黄增烨_粒子物理课程学习心得

第一篇：黄增烨_粒子物理课程学习心得

粒子物理课程学习心得-《粒子物理学的发展》

学号：12110321黄增烨

一、粒子物理的基础

粒子物理(高能物理)是研究场和粒子的性质、运动、相互作用和相互转化规律的学科，也是研究粒子内部结构规律的学科，是当代物理学发展的前沿。

1.实验研究:主要是通过高能粒子的相互碰撞，用实验手段发现新粒子。到目前已经发现了300多种。

采用的试验设备有加速器、对撞机、探测器、计算机和数据处理系统。2.理论基础是量子场论，是解释微观现象的基本理论。

二、背景

杨振宁、李政道大胆提出粒子在弱相互作用中，宇称不一定守恒，θ粒子和τ粒子可能是同一种粒子。

吴健雄做了极化钴60原子核β衰变实验，将钴60置于0.01K的低温环境中的磁场内，实验说明了β衰变规律宇称不守恒，使杨、李的观点得到了验证，打破了人们的传统观念。

三、粒子的分类

在粒子物理学的发展过程中，提出过不同的分类方案，如①早期按粒子的质量分类：光子（0）、轻子（轻）、介子（轻子和重子之间）、重子（重）； ②按粒子的寿命分为稳定粒子（平均寿命>10-18s)和不稳定粒子（平均寿命在10-20-10-24S）； ③分为粒子和反粒子。

反粒子：反粒子的质量、寿命、自旋等与粒子相同，而电荷等相加性量子数与粒子异号。

首先从理论上预言反粒子存在的人，是英国人狄拉克。25岁时狄拉克对量子力学就做出了令人瞩目的贡献。此后他致力于建立相对论性电子理论。终于他提出了著名的狄拉克方程。该方程不仅简洁、优美，而且还能解出实验的自旋值和磁矩值，精细结构，将量子力学中的康普顿散射、塞曼效应等事实，通过相对论电子理论统一起来。

1955年赛格雷、张伯伦在高能加速器上获得了反质子。1956年发现反中子。1959年，我国科学家王淦昌发现了反西格马负超子。人们又开始想到能否用反质子、反中子、正电子，组成一个反原子。

1995年开始，欧洲粒子研究中心的科学家，在(LEAR)低能反质子环中，产生了9个反氢原子，虽然它们存在的时间仅为三亿分之四秒，但是，却将人们对物质的认知领域大大扩展了。

现在公认的科学分类方法是按粒子参与相互作用的类型来分。粒子共参与四种相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。由于相互作用和前三种相比太弱，因此粒子物理学中不考虑它。

①轻子：主要参与弱作用，带电的轻子也参与电磁作用，自旋都是1/2，所以是费米子；轻子必定以粒子与反粒子对的形式生成湮灭。电子等6种是轻子，加上它们的反粒子，轻子共12种。

②强子：直接参与强相互作用的粒子统称为强子，强子也参与弱作用，带电强子也参与电磁相互作用。强子又分为介子和重子两类：自旋为整数或零的称为介子，如π、K、Η等；自旋为半整数的称为重子，如p、n、Σ、Λ、Ξ等；

③规范玻色子：是传递各种相互作用的中介者，它们是传递电磁作用的光子；传递弱作用的W±、Z0，传递强作用的胶子。胶子至今未发现。规范玻色子都是玻色子。

四、强子结构和夸克理论 1.坂田模型

最早提出强子结构模型的是费米和杨振宁，1949年他们提出，π介子是由核子（质子、中子）和它们的反粒子（反质子和反中子）组成。由于当时反质子和反中子尚未发现，所以，这一模型的提出需要一定的知识积累和胆识。1955年，坂田昌一提出“坂田模型”：强子都是由质子、中子和Λ超子以及它们的反粒子组成。这些粒子称为基础粒子。

2.八重法 1961年，美国物理学家盖尔曼(M.Gell-Mann)和尼曼(Y.Neeman)提出用SU(3)对称性对强子进行分类的“八重法”。这一方法概括了当时已经发现的大量粒子，并预言了Ω-1粒子的存在。这一预言于1964年被实验证实。

3.夸克理论

1964年盖尔曼进一步提出假设，即作为SU(3)群的物理基础的三重态，不仅仅是某种数学框架，而是三种不同的粒子：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)。并提出强子结构的“夸克”模型：他认为夸克是自然界中更基本的组成粒子，所有强子都是由三种夸克和它们的反粒子组成。

夸克性质：①夸克必须是费米子。因为费米子可以构成费米子，也可以构成玻色子；而玻色子只能构成玻色子，不能构成费米子。②夸克具有分数电荷。上夸克的电荷为2e/3，下夸克的电荷为-e/3，奇异夸克的电荷也为-e/3。③夸克带有色荷：红色(R)、黄色(Y)、绿色(G)。这些色荷决定夸克参与强相互作用的强弱程度。

标准模型：中子由2个下夸克和1个上夸克构成，写作(udd)；质子则由2上夸克和1下夸克构成，记为(uud)。在强子内部，夸克通过胶子传递强相互作用。胶子带有色荷，彼此有相互作用，可以形成胶子-胶子束缚态（即胶球）。

由于夸克模型能够成功的解释许多已知事实，把极为复杂的事情变得非常简单，而且在说明强子分类和质量谱等方面非常成功，所以这一模型为大多数人所接受。1969年，盖尔曼获得诺贝尔物理学奖。

4.桀夸克的发现

1974年8月，丁肇中领导的研究小组，在布鲁克海文实验室的质子加速器（能量为3.3×1010eV）上发现了一个新粒子，将其命名为“J”，并于11月份宣布。同时在美国西海岸的斯坦福大学直线加速器中心的里克特小组也发现了类似的粒子，并将其命名为“ψ”。因此，这个粒子就命名为“J/ψ”。不久在意大利和德国的加速器上也相继观察到这个粒子。为此，丁肇中和里克特容获1976年诺贝尔物理学奖。

J/ψ粒子是自旋为1的玻色子，质量很大，比质子质量还大3倍多。它的电荷是2e/3；但寿命却出奇的长，达到10-20秒，是类似能量的典型强子的1000多倍。为了说明J/ψ粒子的性质，人们提出了一种新的夸克---桀夸克（c夸克）。J/ψ粒子是由一个桀夸克和一个反桀夸克组成的束缚态。

5.底夸克(b)和顶夸克(t)根据基本粒子的发现历史，可将夸克分为三代，第一代夸克为上夸克和下夸克(u、d)；第二代为奇异夸克和桀夸克(s、c)。

从20世纪70年代，人们开始寻找第三代夸克---底夸克(b)和顶夸克(t)。1984年，欧洲核子中心（CERN）发现了顶夸克的痕迹。但真正找到它们却非常困难。1992年5月，费米实验室利用Tevatron对撞机(加速器长6.4公里)寻找顶夸克，参加实验的是两个国际性合作组：CDF和D0，共800多人。1994年终于观察到顶夸克的实验证据，并测定了其质量。但它比同一代的底夸克重30多倍，是质子质量的180多倍，是最轻的上夸克的30000多倍，大大出乎人们的预料。在标准模型中，质量认作为一个基本常数，它是根据实验数据，人为的加到理论中去的。但为什么夸克有三代的划分？三代间的质量为什么相差悬殊？有没有第四代？是什么因素决定了它们的质量的大小等等问题都在等待答案。

6.夸克囚禁

在目前的认识水平上，夸克是最小的物质粒子，在构成强子时，夸克之间的作用还要借助胶子，就象传递电磁作用的媒介粒子---光子一样。由于夸克所带色荷有三种，所以胶子有8种。一般地，介子由一个夸克和一个反夸克构成，重子由三个夸克构成。这些正反夸克之间的相互作用是通过交换胶子来完成的。约束核子在原子核内的力是核力，约束夸克在重子和介子内的力是“色力”。不同的是核力对核子的约束是有限的，在外界作用下，如放射性元素，核子脱离原子核并不是非常困难。但是色力却使夸克不可跨越，从实验情况看，人们从未发现单个、自由的夸克，只有2个或3个夸克的集合体才能处于自由状态，通常情况下，夸克总是被约束在质子和中子内部。夸克要冲破色力的束缚成为自由夸克几乎是不可能的。这种现象称作“夸克囚禁”。

但与此同时，粒子加速器上的实验，却显示质子中的夸克粒子间，好像并没有相互作用力。这是当时科学研究无法完全解释的问题。只有了解夸克之间的相互作用力的性质，才有可能得到单个的自由夸克，从而解决这个难题。

