粒子和宇宙有關(guān)內(nèi)容的教學(xué)探究

王加男 王丹 郭繼來

摘 要：首先，對人教版高中教材物理粒子和宇宙相關(guān)內(nèi)容進行分析，深化學(xué)生對自然界的認(rèn)識。其次，進一步探討運用模擬軟件模擬粒子碰撞和天文星空，創(chuàng)設(shè)物理情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：粒子；宇宙；教學(xué)；星空模擬

中圖分類號：G634 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-3561（2015）24-0076-01

我國中學(xué)物理新課程標(biāo)準(zhǔn)注重教學(xué)與學(xué)生生活、現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系，反映當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和新的科學(xué)思想，關(guān)注物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用所帶來的社會問題。高中人教版等教材設(shè)定了選修內(nèi)容，此部分內(nèi)容涉及較多前沿科技，密切聯(lián)系生產(chǎn)生活實際，各地區(qū)教師和學(xué)生可結(jié)合實際教學(xué)和學(xué)生興趣選擇選修部分內(nèi)容。人教版高中物理教材選修3-5中第十九章為“原子核”，里面包含八節(jié)內(nèi)容，其中的第八節(jié)為“粒子和宇宙”，前七節(jié)所講的內(nèi)容涉及到天然放射性及其規(guī)律、三種射線的研究、原子核的組成、放射性元素的衰變及重核的裂變等問題，對第八節(jié)“粒子和宇宙”的提出和學(xué)習(xí)打下了一定的基礎(chǔ)。人教版高中物理教材選修3-5不僅在全國新課改實驗區(qū)進入高考的十個省市中，在個別省市直接將選修3-5定為必考模塊，而且其他省市在選考模塊中也均有3-5，如此可見物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容在高考中所占的比重正在逐年增加。

一、教材內(nèi)容結(jié)構(gòu)分析

第十九章中第一、二節(jié)射線、原子核的組成和衰變，第五節(jié)核力與四種基本相互作用以及第六、七節(jié)的裂變、聚變等，都為基本粒子和發(fā)現(xiàn)新粒子做了一定的鋪墊，所講述內(nèi)容與“粒子和宇宙”內(nèi)容息息相關(guān)。教科書把人類認(rèn)知原子核結(jié)構(gòu)的歷程大致分為以下幾個方面：第一方面，證明原子核內(nèi)部存在結(jié)構(gòu)，并了解原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)；第二方面是講確定為質(zhì)子的過程；第三方面是盧瑟福根據(jù)荷質(zhì)比測定結(jié)論提出猜想，預(yù)言原子核內(nèi)存在一種不帶電的、與質(zhì)子質(zhì)量相等的粒子，查德威克進行數(shù)學(xué)計算證實此粒子為中子；第四方面是講20世紀(jì)30年代末以來新粒子的發(fā)現(xiàn)和粒子物理學(xué)基礎(chǔ)知識。依據(jù)粒子與各種相互作用的聯(lián)系，我們可將粒子分為三類：強子、輕子和媒介子。強子是參與強相互作用的粒子，最早發(fā)現(xiàn)的強子是質(zhì)子，強子還包括重子（中子和超子）和介子；輕子不參與強相互作用的粒子，電子是最早發(fā)現(xiàn)的輕子，接下來又相繼發(fā)現(xiàn)了電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子；媒介子是傳遞各種相互作用的粒子，包括膠子、光子和中間玻色子，膠子傳遞強相互作用，光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用。由許多實驗表明，強子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，在蓋爾曼提出的關(guān)于強子結(jié)構(gòu)夸克模型，認(rèn)為強子是由更基本的成分夸克組成。物理學(xué)中還有很多有趣的現(xiàn)象，如宇宙的演化、恒星的演化等，這里就不一一列舉了。

二、充分利用模擬軟件和模擬實驗創(chuàng)設(shè)物理情境

粒子和宇宙相關(guān)內(nèi)容是前沿科技，而且是最微觀和最宏觀的研究對象，不能在課堂中進行實驗演示。學(xué)生雖然在日常生活有過一點星空的觀測經(jīng)驗，但是粒子和宇宙內(nèi)容難度偏難，在實際教學(xué)中教師通常采用科普視頻，但是運用科普視頻教師不能根據(jù)教學(xué)實際需要和學(xué)生興趣進行充分的自主設(shè)計。如利用天文模擬軟件模擬夜晚星空效果和粒子模擬軟件模擬粒子碰撞事例，教師具有較強的自主性，可根據(jù)教學(xué)設(shè)計選擇軟件模擬方式和內(nèi)容，能夠有效地創(chuàng)設(shè)物理情境，激發(fā)學(xué)生和興趣。以Stellarium星空模擬軟件為例，它的字面解釋為“星的元素”，是一款免費開源的虛擬星像儀軟件，它能實時顯示現(xiàn)在時間和你所在位置的星座，可作為天文愛好者星空觀測的用具，還可以用作學(xué)習(xí)宇宙知識的教具。例如，教師可以在2015年5月8日上課當(dāng)天用Stellerium具體模擬大連當(dāng)?shù)?月8日晚20時的星空，這可以有效激發(fā)學(xué)生的觀測星空的意愿并有效指導(dǎo)學(xué)生觀測星空。該軟件可以選擇對星座進行連線，或顯示星座圖繪，這樣可以方便星座辨識或增強趣味性與美感。該軟件還可以運行一些程序自帶腳本和自我編制腳本，教師可根據(jù)教學(xué)設(shè)計選擇性的運用。

三、結(jié)合諾貝爾獎激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)

人類一直探索著粒子和宇宙，粒子和宇宙的研究是人類對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和宇宙時空結(jié)構(gòu)的最前沿認(rèn)識。粒子和宇宙研究過程中涌現(xiàn)了眾多的諾貝爾學(xué)物理學(xué)獎。在人教版教材第十九章末的“科學(xué)足跡”——“華人科學(xué)家在粒子物理領(lǐng)域的杰出貢獻”欄目中，以小故事的形式講述了華人物理科學(xué)家在粒子物理所做出的重大貢獻。在所有粒子物理發(fā)展史專著上，都會提到華人科學(xué)家趙忠堯、王淦昌、楊振寧、李政道、吳健雄、丁肇中等人的成果。教師應(yīng)結(jié)合教材挖掘相關(guān)素材，用這些華人科學(xué)家的事跡來鼓舞、激勵、引發(fā)學(xué)生對物理知識的探索欲，培養(yǎng)學(xué)生的民族自信心和自豪感。

四、結(jié)束語

文章探討了中學(xué)粒子和宇宙有關(guān)內(nèi)容的教學(xué)。首先，對人教版高中教材物理粒子和宇宙相關(guān)內(nèi)容進行分析，深化學(xué)生對自然界的認(rèn)識。其次，進一步探討運用模擬軟件模擬粒子碰撞和天文星空，創(chuàng)設(shè)物理情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，利用粒子方向獲得諾貝爾物理學(xué)獎的多位華人科學(xué)家的事跡來激勵學(xué)生，樹立學(xué)生的民族自信心和自豪感。

參考文獻：

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[2]楊振寧.楊振寧文集[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，1998.