, или барионы
В эту группу входят:
- Нуклоны и их античастицы
- Гипероны и их античастицы
Применение термоядерной энергии на примере установки Токамак
Учащимся предлагается ответить на вопросы:
- Какую ядерную реакцию называют термоядерной?(устно)
- Как можно осуществить термоядерную реакцию?
- Объясните принцип действия установки "Токамак".(письменно используя доп. Литературу)
- Объясните принцип действия лазерной установки для термоядерного синтеза"(письменно используя доп. литературу)
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
Мир элементарных частиц
Урок в 11 классе
Цель урока:
Образовательные:
Познакомить учащихся со структурой элементарных частиц, с особенностями сил и взаимодействия внутри ядра; научить обобщать и анализировать полученные знания, правильно излагать свои мысли; способствовать развитию мышления, умению структурировать информацию; воспитывать эмоционально-ценностные отношения к миру
Развивающие:
Продолжить развитие мышления, умения анализировать, сравнивать, делать логические выводы.
Развивать любознательность, умения применять знания и опыт в различных ситуациях.
Воспитательные:
Развитие навыков интеллектуальной коллективной работы; воспитание основ нравственного самосознания (мысль: ответственность ученого, первооткрывателя за плоды своих открытий);
Пробудить у учащихся интерес к научно – популярной литературе, к изучению предпосылок открытия конкретных явлений.
Цель урока:
Создать условия для развития интеллектуальной и коммуникативной компетентностей, в которых ученик сможет:
Назвать основные виды элементарных частиц;
Осмыслить многозначность современной стандартной модели мира;
Сформулировать свои представления об истории развития элементарных частиц;
Проанализировать роль развития элементарной физики;
Классифицировать элементарные частицы по их составу;
Задуматься о необходимости иметь собственную позицию, толерантно относиться к иной точке зрения;
Проявлять бесконфликтное общение при работе в группе.
Тип урока: изучение нового материала.
Форма урока: комбинированный урок.
Методы урока: словесные, наглядные, практические.
Оборудование: компьютерная презентация, мультимедийный проектор, рабочая тетрадь ученика, персональный компьютер.
| Этапы урока | Время, мин. | Методы и приемы |
| 1 .Организационное введение. Постановка учебной проблемы. | Запись темы урока. Рассказ учителя. |
|
| 2. Актуализация знаний (презентация ученика) | Рассказ учащегося о имеющихся знаниях, предпосылки изучения нового. |
|
| 3. Изучение нового материала (презентация учителя) | Рассказ учителя с использованием слайдов. Наблюдение. Беседа. Рассказ ученика с использованием слайдов. |
|
| 4. Отработка изученного материала. Закрепление. | Закрепление по опорному конспекту и работа с учебником. Ответы на контрольные вопросы. |
|
| 5. Подведение итогов. Домашнее задание | Выделение главного учителем, учениками. |
Ход урока
Организационный момент урока (приветствие, проверка готовности обучающихся к уроку)
Сегодня на уроке мы с вами рассмотрим различные взгляды на устройство мира, из каких именно частиц состоит всё то, что нас окружает. Урок будет похож на лекцию, и от вас, в основном, требуется внимание.
В начале урока я хочу предложить вашему вниманию историю возникновения учения о частицах.
2. Актуализация знаний.(Презентация Алексахиной В. «История развития знаний о частицах»)
Слайд 2 . Античный атомизм – это представления о строении мира учеными античности. По представлениям Демокрита, атомы были вечными, неизменными, неделимыми, отличающимися по форме и размерам частицами, которые, соединяясь и разъединяясь, образовывали различные тела.
Слайд 3. Благодаря открытию учеными Дираком, Галилеем и Ньютоном принципа относительности, законов динамики, законов сохранения, закона всемирного тяготения, в 17 веке атомистика древних претерпела значительные изменения и в науке утвердилась механическая картина мира , в основе которой лежало гравитационное взаимодействие – ему подвержены все тела и частицы, не зависимо от заряда.