五、“弦”模型

“弦”模型：关于“夸克囚禁”，意大利和美国物理学家曾提出“弦”模型来解释。1968年，意大利的维尼基亚诺(Vineziano)找到了一个与量子场论无关的函数，它能很好的描述强子的许多特征。但如果用这个函数描述粒子的性质，粒子将等效成一根一维弦。这意味着粒子的点状结构将被一根“弦”来代替。最初引用“弦”概念的是美国加州理工学院的许瓦兹(J.G.Schwarz)和舍科(Sherk)。由于旧弦理论存在很多问题，从1979年起，许瓦兹又和格林(M.B.Green)合作(舍科已去世)，共同致力于弦理论的改造。在这个模型中，介子中的正反夸克就象系于一根“弦”的两端。重子中的三个夸克则由三个“弦”连系着。这样，夸克间的距离越远，弦的张力就越大，即色力随着距离的增大而增大，因此夸克不可能挣脱“弦”的作用而变为“自由夸克”。夸克只能在“弦”的控制下，在距离较近时，获得“渐进自由”。弦有开弦和闭弦两种，弦的线度为普朗克长度。单弦的每一振动模式，都对应一种粒子，粒子间的基本相互作用就是弦的分裂和接合。当两段单弦相碰时，它能通过端点的接合形成第三根弦，第三根弦又形成最终的两根弦。

“渐近自由”理论：1973年，正在普林斯顿大学攻读博士学位的维尔切克和其导师格罗斯共同发表了一篇论文，提出强作用理论中的“渐近自由”现象。同年，正在哈佛大学攻读博士学位的波利策也独立发表的一篇论文，提出了同样的理论。

“渐近自由”理论，用数学模型解释了夸克的上述神秘行为。理论认为，强作用力会随夸克彼此间距离的增加而增大，因此没有夸克可以从原子核中向外迁移获得真正的自由。这些夸克会永久地被结合在一起，因此不可能找到单个的夸克。同样根据“渐近自由”理论，强作用力会随夸克间距离变小而减弱，这就意味着约束在质子等内部的夸克，在彼此距离足够小时，将近乎自由地进行运动。

这个发现导致了“量子色动力学”(QCD)的诞生，这是一个关于强相互作用的理论。

这三位美国科学家戴维•格罗斯、戴维•波利策和弗兰克•维尔切克，因发现粒子强相互作用理论中的渐近自由现象，荣获2004年度诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖评选委员会称颂这3位粒子物理学家的发现为：“夸克世界中的一个灿烂发现”。六.质疑

自从 60年代科学家们提出夸克这一设想后，全世界的物理学家花费了巨大的财力、物力和人力，设计出了多种夸克模型，建造高能电子对撞机。虽然一些实验现象“证实”夸克（或层子）的存在，然而单个的夸克（或层子）至今未找到。对此，粒子学家们的解释是：因为夸克（层子）是极不稳定的、”寿命极短的粒子，它只能在束缚态内稳定存在，而不能单个存在。

1996年2月26日，《光明日报》发表了天津大学崔君达教授的文章《夸克存在吗》，向“夸克说”提出了质疑。崔说，早在1979年3月，他在全国第一次数学物理讨论会上，对SU3（夸克模型）中的“3”，提出了一个全新的理论，即复合时空论。按照这个理论，夸克模型中的夸克，层子模型中的层子，以及Higgs粒子都是不存在的！“人们不论上天入地去寻找，夸克总是杳无踪影”。

崔还特别提到：1994年，首先提出夸克模型之一的M•盖尔曼写了一本《夸克与美洲豹》的书。他在书中说，他提出的SU3中的U3实际上是一个数学符号，并不代表“实在的”夸克这东西，物理学家们把它误解了。他最后宣称：“我不相信夸克是有的。” 李政道教授在1996年10月3日的一个讲演中指出：“„„另一个谜是，所有强作用的粒子都是由夸克组成的，但是我们却不能把单个的夸克分离出来。”早在1993年李政道在清华大学讲演时也提出了这一问题。

美国基础科学研究所所长R•M•Santilli为崔的文章写的评论中说：“„„夸克是物理实在的粒子的信条是一个真正的科学欺骗，特别是由所谓‘专家’说出来的时候。实际上夸克只能在SU（3）对称的纯数学的U空间中定义，而不能在实在的时空中定义。” 夸克或层子是否存在？

七、总结

粒子物理学的发展是在坎坷和质疑中前行，需要一代代科学家们不断地去探索求真。

第二篇：哈佛大学《粒子物理》教材评介与分析

哈佛大学《粒子物理》教材评介与分析

张立彬（南开大学外国教材中心）

谢亚平（南开大学物理科学学院）

[内容摘要] 本文介绍了美国哈佛大学粒子物理课程使用的教材的基本情况。通过评介与分析，建议国内编写同类教材时，也应由名家撰写、文献丰富、善用图表、因材施教、及时更新、问题新颖、风格多样等。[关 键 词] 哈佛大学；理论物理；粒子物理；教材评介；启示

《Particle Physics： A Comprehensive Introduction》（粒子物理：综合导论）是美国哈佛大学物理系课程编号为5341的课程“Physics 248.Phenomena of Elementary Particle Physics ”（基本粒子物理唯像学）所选用的教材。该课程还有三本教科书，即《Gauge Theories in Particle Physics》、《 Quarks and Leptons：An Introductory Course in Modern Particle Physics》和《 An Introduction to Gauge Theories and Modern Particle Physics》。本文评介的教材《Particle Physics： A Comprehensive Introduction》由前言、正文、附录、参考文献和索引五个部分组成，其中正文13章，共473页。本书的作者是美国加州大学圣克鲁兹分校的Abraham Seiden教授。

一、出版与作者情况

《Particle Physics ：a Comprehensive Introduction》由美国加州大学圣克鲁兹分校的亚伯拉罕·西顿(Abraham Seiden)教授撰写。2005年由美国安德森·卫斯理(Addison Wesley)出版公司出版。[1]

Abraham Seiden教授是美国加州大学圣克鲁兹分校粒子物理研究所的主任，该研究所是圣克鲁兹大学的一个独立的研究所，该所有30多位博士学位的科学家，它的研究领域为粒子物理学，天体粒子物理学和神经生物学，以及由于粒子物理学的革新而衍生出的其他学科领域。自从1978年以来，Abraham Seiden教授一般在这个研究所工作，1981年至今，亚伯拉罕教授一直是该该研究所的主任。Abraham Seiden教授1989年被选为美国科学学会的会员，1995年，他获得了圣克鲁兹大学自然科学领域杰出贡献奖。

Abraham Seiden教授1967年在哥伦比亚大学获得应用物理学学士学位，1970年获得加州理工大学硕士学位，1974年获得加州大学圣克鲁兹分校的博士学位。Abraham Seiden教授的研究领域包括了夸克碎裂过程、深度非单散射，重介子的弱衰变亚，弱相互作用中的CP破坏和混合，电弱理论的自发对称性破缺以及强子的碰撞过程。亚伯拉罕教授是现在世界上大多数粒子碰撞加速器中心探测器建设工程的领导者。这些工程包括帮助欧洲核子中心大型强子对撞机制造硅阵列探测器来跟踪粒子。

在Abraham Seiden教授的工作领域，他是高能物理领域的权威，他是美国斯坦福直线加速器和欧洲核子中心科学政策委员会的委员，大型微光探测引力波项目工程的委员。Abraham Seiden教授还是高能物理咨询委员会的成员，该委员会向美国国家自然科学基金会陈述意见。

二、本书的创作背景

自从上个世纪四十年代以来，费曼、施温格、朝永振一郎三个人提出量子点动力学以来，然后是高能加速器的运用，几十年以来，粒子物理取得了无以计数的科研成果。上个世纪七十年代，自从温伯格、萨拉姆和格拉肖三个人提出了标准模型以来，粒子物理又迎来了一个新的春天。通过无数的实验证明，标准模型 在很多的情况下与实验符合的很好，但是，和任何理论一样，标准模型也不是终极理论，它也存在某些不能解决的问题。主要是中微子振荡和希格斯粒子的存在与否等问题。在标准模型下，中微子是无质量的粒子，但是实验上却观测到中微子有振荡现象，说明，它是有质量的，所以，标准模型必须修改。希格斯粒子通过和费米子之间的Yukawa相互作用而使费米子改变质量，在标准模型下，希格斯粒子必须存在，但是，在当今的实验观察中，还没有一个能够观测到希格斯粒子的实验实例。还有一个重要的问题就是在低能情况下，微扰方法在强相互作用的计算方法中完全失去了效力，使得强相互作用的问题变得非常复杂，至今没有一套完整的理论来解决强子的衰变问题。本书在以上的背景下，重点描述了标准模型的主要内容，包括基本粒子和基本相互作用的理论。[2]

三、本书的主要内容

这本教材涵盖了粒子物理中标准模型下的基本概念和理论，标准模型的目的是了解亚原子结构以及其中的基本相互作用的理论，进而使人类对微观尺度有一个更加深刻的认识。

标准模型通过一些基本的粒子来描述三种基本的相互作用，这些基本粒子包括三代夸克和三代轻子以及传递相互作用的规范粒子。这些基本粒子已经被当今的自然科学研究所揭示了，它们的存在已经通过加速器的实验证明了，标准模型已经被无数次实验被证明了它的正确性。[3]

