Конспект урока физики на тему 'Мир элементарных частиц' (11 класс)

Урок физики в 11 классе

«МИР ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ»

Учитель физики

высшей категории

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:

1. Организационный этап.

2. Актуализация опорных знаний.

3. Изучение нового материала.

4. Первичное осмысление и закрепление знаний.

5. Домашнее задание.

6. Подведение итогов урока и рефлексия.

Ход урока:

1. 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.

2. 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)

3. 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 м) расстояниях, в течение сверхмалых (t = 10^-8 с) промежутков времени и при сверхвысоких энергиях (Е 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?)

• Существуют ли другие частицы?

• Каковы их свойства?

• Что характерно для элементарных частиц?

• Сколько частиц может существовать?

• 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

1

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.

4. Первичное осмысление и закрепление знаний.

(Слайд № ) Итак,

1. 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.

1. Какое из перечисленных излучений не отклоняется в магнитном поле?

1. Альфа - частицы;

2. Поток протонов;

3. Бета - частицы;

4. Гамма - излучение.

2. Какое из представлений о строении атома верно? Большая часть атома сосредоточена…

1. В ядре, заряд электронов положителен;

2. В ядре, заряд ядра отрицателен;

3. В электронах, заряд электронов отрицателен;

4. В ядре, заряд электронов отрицателен.

3. Ядро состоит из…

1. Нейтронов и электронов;

2. Протонов и нейтронов;

3. Протонов и электронов;

4. Нейтронов.

4. При каких ядерных процессах возникает нейтрино?

1. При альфа - распаде;

2. При бета - распаде;

3. При излучении гамма - квантов;

4. При любых ядерных превращениях;

5. При аннигиляции электрона и позитрона:

1. Выделяется энергия с излучением;

2. Рождается новая пара электрон - позитрон;

3. Поглощается энергия;

4. Атом переходит в возбужденное состояние.

(Слайд № ) Результаты теста:

Вопрос

1

2

3

4

5

Ответ

4

4

2

2

1

(Слайд № ) Домашнее задание: Глава 14, 114, 115, статья о кварках, Интернет - ресурсы для желающих узнать больше.

6. 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!