Слайд 4. Знания, накопленные при изучении электрических, магнитных и оптических явлений, привели к необходимости дополнения и развития картины мира. Таким образом, в 19 веке и до начала 20 века стала господствовать электродинамическая картина мира . В ней рассматривалось уже два типа взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. Но им не удалось объяснить только тепловое излучение, устойчивость атома, радиоактивность, фотоэффект, линейчатый спектр.
Слайд 5. В начале 20 века появилась идея квантования энергии, которую поддерживали Планк, Эйнштейн, Бор, Столетов, а также корпускулярно-волновой дуализм Луи де Бройля. Эти открытия ознаменовали появление квантово-полевой картины мира , в которой добавилось ещё и сильное взаимодействие. Началось активное развитие физики элементарных частиц.
3. Изучение нового материала
До тридцатых годов 20 века устройство мира представлялось ученым в самом простом виде. Они считали, что «полный набор» частиц, из которых состоит все вещество – это протон, нейтрон и электрон. Поэтому их назвали элементарными. К этим частицам относят и фотон – переносчик электромагнитных взаимодействий.
Слайд 6. Современная стандартная модель мира:
Материя состоит из кварков, лептонов и частиц – переносчиков взаимодействия.
Для всех элементарных частиц есть вероятность обнаружить античастицы.
Корпускулярно-волновой дуализм. Принципы неопределённости и квантования.
Сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия описываются теориями великого объединения. Остается необъединенная гравитация.
Слайд 7. Ядро атома состоит из адронов, которые состоят из кварков. Адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии.
Классификация адронов: Мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка Барионы состоят из трёх кварков – нуклонов (протоны и нейтроны) и
гиперонов.
Слайд 8. Ква́рки - фундаментальные частицы, из которых состоят адроны. В настоящее время известно 6 разных сортов (чаще говорят - ароматов) кварков. Кварки удерживает сильное взаимодействие, участвуют в сильных, слабых и электромагнитных. Обмениваются между собой глюонами, частицами с нулевой массой и нулевым зарядом. Для всех кварков существуют антикварки. Они не могут наблюдаться в свободном виде. Имеют дробный электрический заряд: +2/3е – называются U-кварками (верх) и -1/3е – d-кварк (низ).
Кварковый состав электрона - uud, кварковый состав протона - udd
Слайд 9. Частицы, не входящие в состав ядра, – лептоны. Лептоны – фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. На сегодня известно 6 лептонов и 6 их античастиц.
У всех частиц есть антицастицы. Лептоны и их античастицы: электрон и позитрон с ними электронное нейтрино и антинейтрино. Мюон и антимюон с ними мюонное нейтрино и антинейтрино. Таон и антитаон - таонное нейтрино и антинейтрино.
Слайд 10. Все взаимодействия в природе являются проявлениями четырех видов фундаментальных взаимодействий между фундаментальными частицами – лептонами и кварками.
Сильному взаимодействию подвержены кварки, а глюоны являются его переносчиками. Оно связывает их вместе, образуя протоны, нейтроны и другие частицы. Косвенно оно влияет на связь протонов в атомных ядрах.
Электромагнитному взаимодействию подвержены заряженные частицы. При этом под воздействием электромагнитных сил сами частицы не изменяются, а лишь приобретают свойство отталкиваться в случае одноименных зарядов.
Слабому взаимодействию подвержены кварки и лептоны. Самый известный эффект слабого взаимодействия – превращение нижнего кварка в верхний, что в свою очередь заставляет нейтрон распасться на протон, электрон и антинейтрино.
Одной из самых существенных разновидностей слабого взаимодействия является взаимодействие Хиггса . Согласно предположениям, поле Хиггса (серый фон) заполняет все пространство жидкость, ограничивая дальность слабых взаимодействий. Также бозон Хиггса взаимодействует с кварками и лептонами, обеспечивая существование их массы.