粒子物理课程一般在研究生的二年级开设，在高等量子力学之后，和场论一般在同一年开设。通过多次课程实践经验的总结，我在本书中自然地就列出了狄拉克方程的形式，以及基本的场论知识。同时，我们假定学生学习本课程的时候已经学习完了量子力学，包括角动量和克莱不登-高登系数。在场论方面，我已经试图去阐述数学在解释物质中的作用了。这其中的物质是多自由度的，而不是单粒子的情形。

在当今的粒子物理学中，我们可以写下一些方程来推测它们的因果联系，或者是通过实验现象来研究理论体系。我们这本书的内容是选用后一种研究方法来研究粒子物理学，这要求我们的学生更多地了解我们的理论体系和理解标准模型下的证据。特别是在强相互作用的非微扰理论下的情况更应该如此。

本书可以作为一个学年的课程的教学任务，也可以作为一个学期的专题讨论版教材。例如，对于弱相互作用，前三章的内容可以调整，因为其他的课程已经讲述了。而对于夸克禁闭模型和强子理论来说可以更加简略地讲述。

本书的主要内容分为三大部分，第一部分主要是讲粒子物理的研究方法，通过高能加速器上的碰撞实验和宇宙射线中的观测实例，从而观测其中的粒子之间的散射截面和衰败宽度。然后，告诉读者如果计算粒子物理中的散射截面和衰败宽度。第二部分是讲述微观世界的三种基本的相互作用以及基本粒子。三种基本作用包括电磁相互作用，书中讲述了轻子和轻子、轻子和光子之间的相互作用；第二种相互作用是强相互作用，本书在讲述强相互作用时候，讲述了强子的衰变，介子的衰变，以及强子的分类，强相互作用中的同位旋破坏和对称性研究方法等等；第三种相互作用是弱相互作用，本书在这里讲述了重介子的弱衰变，弱相互作用中的混合和CP破坏现象。第三部分是讲述了当今高能粒子物理的科学进展，主要是大动量转移的碰撞实验，在高能情况下，量子色动力学是可以用微扰方法来计算的，在大动量转移情况下，强相互作用具有渐进自由的特性，本书还在这一部分讲述了LHC的研究情况以及二十一世界的粒子物理研究领域并对未来的高能物理进行了展望。

四、本书的学术价值

本书虽是作为一本研究生教材，但其学术价值却很深入，由于作者的工作和学术背景，本书学术价值的重心在唯像研究。本书着重讲述了现在各加速器实验室的各种实验进展。比如，在3-5GeV能区，主要是C物理现象。北京正负电子对撞机所进行的实验，粲偶素物理一直在现在中高能物理的一点难点，因为在粲物理能区，由于耦合常数过大，整个微扰理论失效。本书在讨论粲物理问题主要是应用非微扰方法，这也是现在解决粲物理问题比较有效的方法。在9-12GeV能区主要是B物理，现在B物理的加速器主要有日本的B工厂等，现在B物理能区的主要研究方向是弱混合和CP破坏，本书在弱相互作用这一章中重点讲述了弱混合和CP破坏，这是最新的研究成果。另外还有中微子物理，也是当今粒子物理科学的前沿，本书也讲述了中微子的振荡，这是中微子有质量的间接证据，也是标准模型外所不能解释的问题。本书虽然为教材，但是对于这样的科学前沿问题做了深入的探讨，这是本书的一大亮点。[4]

五、本书的主要特色

5.1内容全面。本书作为一本高年级本科生和研究生的粒子物理教材，书中的内容涵盖了强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用三大基本相互作用。书中沿着历史的顺序，先是介绍了电磁相互作用，通过电磁相互作用给大家介绍了如何计算散射截面和衰败宽度。因为，电磁相互租用是现代物理学了解最深刻的基本相互作用，也是微扰计算最为精确的物理过程。然后，本书又介绍了强相互作用，强项互用因为低能情况下微扰计算失去了效力，所以只能用非微软的方法来对付强相互作用。最后，本书介绍了标准模型下的电弱相互作用。[5]

5.2物理图像清晰。作为一本唯像理论的粒子物理教材，本书没有过多的量子场论和重整化，而是直接通过费曼图，传播子理论讲述了三大基本相互作用。场论中的物理过程强调的是数学的严谨，但是缺少了清晰的物理过程的描述。本书弥补了这样的缺陷，重在强调物理过程，其中本书的传播子理论很清晰地描述了粒子的产生和湮没的过程。

5.3数学计算过程详细。本书作为一本导论性质的粒子物理教材，但是，其中的数学过程却很清晰明了和详细。相对于佩斯金的《高能物理导论》而言，本书的数学过程详实但是不繁琐。其中佩斯金的《高能物理导论》主要讲的是试验中观测到的物理现象和基本的物理理论，数学计算的结果比较简略，这对于初学者是一个比较困难的过程，因为初学者往往很难理解高能物理中的计算过程。本书对于散射截面和衰败宽度给出了较为详实的计算过程，这很有利于初学者。

5.4图表众多。物理作为一本以实验为基础的实验科学，最强调的是和实验的同步，为了说明复杂的物理过程，本书引用了很多的图表来阐述其中的物理过程，其中有散射费曼图，还有一些模拟图。通过以上几种图表，读者可以清晰地知道其中的物理行为。散射截面的图表最为说明其中的问题了，这也是现代高能物理研究的一个重要的方法，本书为了阐述清楚其中的计算结果，引入了很多的图表来说明情况，给人一种清晰、明朗的感觉。

5.5紧密联系最新科研进展。本书成书于2004年，是适合于21世纪的前沿科学的教材。本书在讲述基础科学的同时，也融入了最新的关于高能物理的进展。其中，本书着重讲述了强子的衰变，弱相互作用的CP破坏和中微子振荡等最新的科学进展。其中，弱相互作用中的CP破坏是1998年的诺贝尔物理学奖获奖的课题，中微子振荡是2000年诺贝尔物理学奖获奖的课题。本书通过最新的科研动态和基础理论的联系启发读者，这是本书的一个鲜明的特色。5.6结构严谨，重点突出。本书开篇先讲实验上的怎么观测到高能物理的现象，然后，讲述如果计算散射截面和衰变宽度。这是我们认识自然世界的的方法，这些基础的东西在本书中虽然不是重点，但是是必须的。之后，本书着重讲述了三种基本相互作用的理论。这是本书的重点，也是我们认识自然世界的内容。本书作为一本唯像的粒子物理教材，也没有重点讲述重整化群的方法，因为，那是一般场论教材的内容，通过以上的轻重有别的指导思想完成的本书的结构明朗，沆然一气，学完本书之后，学生能够基本掌握粒子物理学科的基本知识。

六、适用对象与社会反映 本书出版以来，受到的各类读者的广泛好评，本书的主要读者群为物理系的研究生和高校的教师以及各研究所的研究员。因为本书与最近的科研进展紧密联系，本书的出版全球谷地的读者带来一种新的气息，受到广大专家学者以及学生的高度评价。

美国休斯顿大学的Lawrence Pinsky教授曾说：“我早就觉得应该有一本关于当今粒子物理领域的教材了，我很欢迎这本重要的新的教材的出现。中国南开大学物理学院博士研究生王晓鹤评介本书说“通过这本书，可以了解粒子物理学的最新进展和新的科研方向，对于指导我的博士论文很有裨益。”美国加州理工大学物理系研究生John TD Jones评论： “我用这本书做教材，它的数学演算很明朗，我在这本书中了解到了粒子物理中的基本的计算过程”卓越亚马逊网友评论“作为一名初学者，这本书从基本的费曼图说起，然后再到最新的科学前沿，这是一本非常适合初学者的粒子物理教材。”

七、对国内大学编写同类教材的启示 本书为美国著名大学的教材，对于中国的高等教育教材建设有着很大的启示作用，主要有以下几点：

7.1名家撰写。作者富有丰富的教学和科研经验，本书的作者Abraham Seiden教授是美国物理学会的会员，同时也是世界在建几个加速器探测器的指导者，他有着几十年的科研经验，对粒子物理的进展了解非常深入和透彻。能够把握住当今科研的动态，所以读者能从本书获得不少的收获。所以，我们中国的高等教育教材建设要上一个新台阶，必须也需要这样的大家来撰写教材。

7.2文献丰富。丰富的引用文献，本书的引用文献有上百种，包括了粒子物理理论和实验的经典教材和论文。本书不仅列出了全书的参考文献，而且在每一章都给了这一章所需要的参考文献，本书的索引也是非常多，有几百条之多，这样给了读者很大的便利。而反观中国国内的一些教材，参考文献只有十几本，没有分章地列出本章的参考文献，而且没有索引，这样给读者带了很大的不便。所以，以后国内的教材也应该分章列出参考文献，在书后列出索引。

