Урок на тему «Зарождение физики элементарных частиц»
план-конспект урока по физике (11 класс)

Тема «Зарождение физики элементарных частиц», 11 класс

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний

Метод обучения: лекция с элементами беседы.

Форма деятельности учащихся: фронтальная, коллективная, индивидуальная

Цель урока: расширение представление учащихся о строении вещества; изучение основных этапов развития физики элементарных частиц.

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 вовлечение их в активную познавательную деятельность, в групповую и индивидуальную работу;

Воспитательная: воспитание  осознанности восприятия научных достижений в мире; развития любознательности, выдержки.

Оборудование к уроку, дидактические материалы: материал учебника,  презентация

Ход урока

1. Организация начала урока.

Организация начала урока, настрой учащихся на деловой ритм работы.

2. Актуализация знаний.

Учащиеся отвечают на вопросы:

1. Из чего состоит окружающий мир?

2. Напоминает ли структура вещества бесконечную череду вложенных друг в друга матрёшек или процесс деления прерывается, когда обнаруживается неделимая элементарная частица?

3. Что представляют из себя самые первичные фундаментальные частицы, из которых состоят все остальные?

Прослушав ответы учеников, происходит выход на логическую цепочку: природа – тело – вещество – молекула – атом – ядро - нуклоны (протон, нейтрон) - электрон.

Вспомните, какие элементарные частицы вам известны?  Представьте их  в виде кластера. (Протон, нейтрон, электрон, фотон, π-мезон)

Ученики работают индивидуально в тетрадях, по их предложениям учитель на доске оформляет кластер.

Учитель читает стихотворение Брюсова «Мир электрона» для того, чтобы ученики отгадали тему урока.

Мир электрона (Валерий Брюсов)

Быть может, эти электроны
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!

Ещё, быть может, каждый атом -
Вселенная, где сто планет;
Там - всё, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же
Их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь.

Их мудрецы, свой мир бескрайный
Поставив центром бытия,
Спешат проникнуть в искры тайны
И умствуют, как ныне я;

А в миг, когда из разрушенья
Творятся токи новых сил,
Кричат, в мечтах самовнушенья,
Что бог свой светоч загасил!

Учитель: сегодня мы приступим к изучению нового раздела "Квантовой физики" - "Элементарные частицы". 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.

Частицы, из которых состоят атомы различных веществ - электрон, протон и нейтрон, - назвали элементарными. Слово «элементарный» подразумевало, что эти частицы являются первичными, простейшими, далее  неделимыми и неизменяемыми. (Слайд 2)

        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.

Учитель: Как вы думаете, какие вопросы мы с вами сегодня будем рассматривать на уроке. Выслушиваются ответы учеников и затем, объявляется тема урока. (Слайд 3)

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.

Учитель: (Слайд 4) 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:

Электрон - отрицательно заряженная частица, заряд электрона равен -1,602 10 Кл; масса - 9,109 10 кг.     Протон - положительно заряженная частица, заряд протона 1,602 10 Кл; масса протона 1, 6726 10 кг.   Нейтрон - частица, не имеющая заряда; масса нейтрона равна 1,001 массы протона.

Учитель: ребята, а может быть, кто-то помнит из вас: кем и в какие годы были открыты электрон, протон и нейтрон?

Прогнозируемая деятельность ученика: (Слайд 5)

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.

Учитель: (Слайд 6)

После открытия протона и нейтрона стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протонно-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. (Слайд 6)

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). (Слайд 7)

Вопрос к классу: 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. Фотоны являются материальными частицами, имеют инертную массу, но могут существовать только двигаясь со скоростью света, не существуют в состоянии покоя. (Слайд 7)

Учитель: открытые частицы считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания. Однако такое мнение просуществовало не долго

Не входящий в состав ядра нейтрон живет около 1000 с, потом распадается на протон, электрон и нейтрино. (Слайд 8)

Этап 2.

Вступительное слово учителя (можно дать выступить ученику с сообщением).

(Слайд 9). 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.