Гравитационное взаимодействие. Является наиболее слабым из известных. В нем участвуют все без исключения частицы и переносчики всех видов взаимодействия. Осуществляется благодаря обмену гравитонами – единственными, еще не открытыми на опыте частицами. Гравитационное взаимодействие всегда является притяжением.
Слайд 11. Многие физики надеются на то, что подобно тому, как удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействия в электрослабое, со временем удастся построить теорию, объединяющую все известные виды взаимодействий, название которой «Великое объединение».
4 . Закрепление знаний.
Первичное закрепление (Презентация Гордиенко Ж. «Большой адронный коллайдер». Современные ученые стараются усовершенствовать процесс изучения частиц, с целью добиться новых открытий для научно-технического прогресса. Для этого строятся грандиозные исследовательские центры и ускорители. Одним из таких грандиозных строений является Большой адронный коллайдер.
Итоговое закрепление (работа в группах: ответы на вопросы по учебнику)
Вы разделены на две группы: 1 ряд и 2 ряд. У вас есть задание на листиках: вам необходимо ответить на вопросы, а ответы вы найдете в учебнике в параграфе 28 (стр. 196 – 198).
Задания первой группы:
Сколько всего фундаментальных частиц? (48)
Кварковый состав электрона? (uud)
Перечислите два самых сильных взаимодействия (сильное и электромагнитное)
Полное число глюонов? (8)
Задания второй группы:
Сколько частиц лежит в основе мироздания? (61)
Кварковый состав протона? (udd)
Перечислите два самых слабых взаимодействия (слабое и гравитационное)
Какие частицы осуществляют электромагнитное взаимодействие? (фотон)
Озвучивание руководителями групп ответов на вопросы и обмен карточками.
Итог урока.
Вы познакомились с некоторыми аспектами развития современной физики и теперь имеете элементарные представления о том, в каком направлении развивается наша наука и для чего нам это нужно.
6. Домашнее задание. Параграф 28.
Задания первой группы:
1. Сколько всего фундаментальных частиц? ______________
2. Кварковый состав электрона? ____________
3. Перечислите два самых сильных взаимодействия ______
4. Полное число глюонов? _______
___________________________________________________________________
Задания второй группы:
1. Сколько частиц лежит в основе мироздания? ________
2. Кварковый состав протона? ___________
___________________________________________________________________
Задания первой группы:
1. Сколько всего фундаментальных частиц? __________
2. Кварковый состав электрона? __________
3. Перечислите два самых сильных взаимодействия __________________________________________________________________________
4. Полное число глюонов? _________
___________________________________________________________________
Задания второй группы:
1. Сколько частиц лежит в основе мироздания? ____________
2. Кварковый состав протона? _____________
3. Перечислите два самых слабых взаимодействия ______________________
4. Какие частицы осуществляют электромагнитное взаимодействие? ______
___________________________________________________________________
Задания первой группы:
1. Сколько всего фундаментальных частиц? _____________
2. Кварковый состав электрона? ______________
3. Перечислите два самых сильных взаимодействия ________________________________________________________________________
4. Полное число глюонов? _____
___________________________________________________________________
Задания второй группы:
1. Сколько частиц лежит в основе мироздания? ______
2. Кварковый состав протона? _________
3. Перечислите два самых слабых взаимодействия _______________________
4. Какие частицы осуществляют электромагнитное взаимодействие? _______
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение –
средняя общеобразовательная школа № 7 г. Белгорода
Открытый урок по физике
11 класс
«Элементарные частицы»
Подготовила и провела:
учитель физики
Польщикова А.Н.
Белгород 2015
Тема: Элементарные частицы.
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
Ход урока
(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.
Прогнозируемая деятельность ученика: 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.
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 .
: 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 элементарной
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. § 114 - 115
2. конспект.
Loading...