7.3善用图表。本书在书中列出了很多的数据图表，这些图表通过横向和纵向的数据对比，使晦涩深奥的物理问题通过图表清晰地阐述清楚。在当今的实验方法来研究微观粒子都是通过加速器的对撞实验，然后测量反应的散射截面，共振态的能量来说明其中的物理规律，在微观世界里，我们没有直接的方法来了解其中的相互作用的基本规律，所以，只有运用间接的方法来了解微观世界的物理规律。通过图表可以使读者对实验过程的趋势有一个整体的印象，更加准确地了解其背后的物理规律。

7.4.因材施教。本书是美国教材的一个个例，通过这个个例我们可以看到美国教材的特点，那就是根据本课程的特点来量身定做地编写教材。本书是一个粒子物理的教材，侧重在物理图像和基本相互作用的直观理解，但是，作为粒子物 理中的重要的重整化理论，本书没有深入的涉及，而是，把重整化理论放在量子场论来重点讲述。

7.5 及时更新。当今科技日新月异，作为教材也在讲述基本理论的同时，也应该考虑到当今科技的最前沿的进展。这本书作为哈佛大学的教材给了我们中国高校教材建设一个重要的启示，那就是教材也是不断更新的，应紧跟时代科技的前沿。

7.6 问题新颖。作为一本优秀的教材，本教材的课后习题非常合理，难度适中，而且，具有启发性。这是，美国优秀教材的一个重要的特点，学生在学习基本知识的同时，能够提出问题，这比只掌握课本内容而不思考问题要强一下，所以，一本好点教材一定要有好的启发性。

7.7 风格多样。作为一个理科教材，当然不必要语言非常华丽、优美，但是也应该不干涩，在不失科学性、准确性的同时，也应写得语言流畅、理解通顺。这是本书给我们的另外一个启发，阅读本书，并不晦涩难懂，而是一种优美的享受。所以，我们希望中国高校的教材也应该注意语言方面的问题。

八、本书的章节目录 第一章：粒子物理教程 第四章：强子 1.1： 导论 4.1： 强相互作用的电荷结构 1.2： 我们测量的是什么？ 4.2： 量子数 1.3： 相互作用的结构 4.3： 内禀对称性 第二章：怎么去计算散射截面 4.4： SU(2)群与SU(3)群的生成元 2.1： 自由粒子 4.5： 颜色场之间的相互作用 2.2： 0自旋粒子 4.6： 颜色场的势 2.3： 拉氏量密度 4.7： 束缚态的大小 2.4： 对称性与拉氏量 4.8： 重子 2.5： 1自旋粒子 第五章：同位旋与味道的SU(3)群，近2.6： 1/2自旋粒子 似对称性 2.4： 特解的解释 5.1： 轻夸克族 2.9： 态的时间态 5.2： 轻介子 2.10：时间演化与粒子交换 5.3： Breit-Winger传播子与介子的2.11：动量空间的传播子 寿命 2.12：衰变率与散射截面的计算 5.4： 矢量介子衰变 2.13: 粒子交换与汤川势 5.5： 衰变的物理图像 2.14：量子场论 5.6： 三夸克重子态 第三章：轻子与光子的散射 第六章：夸克的禁闭模型 3.1： 相互作用的哈密顿量与轻子流 6.1： 夸克禁闭 3.2： 电子与μ子的散射 6.2： 重子的磁矩 3.3： 正负电子对湮没成正负μ子对6.3： 介子与重子的质量 的散射 6.4： 光子与矢量介子的耦合 3.4： 电子与电子的散射 6.5： 赝标介子与矢量介子的辐射跃3.5： 正负电子产生正负电子的散射 迁 3.6： 轻子对与光子对的散射过程 6.6： 赝标介子衰变为爽光子 3.7： 微扰展开的高阶项，费曼规则 6.7： 本章小结 3.8： 洛伦兹不变性与场论 第七章：颜色场的规范理论 3.9： 散射矩阵的特殊对称性 7.1： 局域规范不变性 7.2: 标度无关性的矛盾

7.3： 强项会作用的近似手征对称性 7.4： 对称性自发破缺 7.5： 拉氏量中的夸克质量 第八章：费米子的弱相互作用 8.1： 弱规范群 8.2： μ子的衰变 8.3： Tau子的衰变 8.4： 带电夸克流

8.5: 带电的π介子衰变

8.6： 奇异熟改变的夸克流与K介子衰变

8.7： 赝标介子的弱衰变的一般理论 8.8： K介子向两π介子的衰变的振幅 8.9： K介子向三π介子的衰变的振幅 8.10：稀有的K介子衰变 8.11：重夸克的弱衰变 8.12：重夸克的有效理论 8.13：本章小结

第九章：弱相互作用的混合现象 9.1： 产生粒子的相互作用与探测 9.2： 赝标介子的弱衰变的混合 9.3： K介子系统 9.4： D介子系统 9.5： B介子系统 9.6： 中微子振荡

参考文献：

第十章：电弱相互作用的规范理论与对称性破缺

10.1： 弱中性流 10.2： 中性流混合

10.3： Z介子的唯像理论

10.4： 规范玻色子的自相互作用 10.5：希格斯机制

10.6: 温伯格-萨拉姆理论 10.7: W、Z玻色子的质量修正 10.8: 费米子质量的概述 10.9: 马约拉纳中微子

第十一章： 大散射截面过程 11.1：过程的种类 11.2：多极库伦散射

11.3：电子与光子的辐射过程 11.4：强子的单举过程

第十二章：大动量转移的散射过程 12.1：过程的种类

12.2：正负电子对湮没成强子 12.3：强子的结构和近距散射

12.4：电子=质子深度散射的单举过程 12.5：标度破坏率

12.6：横向大动量转移的正负质子散射过程的结论 12.7：下一个边界 第十三章：高能物理学[1] Abraham Seiden.Particle Physics： A Comprehensive Introduction.Addison Wesley，2005：1-473.[2] Cheng,T.-P and Li,L.-F,Guage Theory of Elementary Particle Physics, Oxford University Press,Oxford,UK,1984.[3] Peskin,M.E.and Schroeder,D.v.An Introduction to Quantum Field Theory,Addison-Wesley,Reading,MA,1995.[4] Perkins,D.H, Introduction to High Energy Physics(4th edition), Cambridge University Press ,Cambridge,UK,2000.[5]Itzykson,C.and Zuber,J.-B.Quantum Field Theory.McGraw-Hill,New York,1980.[作者简介]张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与外国教材研究，发表各类学术论文100余篇，其中被《新华文摘》全文转载或论点摘编4篇；谢亚平（1982--），男，湖南娄底人，南开大学物理学院研究生，主要从事理论物理研究。

本文系教育部2009科研项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性研究成果之一。

第三篇：八年级物理下册小粒子和大宇宙教案

第十章小粒子和大宇宙(一)本章概述 1.课标要求： 科学内容

●知道物质是由分子和原子组成的。

●了解原子的核式模型。了解人类探索微观世界的历程，并认识到这种探索将不断深入。●大致了解人类探索太阳系及宇宙结构的历程，并认识到人类对宇宙的探索将不断深入。●对物质世界从微观到宏观的尺度有大致的了解。●能从生活、自然中的一些简单热现象推测分子的热运动。初步认识宏观热现象和分子热运动的联系。

●能举例说明自然界存在多种多样的运动形式。知道世界处于不停的运动中。2.教材分析：

本章教材的重点是：物质是由分子和原子组成的；分子动理论的基本观点；物质世界从微观到宏观的尺度的大致数量级概念；人类对微观世界和宇宙的探索将永无止境。本章教材的难点是对微观世界概念的建立，人类探索微观和探索宇宙过程中的科学方法和科学态度的形成，以及从中感受科学精神和人文情操的过程。3.教法、学法指导

⑴从微观和宏观两个方面以不同的文献资料向学生展示人类生存的物质世界的真实画卷，让学生初步认识物质世界的基本构成。

⑵通过实践让学生感受微观世界的运动及物质存在的三种状态。

这种设计方式是为了让学生在初步了解物质世界的基础上通过自己的实践来感知组成物质世界的最小单元的运动情况。

⑶通过实验探索来加深学生对物质世界特性的认识，也加强他们的动手能力和对用实验来探索真理的科学态度和方法。4.课时安排：3课时(二)课题教案参考 第一节走进微观 1.教学目标：

⑴能简单说明物质是由分子和原子组成的，了解分子运动理论的基本观点。⑵了解原子的核式模型，大致了解人类探索微观世界的历程，并认识到这种探索将不断深入。⑶对物质世界从微观到宏观的尺度有大致的数量级的概念。2.教材分析：