Вопрос к классу. 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:

                                                                                 (Слайд 10-11)

Учитель: нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни.

Элементарные частицы, в точном смысле этого слова – это первичные неразложимые далее частицы, из которых состоят все вещества. 

Кварки – «кирпичики мироздания» (Слайд 12)

Выступление ученика. 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 10-17с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными.

Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10-22-10-23с.

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. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году, а открыл его в 1932 г. в космических лучах К. Андерсон.

Этап 3.

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

ТРЕТИЙ ЭТАП   от гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней (Слайд 13)

Вопрос к классу: Ребята перечислите мне частицы, относящиеся к группе фотоны. Прогнозируемая деятельность ученика: К группе фотонов относится единственная частица - фотон

Учитель: следующая группа состоит из легких частиц лептонов.

Вопрос к классу: что входит в эту группу?

Прогнозируемая деятельность ученика: в эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и мезон.

Учитель:  Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов, 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.

Вопрос к классу: Самые легкие из барионов?

Прогнозируемая деятельность ученика: самыми легкими из барионов являются нуклоны - протоны и нейтроны.

Учитель: за ними следуют так называемые гипероны. 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.

Учитель: В основе классификации элементарных частиц лежат различия в массах покоя. (Слайд 14).

Масса атомного ядра определяется экспериментально. Она всегда меньше суммы массы составляющих его элементов. (Слайд 15).

(Слайд 16) 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.

По времени существования можно рассматривать: относительно стабильные – 10-17с, Короткоживущие -  10-22-10-23с

(Слайд 17) Время, в течение которого живет частица, изменяется в пределах от ∞ до 10-24 секунды. Для резонансов является мерой нестабильности:

Мезоны – 10-13 с

Нуклоны – 10-2  лет

Мюоны – 10 –6 с

Электрон – ∞  

4. Первичная проверка понимания.

Вопросы:

1. Дайте определения элементарных частиц.

Элементарные частицы - это микрообъекты, которые невозможно расщепить на составные части.

2. Одно из свойств элементарных частиц – способность… (превращаться друг в друга)

3. Какие элементарные частицы называются стабильными? (Частицы, которые могут существовать в свободном состоянии неограниченное время)

4. Является ли нейтрон стабильной частицей? (Нет)

5. Что является главным фактором существования элементарных частиц? (Взаимное их превращение)

6. Какие взаимодействия определяют устойчивость ядер в атомах? (Ядерные)

7. Сколько живет нейтрон вне атома? (15с)

8. Опытом, подтверждающим реальность явления превращения электромагнитного поля в вещество, является рождение пар электрон-позитрон при поглощении гамма-квантов, обладающих энергией ..(больше 1МэВ)

9. Какое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? (Сильное, слабое, электромагнитное)

10. Какое взаимодействие носит универсальный характер? (Гравитационное)

11. Охарактеризуйте такие процессы взаимопревращения частиц, как аннигиляция и рождение пары. (Аннигиляция - это процесс взаимодействия частицы с ее античастицей, в результате чего они превращаются в γ-кванты (фотоны) электромагнитного поля или другие частицы.)

12. Почему свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, а свободный протон не может распасться на нейтрон, позитрон и нейтрино? (Второй вид распада запрещен законом сохранения энергии. Масса покоя протона, а следовательно, и энергия покоя меньше массы и энергии покоя нейтрона).

Учитель: Все элементарные частица делятся на …..(ученики продолжают классификацию) проверка ответа (слайд 18).

5. Подведение итогов занятия. Деятельность учителя: Выставление оценок наиболее активным учащимся.

6. Домашнее задание § 114,  конспект  (Слайд 19)

Список использованной литературы

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.Физика. 11 класс.   –М.: Просвещение, 2016 г

2. Гончарова О.Ю. Этапы развития физики элементарных частиц. 11-й класс,

http://festival.1september.ru/articles/621742/   

3. Польщикова А.Н. «Элементарные частицы» http://proteacher.ru/2015/05/20/urok_Elem_chast_1432115747_49023.doc