本节的重点是物质是由分子和原子组成的，原子的核式结构模型。

本节的难点是学生对微观世界“小”的概念的建立和探索微观世界的科学方法的形成过程。3.课时安排： 1课时

4.教学准备： 挂图，VCD片 5.教学设计 6.板书设计 教师活动 学生活动

说明

我们生活在辽阔的宇宙中，宇宙到底有多大？又是由什么东西组成？空气到底由什么物质组成？从今天起，我们学习§10.1 走进微观

(板书)让学生看书“物质的组成” 1.物质是由什么组成的？

2.为什么说分子是组成物质的最小微粒？ 3.第一位提出分子的人是谁？

4.1cm3的水中含有3.34×1022个水分子，你能感悟到分子的大小吗？ 指导学生阅读“微观粒子” 1.原子是由什么构成的？ 2.原子核由什么构成的？

抓住原子结构的核式结构认识到这种结构非常牢固。带着问题阅读教材，思考。学生回答。让学生小结 完成作业

看书 分子 讨论 回答： 很小 阅读

原子核和电子 质子和中子

1.你知道哪些微观粒子？

2.这些粒子的大小顺序你能知道吗？

3.人们现在用什么方法发现了更小的粒子？ 总结

计算课后题目 做同步训练

引入课题 自主学习

认识原子结构，知道原子由原子核和电子组成，了解原子核由质子、中子组成。巩固练习

(三)教学参考资料

物质的分子都极其微小，如果把分子看做圆球，那么各种分子的直径都只有几分之一个纳米左右(1nm=1×10—9m)。水分子的直径大约是4×10—10m，相当于头发粗细的十万分之一。1cm3的水中就含有3.34×1022个分子。据估计一只蚂蚁喝一口水就吞下2×1019个水分子。10万个氧分子依次排列起来，总长仅0.03mm。原子大小是10—10m，原子核的大小在10—14m以下，原子核的半径只相当于原子半径的万分之一。原子核的体积与原子体积的比应为万亿分之一。1.电子的发现

19世纪80年代初，汤姆逊在卡文迪许实验室进行气体放电现象的研究，关于阴极射线性质的争论是当时的一个中心议题。阴极射线管是一根两端装有电极的封闭的玻璃管，当将其中的空气抽去后，再在管子的两端电极上加上较高的电压，玻璃管就发生放电现象，阴极会发射出一种射线。实验发现阴极射线在电场和磁场中会迅速随着场的变化而发生偏转，根据偏转方向确认阴极射线是带负电的粒子流。为了进一步确定阴极射线的性质，汤姆逊进行了一系列的实验，测定阴极射线粒子的荷质比。1897年初，汤姆逊先使阴极射线在磁场中发生偏转，而后由给定的磁场、射线的曲率半径等推算出阴极射线粒子的荷质比。此后，汤姆逊提高了放电管的真空度，又成功地使射线在静电场作用下发生了偏转。与此同时，汤姆逊给放电管分别充入各种不同的气体进行实验，发现测得的粒子荷质比的值与充入管内的气体性质无关。后来他又用不同的金属材料做成电极，其结果也不变。这表明来自各种不同物质的电极的阴极射线都是一样的，因此这种粒子必定是所有物质所共有的组成成分，汤姆逊把它叫做“微粒”。以后，汤姆逊又分析比较了其他科学家所做的阴极射线粒子的荷质比与塞曼从光谱测量中求得的分子内带电粒子的荷质比是同一数量级，这一事实使他得出了阴极射线粒子比原子小的结论。至此可以说汤姆逊已经发现了这种比原子小的粒子——电子。但必须注意的是，这还仅仅是一个推论，因为这种粒子的荷质比是氢离子比荷的1000倍。有两种可能，或者是电荷e很大，也可能质量很小，都导致荷质比值较大。因此必须寻找新的更直接的证据来测定电荷e或质量m。汤姆逊选择了测定e的办法，在其他科学家的共同努力下，他利用带电粒子在饱和蒸汽中形成雾滴的现象，测得了粒子的电荷，至此，汤姆逊发现了电子。

电子的发现，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也具有结构。由于原子含有带负电的电子，从物质的中性出发，推想到原子中还有带正电的电子。这就提出了进一步探索原子结构、建立原子模型的问题。2.汤姆逊的原子模型

“蛋糕＋葡萄干”模型。他假设原子带正电的部分像“流体”一样均匀分布在球形的原子体积内，负电子则嵌在球体里。电子一方面要受正电荷的吸引，一方面要自相排斥。根据经典力学理论及电荷间的平方反比作用力计算出这些电子必然沿若干同心环旋转才能平衡，并给出了计算各环电子数的公式。3.α粒子散射实验

自1898年居里夫妇发现镭辐射以后，卢瑟福用20多年时间研究放射性现象。1904—1905年间，卢瑟福在实验中发现，α射线通过空气或金属箔后，产生的谱线较宽并缺乏鲜明的界限。他认为，这表明α射线通过空气或金属箔时被散射，其原因在于原子处于强电场状态，测定α和β粒子通过靶原子的偏斜度是探索原子内部电场的一种重要方法。1908年盖革和卢瑟福一起，发明了探测α粒子的气体放电计数管。在计数管中的气体分子使α射线散射，影响了计数工作，为消除这种影响，盖革转向研究α射线的散射问题，并发现散射角与材料厚度和材料的相对原子质量成正比，与α粒子的速度成反比。这促使他们选用原子质量大的“金”做散射实验。盖革还发现，大多数α粒子散射角很小，极少数偏角很大。1908年10月，布拉格也写信给卢瑟福，谈到他在观察α粒子轰击原子的实验中，发现“径迹急转弯”的现象。促使卢瑟福大胆提出，要观察一下是否有α粒子能被大角度散射。1909年3月，盖革和马斯顿用镭作放射源，金箔作靶，用闪烁法计数，结果发现有1/8000的α粒子偏转角度超过90°，甚至有极少数的反弹回来。这使卢瑟福大为吃惊，他说：“它是如此难以令人置信，正好像一个炮手将一颗炮弹射到一张薄纸上，而炮弹居然反弹回来一样。” 卢瑟福认为，在汤姆逊的原子模型里，无论是均匀分布的正电荷还是电子都不足以把α粒子反弹回去。电子的质量只有α粒子的八千分之一，碰撞时根本改变不了α粒子的径迹；正电荷若是均匀分布在原子球内，根据静电学理论，均匀带电球的电场以边缘处最强，参照已知的原子球直径的线度，最多只能使α粒子产生0.03°的偏斜。汤姆逊为解释大角度散射现象曾提出“小角度倍加散射理论”。卢瑟福认为这也不可能。在多次碰撞的情况下，粒子向各个方向偏离的概率是相同的，向同一方向多次偏离叠加成大角度散射的可能性是极小的。卢瑟福认为：“对于厚度小的物质，由于与原子碰撞，粒子的分布主要由单散射所控制。”卢瑟福感到要说明大角度散射，必须建立一个新的原子模型。卢瑟福经过计算，终于证明了大角度散射只能是单次碰撞的结果，也就是说α粒子碰到了一个比原子小得多但又很重且带正电的硬东西，α粒子受到了很强的电场作用，这个很硬的东西就好像是原子的“核”一样。1911年，卢瑟福根据实验结果，否定了汤姆逊的原子模型，提出了原子的有“核结构模型”。他认为所有的正电荷和原子质量都集中在原子中心的一个非常小的体积内，即原子核，在核的周围一些带负电的电子绕核运动。原子核与电子之间的距离很大。带正电的核和带负电的电子间的静电引力把整个原子结合在一起。(四)学案

1.学习目标：

⑴能说明物质是由分子和原子组成的 ⑵了解原子的核式模型 2.学法指导

自主学习，讨论式学习3.释疑解难

物质是由分子和原子组成的。有的物质由分子组成，有的由原子组成。4.自我检测

⑴物质是由____________和______________组成的。

⑵原子是由____________和______________组成的。质子又是由___________和____________组成的。5.交流园地 6.课外空间 加速器

加速器是一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置。它通过电磁场的不同组合形态，实现对电子、质子、或重离子等带电粒子加速，能产生几百兆到几千兆电子伏能量的高能粒子流，这些高能粒子流就像炮弹一样，可以打碎物质的深层结构，从而使人们了解物质的内部结构。粒子的能量越高，越能深入到物质的内部。因此，加速器是人们变革原子核和基本粒子、认识物质深层结构的重要工具，在科学研究、国防建设等方面有重要而广泛的应用。近几十年来，世界各发达国家都建设了各种不同用途的加速器，粒子的能量越来越高。我国在北京建成“正负电子对撞机”，已经获得了许多重要的科研成果，此外，在兰州、合肥等地建成了重离子加速器等不同功能的加速器。(二)课题教案参考 第二节看不见的运动 1.教学目标： ⑴知道分子之间存在空隙 ⑵知道分子是运动的

⑶知道分子之间存在作用力 ⑷能用分子动理论解释有关现象 2.教材分析

本节的教学重点、难点是学生通过探究性实验、通过合作和交流的方式归纳出分子动理论的基本观点。

各种物质的分子是如何排列的呢？分子是否会运动？分子之间有否力的作用？

可以让学生提出各种自己的猜测和假设，同时教师也可将自己的猜测和假设提供给学生。做实验：这是证实自己假设的一种途径，学生通过自己的实验观察，将结果填入空格中。活动交流：学生之间相互交流实验结果，教师也可将自己的实验结果演示给学生看。分析论证：对所有实验结果进行分析，并指出科学家为了揭示物质在不同状态下的特征所建立的模型，也是研究问题的方法之一。

评价：归纳所有实验结论和学生探究过程中的结果。3.课时安排 1课时 4.教学准备

量筒两个，集气瓶6个，玻璃片3个，烧杯两个，铅块2个，注射器1个，酒精，水，二氧化氮气体。5.教学设计 教师活动

学生活动

说明

复习巩固

引入：物质由分子组成，这些又小又轻的分子是不是一个挨一个地挤在一起呢？ 肉眼看不到又小又轻的分子，那么怎样才能知道分子在运动呢？ 演示实验：

铅块能被拉开吗？ 水能被压缩吗？ 小结：

指导学生做同步训练

1.物质是由_____或_____组成的，分子是由_____组成的。2.水有水的化学性质，保持这种化学性质的最小微粒是： A分子

B质子

C中子 D电子 学生实验：分组操作 填表： 结论：

当水与酒精混合时，总体积就比预计的要_______。虽然肉眼不能直接看到物质内的分子，但上述实验表明：分子之间确实存在着_________________________。学生实验： 气体分子的运动 液体分子的运动

结论：上述实验现象表明分子是在永不停息地________。填写实验探究：

1.把两块表面干净的铅压紧，下面吊一个重物时_____把它们拉开。2.水_________(“容易”或“不容易”)被压缩。1.分子之间有空隙 2.分子是运动的

3.分子之间有相互作用的引力和斥力 做同步训练

加深巩固基础知识 学生自主学习

锻炼学生的观察能力及总结能力 引导学生小结

6.板书设计

第二节看不见的运动

一、分子间有空隙吗

二、分子是运动还是静止的

三、分子之间存在作用力吗 7.教学反思

(三)教学参考资料

分子动理论的建立：原子理论的萌芽产生于2000多年前的古希腊时期，但因中世纪的生产和科学发展缓慢，物质结构的学说也长期停止发展。直到17—18世纪，由于产业革命的推动，蒸汽机得到改进和普遍使用，促进热学发展，人们开始探讨热现象，出现了定性的分子动理论学说。当时的人们普遍相信热质说，只有在19世纪中叶，建立了能的转化和守恒定律后才彻底否定了热质说后，定量而系统的分子动理论迅速发展起来，到20世纪初期，达到了比较完善的地步。(四)学案

1.学习目标：

⑴知道分子之间存在空隙 ⑵知道分子是运动的

⑶知道分子之间存在作用力 2.学法指导

讨论学习，通过认真观察实验，完成实验目的，充分讨论，达到理解的目的。3.释疑解难：

让学生通过探究实验，通过合作交流的方式归纳出分子动理论的基本观点。可以让学生做课堂内容的延续实验，让学生体会分子动理论的内容。我们已经知道物质是由分子组成的，分子由原子组成，那么组成物质的这些微粒是怎样排列的呢？是像士兵的队伍还是像墙一样密不透风呢？这些分子是静止的还是运动的呢？ 分子间有空隙吗 用眼睛观察一杯水和一杯酒精，能看到水分子之间和酒精分子之间有空隙吗？我们能不能就以此来判定分子之间没有空隙？对此你有怎样的猜想？

除课本上图10—15水和酒精的实验外，你能否另外设计一个实验证明分子间有空隙？说出你的设计与实验。

分子是运动的还是静止的

打开醋瓶子，马上闻到酸味；打开香水瓶盖，不一会儿香气满屋。这些司空见惯的现象说明了什么？

课本图10—16和图10—17所示的实验，证明了什么？在日常生活中你还见到哪些现象能够说明分子是在永不停息地运动着？请你和同学们交流讨论。

一根绳子能够吊起重物，两滴水银靠近时自动合在一起，液体和固体的体积很难被压缩，根据客观存在的一些现象进行分析和推理，说明分子间存在着力的作用。

认真观察课本图10—20和图下的解释，从中你能否提出几个问题？试试看，对你提出的问题可让老师帮你解决。4.自我检测：

⑴两滴水银相接近时，能自动结合成一滴较大的水银，这一事实说明分子间存在着__________。

⑵鲜花放在没有空气流动的房间里，到处都能闻到它的香味，这是由于____________造成的。⑶下列现象不能说明分子在运动的是： A浸在盐水中的鸡蛋变成咸蛋 B汽车驶过，公路上扬起灰尘

C一滴红墨水放入清水中，过一段时间杯中水全部变成红色 D液体的蒸发 5.交流园地 6.课外空间

⑴固体之间存在引力作用实例介绍。

用美工刀将一根长约10cm、直径2mm的熔丝切成两等份，切口要保持平整光滑；然后用刀使切口密合，经试验牢固后挂上钩码，再逐步增加钩码的个数，观察熔丝是否分开。⑵液体分子之间存在斥力。

把一块面积约等于15cm×15cm的玻璃四角用线固定，也可用万能胶粘合，吊在弹簧测力计下面，使玻璃的下面水平地与水面接触(不要使玻璃全部浸入水中)，手持弹簧测力计缓慢提起，使玻璃脱离水面，观察弹簧测力计的示数是否发生了变化。(二)课题教案参考 第三节探索宇宙 1.教学目标

⑴大致了解人类探索太阳系及宇宙结构的历程。⑵认识到人类对宇宙的探索将不断深入。2.教材分析

本节以我们生存的地球为基点，逐步向着太阳系、银河系直至宇宙的范围呈示，不仅展示宇宙这一物质世界的总称的清晰脉络，而且将人们探索宇宙的过程以及探索宇宙的工具提供给学生，使学生对目前的科学技术发展有一基本了解。最后，又以人们对太空的探索和向往为题，鼓励同学们学好物理知识，去实现人类探索太空的梦想。本节的重点是对宇宙的了解。

本节的难点是通过人类对宇宙探索历程的展示，培养学生对科学的追求、认识宇宙的科学态度、探索宇宙的科学精神。3.课时安排 1课时

4.教学准备：

图片，与课本配套的VCD片 5.教学设计：

情境1 中国古代对宇宙的研究。

问题1 宇宙如何构成？如何探索广袤的宇宙呢？ 猜想与假设：可以让学生提出各种自己的猜想和假设，同时教师也可将自己的猜想和假设提供给学生。查文献：可以让学生分组查有关文献资料，教师也可以提供给学生一些物理学发展史和探索宇宙的技术手段发展的文献资料，也可以让学生利用网络功能收集有关证据。

活动交流：其中包括小组成员之间的交流、组与组之间的交流、教师与学生的交流过程。分析论证：通过交流，对提出的问题或有关的猜想进行分析。

评价：包括对科学探究之后所得结论的归纳、对学生探究过程的总结。教师活动

学生活动

说明

复习巩固 过渡

指导学生阅读学习指导学生阅读学习播放VCD片

充分发挥你的想象，为了使你的想象成为现实，你现在应该做些什么？

1.分子动理论包括哪些主要内容？ 2.哪个实验能说明分子是运动的？ 看书 问题

1.简要说明中国探索宇宙的历程。2.简要说明国外探索宇宙的历程。1.指出恒星、行星、卫星的运转规律。观看 讨论

巩固知识 学生自主学习

6.板书设计

第三节探索宇宙

一、探索的历程 中国古代： 国外古代：

二、浩瀚的星空

恒星→行星→卫星

三、幻想与追求 7.教学反思：(三)教学参考资料

关于探索宇宙的发展史和技术

探索宇宙：广袤而深邃的星空，隐藏着无穷的奥秘。自古以来，人们一直试图用各种方法来探究宇宙。早期由于生产力的低下，人类除了编写层出不穷的神话、幻想来寄托人类对宇宙的关注外，却对繁星如海、神奇莫测、谜团重重的宇宙表现出一种无奈。虽然热切地向往和试图揭开宇宙的奥秘，但种种疑问，令人迷惘。在20世纪以前，人类也通过观察，发现了一些天文现象，但人类无法清楚知晓天宇上的事情，也无法想像其他星球的真实面目。20世纪以来，随着科学技术的发展，人类已成功地发射了人造卫星，并成功地登上了月球。当第一颗人造卫星进入地球轨道飞行之后，人类向地外星球的探索就被提到了日程上。现在，人类的宇宙探测器不仅为人类登上月球开辟了道路，而且已探访了太阳系的各大行星，同时，正在向太阳系外更遥远的星球跋涉。

人类对太空的探索和研究，具有重要的科学价值和社会影响。首先是利用航天技术的优势，更加全面地了解了日地空间环境，考察了高空辐射带、宇宙射线、太阳风等对地球的影响；其次，开发太阳系资源以及通过对各大行星形成的研究，了解地球形成的历史，探索生命的起源，发现更多的新天体，揭开宇宙演化的奥秘，探访宇宙人的踪迹等。探索宇宙是分步进行的，先是摆脱地球的引力束缚飞往月球，然后向地球的近邻金星和火星迸发，在周游太阳系后进入更加广阔的银河系和宇宙世界。

1957年10月苏联成功发射了人类第一颗人造地球卫星，实现了太空飞行。1969年7月21日，美国宇航员首次登上月球。为了寻找地球外知音，美国1972年和1973年先后发射了“先驱者10号”和“先驱者11号”探测器，带有一封访问地球外文明的“介绍信”。“介绍信”是一块镀金铝质金属牌，设计新颖别致，上面镌刻着表示人的形象的一男一女、氢原子符号、航天器外形与人体的比例以及标明太阳系及其地球位置的图象，同时绘出了地球相对于14个脉冲星的位置关系。这是一张通往太空的名片，能在宇宙中保留几万年之久。在发射“先驱者”号5年之后，1997年7月至8月，美国又向太阳系和宇宙发射了“旅行者”1号和2号控测器，上面带有一套“地球之声”唱片，作为人类送给外星人的第一份礼物。唱片可放音120min，主要内容有115幅照片和图表，介绍了太阳系的概况及其在银河系中的位置，地球的面貌、人类的科学技术发展及社会状况等，其中有中国的长城照片；用世界上60种语言说的问候语，其中有中国的普通话等；风、雨、雷及各种虫鸟兽等的声音和音乐等。

近年来，随着航天技术的发展，人们把一个个不同用途的航天器送入了太空，建立空间航天站已成为下一步的实际行动。我国也在2000年11月成功地发射了“神舟号”飞船，跨出了探索宇宙奥秘的步伐。

（四）学案

1、学习目标

⑴能了解人类探索太阳系、宇宙的历程。⑵能认识到人类对宇宙的探索将不断深入。

2、学法指导： 采用自主学习，然后讨论，进一步认识宇宙。

3、释肄解难：

⑴人们对宇宙的认识历程，从古至今经历了哪几个阶段？ ⑵人们对宇宙的认识，从最初的“盖天说”，到后来的“地心说“、“日心说”，“反映了人们对宇宙的探索在不断地发展，在这个发展中，其最重要的因素是什么？ ⑶有关宇宙结构的知识，你知道多少？

4、自我检测

⑴最早提出“日心说”的是

A、哥白尼

B、伽俐略

C、牛顿

D、托勒密 ⑵世界上第一颗人造卫星发射时间是：

A、1957年

B、1961年

C、1967年

D、1970年

5、交流园地

6、课外空间

科技发展的必然——航天飞机 向大家介绍关于航天飞机的知识。大家知道的也许不少了，像美国的奋进号航天飞机发现号航天飞机等，它们都是非常先进优秀的运载工具。它们将火箭、宇宙飞船和飞机的技术有机结合在一起，能像火箭那样垂直发射，像飞船一样变轨，像飞机一样水平着陆，至少可以重复使用一百次，与一次性使用的火箭相比，它们的经济性和在其他方面的优点都是极具吸引力的。而世界上知一架航天飞机是由美国研制的哥伦比亚号，它包括3个主要部分：轨道器、助推火箭和推进器外储箱，总长度56米，起飞容量达2000吨，轨道器可以载人和有效载荷，后段有3台使用液体燃料的发动机，经过4次试飞后，1982年11月载着宇航号将两颗卫星发射到地球同步轨道上，从而开创了空间商业性运输的时代。

第四篇：八年级物理《小粒子与大宇宙》说课稿

各位老师：

你们好!

今天我要说的是沪科版八年级物理下册第十章《小粒子与大宇宙》的第二节《看不见的运动》的内容。

首先说一下我对本节教材的分析：

一、教材分析（说教材）

1．教材简析

本节内容是学生在学习了物质是由分子和原子组成等知识的基础上引入的一节概念课课，本节内容比较抽象，对于分子动理论的内容是通过物质的宏观现象分析总结出来的，所以教材对分子动理论的每项内容都是首先提出问题，然后引导学生进行实验探索，通过讨论宏观现象，得出“分子间存在空隙、分子在永不停息的做无规则运动、分子间存在相互作用的引力和斥力”的结论。在这些实验探究完成之后，教材接着介绍了物质中的分子状态，解释了固态、液态、气态所具有宏观特征的根本原因，充分体现了“注重实验探究”的新理念。

2．教学目标的确定

依据《课程标准》要求、本节教材特点以及学生现有的认知水平，确定本节课的教学目标为：

知识与技能目标：

1〕理解分子动理论的基本观点，能用分子动理论解释生活中的相关现象；

2〕了解固态、液态、气态的分子状态。

过程与方法目标：

通过实验探究。讨论、分析、概括出“分子间存在空隙、分子在永不停息的做运动、分子间存在着互相作用的引力和斥力”的结论

情感态度与价值观目标：

乐于用分子动理论的基本观点解释宏观现象，对宏观现象的微观机理有探究兴趣。让学生体会到生活中处处蕴含物理知识，物理就在身边，从而进一步培养学生学习物理的兴趣。

3．教学重点，难点的确定

依据《课程标准》要求和本节教材实际，并结合学生的实际，本节课主要是让学生理解分子动理论的基本观点，所以本节课的重点是通过探究实验归纳分子动理论的基本观点；而对分子动理论知识，限于学生的认知水平，可能无法自己理解，得需要教师的合理引导，所以用分子动理论的基本观点解释生活中的相关现象定为本节课的难点。

二、教学策略（说教法、学法）

1．教法选择：

本节教学提倡在教学过程中让学生分组进行实验，通过实验探究，掌握科学的方法，培养科学态度，养成独立观察并分析问题、得出结论的习惯。教师是教学过程的组织者、指导者、合作者，提倡教师成为学生探究和讨论的一员，积极参与学生活动，这样可以引导学生提出自己的问题，发表自己的意见

2．学法指导：

作为教师来说，“授之以鱼，不如授之以渔”，教给学生学习的方法，培养其能力是物理教学的落脚点。因此这节课采用自主学习发现问题，合作探究寻求方法的兵帮兵学习方法，从而最大限度地凸现学生的主体地位，培养学生的自学能力、合作能力、动手实验能力、收集数据提取信息的能力。

三、教学程序及设想：

1．导入新课（2分钟）

为更好的落实“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念，把教学内容转化为具有潜在意义的问题，导入本节新课时，采取演示实验导入的方式，（演示实验是请同学们观察桌上的分别装有50mL酒精和50mL水的量筒，问学生能看到水和酒精的间隙吗？）让学生产生强烈的问题意识，使学生的整个学习过程成为“猜想”继而思考的过程。

2.新课教学（25分钟）

(板书：看不见的运动)

探究一：分子间有空隙

请同学们按课本中第一个实验探究做实验，要求将水倒入酒精中，倒入前，请各组猜想混合后的总体积并记录在课本的空白处。

比较实验结果，并与猜想的结果对照。

实验结果是总体积没有100mL，那么少掉的那些体积跑到哪里去了，请同学们猜想原因。如果猜不出，老师提示：往一堆鸡蛋里撒一把细沙子，你能看见细沙吗?为什么?直到同学们得出正确结论：分子间有空隙。

也可以用针筒吸入一定的空气，然后挤压，发现针筒里的空气减少了。说明气体分子之间也有空隙。

(板书：

一、分子之间存在着空隙)

师问：组成物体的微粒都在原地不动吗?请猜想。

探究二：分子的运动

(1)多媒体展示：将空瓶口对准装有棕色的二氧化氮气体的瓶口(按图10-16(a))，抽去中间的毛玻璃，观察空瓶中是否有棕色的气体。解释为什么选用图10-16(a)的原因：二氧化氮密度比空气大，实验(b)(c)没有(a)更能充分证明气体分子在永不停息的做无规则运动。

(2)学生以小组为单位，分别向冷水和热水中滴入一滴墨水，观察墨水是否散开，哪个散得快。

请学生回答观察到的现象，并说明现象产生的原因。

(板书：

二、组成物质的分子都在永不停息作无规则运动)

师生共同总结出扩散的定义，并引导学生总结总结扩散的影响因素和原理。

扩散：不同的物质相互接触时彼此进入对方的现象叫扩散，温度高时扩散得快。

扩散现象说明：①分子间存在间隙。②分子都在永不停息地作无规则运动。

探究三：分子间的作用力

(1)把两块表面干净的铅块压紧，下面掉着一个重物时能不能被拉开？

(2)将注射器中注入水，用手堵住针筒嘴，用力推活塞，容易推动吗?(与空气相比)

首先通过分组实验和观看视频然后引导同学说出实验现象产生的原因。

(板书：

三、分子间存在相互作用的引力和斥力)

四、物质中的分子状态

列举生活中的三个例子：

1、在空气中挥舞手臂轻而易举

2、在没膝的水中急行步履维艰

3、拔冻在冰中的木棒难于登天

让学生带着解释这三种生活现象的问题阅读课本P200页的物质中的分子状态内容，并引导总结其原因。

(1)固体：分子靠得很近有规律地紧挨在一起。所以，固体有一定的体积和形状。

(2)液体：分子靠在一起。在一定限度内，分子能运动或滑动，所以液体有一定的体积而没有一定的形状。

(3)气体：分子离得比较远，能自由地向各个方向运动。所以，气体没有固定的形状和确定的体积。

4．课堂小结，构建体系（5分钟）

对应本节课的目标，让学生叙述这节课的收获，包括知识上、方法上以及能力上的收获，然后师生共同构建本节课的知识体系，使学生对本节课所学知识有整体的把握，也体现了学科知识建构的思想。

5．当堂检测、巩固升华（10分钟）

学生独立完成作业手册上的当堂检测检测题后，学生分组展示，对出错和疑问较多的地方，通过兵教兵和师教兵的方式解决。

6．学后反思（3分钟）

学生针对所学内容和本节的目标，在笔记上自己构建本节的知识树。

四、板书设计

最后我说一下这节课的板书设计，为了使学生对分子动理论的知识有个系统全面的掌握，最后说一下本节课的板书设计：

第二节 看不见的运动

1、分子间有空隙

2、分子在永不停息地运动

3、分子间存在着互相作用的引力和斥力

4、物质中的分子状态

以上是我对“看不见的运动”这节教材的认识和对这堂课的整体设计，由于本人水平有限，上面过程肯定有许多缺点和漏洞，希望各位老师多多批评指正，谢谢！

第五篇：高三物理粒子的波动性教案

17.3 崭新的一页：粒子的波动性

★新课标要求

（一）知识与技能

1．了解光既具有波动性，又具有粒子性。2．知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。3．知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。

（二）过程与方法

1．了解物理真知形成的历史过程。

2．了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性。3．知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性。

（三）情感、态度与价值观

1．通过学生阅读和教师介绍讲解，使学生了解科学真知的得到并非一蹴而就，需要经过一个较长的历史发展过程，不断得到纠正与修正。

2．通过相关理论的实验验证，使学生逐步形成严谨求实的科学态度。

3．通过了解电子衍射实验，使学生了解创造条件来进行有关物理实验的方法。★教学重点

实物粒子和光子一样具有波粒二象性，德布罗意波长和粒子动量关系。★教学难点

实物粒子的波动性的理解。

★教学方法

学生阅读－讨论交流－教师讲解－归纳总结 ★教学用具：

课件：PP演示文稿（科学家介绍，本节知识结构）。多媒体教学设备。★课时安排课时

★教学过程

（一）引入新课

提问：前面我们学习了有关光的一些特性和相应的事实表现，那么我们究竟怎样来认识光的本质和把握其特性呢？请同时举出相应的事实基础。

学生阅读课本、思考后回答：光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性。（分别举出有关光的干涉衍射和光电效应等实验事实）。

点评：让学生阅读课本内容结合前面所学知识进行归纳总结，形成正确观点。教师：原来我们不能片面地认识事物，能举出本学科或其他学科或生活中类似的事或物吗？

学生举例说明：例如哲学中对事物的辨正观点等。

点评：培养学生对事物或规律的全面把握，并与与其他学科进行横向渗透联系。

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（二）进行新课

1、光的波粒二象性

教师：讲述光的波粒二象性。在学生的辨析说明下进行归纳整理。

（1）我们所学的大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性。

光的分立性和连续性是相对的，是不同条件下的表现，光子的行为服从统计规律。（2）光子在空间各点出现的概率遵从波动规律，物理学中把光波叫做概率波。点评：通过学生归纳总结形成结论，教师再进行讲解，学生容易接受。充分注重知识的学生自主形成过程。

2、光子的能量与频率以及动量与波长的关系。

hv ph/

让学生找到更多的关系公式：ph/＝hv/v/c

提问：受此启发，人们想到：同样作为物质的实物粒子(如电子、原子、分子等)是否也具有波动性呢？

学生阅读课本“粒子的波动性”。

点评：让学生带着问题阅读，提高阅读的效率，培养学生从课文材料中提取有关信息的能力。

3、粒子的波动性

提问：谁大胆地将光的波粒二象性推广到实物粒子？只是因为他大胆吗？

学生回答：法国科学家德布罗意考虑到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的成功，大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子。

展示演示文稿资料：有关德布罗意。

点评：使学生了解对知识理论的推广和假设并不是一味 的凭空猜想，而是有一定的理论或事实基础。

（1）德布罗意波

实物粒子也具有波动性，这种波称之为物质波，也叫德布罗意波。（2）物质波波长

hp＝hmvEp

提问：各物理量的意义？

学生回答：为德布罗意波长，h为普朗克常量，p为粒子动量。点评：对物理原理公式的理解关键在于对各物理量意义的理解。

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讲述：当时这一观点超出了人们的想象，不被人们所接受，历史上类似的事例我们还知道那些？

学生回答：伽利略的两个铁球同时落地等。

点评：使学生了解正确的知识理论往往并不是一提出就能被大家所接受的。

教师：让学生带着问题阅读课本有关内容，为什么德布罗意波观点很难通过实验验证？又是在怎样的条件下使实物粒子的波动性得到了验证？

4．物质波的实验验证

提问：粒子波动性难以得到验证的原因？

学生阅读教材后回答：宏观物体的波长比微观粒子的波长小得多，这在生活中很难找到能发生衍射的障碍物，所以我们并不认为它有波动性．作为微观粒子的电子，其德布罗意波波长为10－10m数量级，找与之相匹配的障碍物也非易事．

点评：让学生知受实际条件的限制而使很多理论在开始都处于假设阶段，不易被人们接受。

例题：某电视显像管中电子的运动速度是4.0×10m/s；质量为10g的一颗子弹的运动速度是200m/s．分别计算它们的德布罗意波长．

引导学生分析，学生解答：根据公式h/p计算得1.8×10-11m和3.3×10-34m 点评：通过具体计算使学生对实物粒子的德布罗意波长有感性认识，进一步理解实物粒子波动性验证的困难。

说明：由计算结果知，通常生活中观察不到实物波动特性征的原因。展示演示文稿资料：电子波动性的发现者———戴维森和小汤姆逊

（电子波动性的发现,使得德布罗意由于提出实物粒子具有波动性这一假设得以证实,并因此而获得1929年诺贝尔物理学奖.而戴维森和小汤姆逊由于发现了电子的波动性也同获1937年诺贝尔物理学奖）

学生阅读有关物理学历史资料，了解物理学有关知识的形成建立和发展的真是过程。点评：应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。

教师：讲述电子衍射实验：1927年，两位美国物理学家使电子束投射到镍的晶体上，得到了电子束的衍射图案．从而证实了德布罗意的假设。

学生了解更具体的相关历史资料。

点评：增加真实感，使学生初步体会如何创造条件进行科学实验探索，体会其中的奇妙爱学啦高中学习网 www.xiexiebang.com 海量资源等你下载 之处。

讲述：除了电子以外，后来还陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性。点评：引用更多实验事实来增强对理论的证明。

提问：衍射现象对高分辨率的显微镜有影响否？如何改进？ 学生阅读课本材料：显微镜的分辨本领。

点评：对所学知识进行拓展，加强对实际生产生活应用的联系。

（三）课堂小结

教师活动：本节课我们学习了光的本质，即光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性。注意对光的本质的全面把握。学习了得到实验事实验证的实物粒子波动性，其对应的波称之为物质波，注意掌握物质波的计算公式。

点评：反思小节为学生提供本节内容的主要知识框架，有利于学生对所学知识的及时巩固和知识重点的把握。

（四）作业：

复习本节教材43页“问题与练习”中各题，预做回答。

点评：加深对课堂所学知识的理解和掌握，联系实际对所学内容进行应用。★教学体会

本节课作为近代物理部分内容，比较抽象，学生没有生活经验和感观认识，也没有演示实验可以做，在课堂上注意以学生为主导，通过补充的一些史料，加深学生感受，让学生阅读思考后归纳得出结论，同样能收到好的效果。

（1）在有关事实和已知观点基础下，归纳光的本性，培养学生注意全面把握物理规律和全面把握物理规律的能力。

（2）课本材料和补充的史料让学生先行阅读，通过思考、辨析后归纳得出正确结论，比教师一人讲解更具有真实感和说服力。同时也培养了学生阅读材料提取有关信息的能力。

（3）对于难以理解的粒子的波动性，并且实际条件不允许进行实验验证，必须充分展示真实的历史资料，加强说服力。同时通过对历史上创造条件进行实验验证的方法学习，使学生初步体会如何创造条件进行科学实验探索，体会其中的奇妙之处，增强进行科学探索的兴趣。

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