北师大版九年级上册物理第十六章 粒子与宇宙 教用课件

第十六章 粒子与宇宙 一、探索微观世界的历程 1、宇宙是由物质组成的，物质是由分子和原子组成的。 2、固态、液态、气态的分子组成特点。 3、原子的核式结构模型。 4、大致了解物质世界从微观到宏观的尺度。 5、纳米科学技术及纳米材料的应用和发展前景。 学生活动——————思维的火花 德谟克利特（约公元前460—约公元前370） “正像绿墙是由树干和枝叶组 成似的，大自然的万物都由看 不见的微小粒子——原子构成。 原子不能消失，但也不会无中 生有。” ——德谟克利特 思维的火花 走向科学 思维的火花 走向科学 用场离子显微镜拍摄的 钨针针尖上的原子图样 DNA分子结构 1811年，意大利科学 家阿伏伽德罗进一步 指出，物质一般不是 直接由原子组成，而 是由几个原子相结合 的分子构成的。 一、探索过程 1.思维的火花 古希腊学者德谟克里特认为“大自然的万物都由看不见的微小粒原 子构成。原子不能消失，但也不会无中生有。”尽管他的见解缺少科 学实验的基础，但后来的历史发展表明，他的思维闪烁着真理的火花。 2.走向科学 （1）原子论的确立 人们把物质由原子构成的学说称为原子论。在17世纪下半叶和18 世纪，以玻意耳和道尔顿为代表的科学家复活并确立了原子论。 (2)分子论的确立 1811年，意大利科学家阿伏伽德罗指出，无论化合物还是单质,它们一般 并不是直接由原子组成的，而是由几个原子相结合的分子构成的。把物质由 分子和原子构成的学说称为原子一分子论。 (3)近代原子一分子论确立的事实: ①多数物质可由其他物质通过化学反应合成,这些物质称为化合物； ②-些物质不能由其他物质通过化学反应来合成，这些物质称为单质，也称为元素； ③原子是元素保持化学性质不变的不可再分的最小单元，不同元素的原子不同； ④单质的分子由同种原子构成，化合物的分子由两种或两种以上的原子构成。 二、原子结构 1.揭开原子的面纱 (1)19世纪下半叶，人们发现了阴极射线。 (2)1897年，英国物理学家汤姆孙通过实验发现，原来阴极射线是一种 带负电的粒子流，后来人们把这种粒子称为电子。电子的发现揭开了原 子世界神秘面纱的一角，汤姆孙因此获得了1906年诺贝尔物理学奖。 英国—汤姆孙（1856－1940） 电子的发现，打破了原子不可分的 概念，是人类对物质结构认识上的 一次飞跃，并掀起了新一轮探索物 质微观结构的热潮。 2.原子核的发现 (1)散射实验 20世纪初，人们发展了一种实验方法:用一些已知的粒子，如电子、a 粒子等轰击很薄的金属箔，它们与金属原子会产生相互作用而发生偏 转。通过观察这些粒子穿过箔片时的偏转情况，可以获得原子内部的 信息。这种实验叫散射实验。 (2)原子核的发现及核式结构模型 1909年到1911年，英国科学家卢瑟福等人无数次 地用高速a粒子流轰击金箔，发现原子中带正电的 物质只占很小的体积，但密度很大，几乎集中了 原子的全部质量。后来，人们称它为原子核。卢 瑟福提出的原子核式结构模型指出，原子的中心 是原子核，电子在核外绕着原子核高速运动，就 像行星绕着太阳运动一样(如图所示)。 (3)其他粒子的发现 时间 人员 发现或提出物质理论 1919年 至 1932年 卢瑟福和 查德威克 发现质子、中子，确定了原子核就是由质子、 中子构成的，如图所示： 1964年 盖尔曼 夸克模型：质子、中子、介子、 超子等都由三种基础粒子构成， 它们分别为上夸克、下夸克和奇 异夸克。质子由两个上夸克和一 个下夸克构成；中子由两个下夸 克和一个上夸克构成 1974年 丁肇中、 里克特 发现 亚粒子，它的存在表明 应该还有一种称为粲夸克的基础 粒子 （1）汤姆孙的枣糕模型 （2）卢瑟福的有核模型、行星模型 1.微观粒子及其尺度 三、纳米科技 在物理学中，原子、原子核及其更深层次的客体统称为微观粒子，简称粒子。 微观粒子的空间尺度如图所示，从图中可以看出它们的空间尺度都小于10-9 m 2.纳米和纳米科技 (1)纳米：10-9 m是一个长度单位，称作纳米，符号为nm。纳米这个单位很小 ，10个氢原子排列起来的长度约为1nm，1 nm= 10-9 m。 (2)纳米科技:纳米科技指的是，当人们力图在纳米尺度上了解和控制物质时 ，所发现的许多新现象，所发明的许多新技术。 (3)纳米科技的发展及前景 ①纳米科技的发展：今天，纳米催化剂大幅度提高了催化作用;用纳米颗粒 粉体制成的纳米材料显示出比一般材料更为优异的性能;纳米炸药也显示出 更大的威力②纳米科技的前景：展望未来，由于可以通过精确地控制原子或 分子来制造产品，生产过程中将不会产生副产品和废物；利用纳米技术，人 类还可能在原子和分子尺度上诊断和治愈疾病，甚至修补细胞；人类可以将 导线做得更细，开关做得......应用纳米技术，必将迎来一场新的技术革命。 例：下列事实中,不是近代原子论确立的内容是( )。 A.多数物质可由其他物质通过化学反应合成，这些物质称为化合物 B.一些不能由其他物质通过化学反应来合成的物质称为元素 C.原子是元素保持化学性质不变的不可再分的最小单元，每种元素的原子相同 D.对应各种元素,存在着各种原子，元素的差异就在于它们的原子是不相同的 解析: A、B、D三个选项内容与原子论内容相符。原子是元素保持化学性 质不变的不可再分的最小单元,每种元素的原子是不同的，C错误。 答案: C 第十六章 粒子与宇宙 二、浩瀚的宇宙 大致了解人类探索太阳系及宇宙的历程，并认识人类 对宇宙的探索将不断深入。 天空的深邃、宇宙的神秘、古老的天文充满了诱人的情趣，新的 天文发现更是妙趣横生，引人入胜。 现代天文学认为，宇宙是所有时间、空间、物质的总和，是我们 这个物质世界的整体，是物理学和天文学的最大研究对象。 这个概念有些抽象。也许，描述它的最简单的方法就是认为它是 存在着的一切事物，从地球到太阳系，以及太阳系以外的让人数不 清的一切一切。 恒星，就是像太阳一样本身能发光发热的星球。 我们知道，星空中有无数个星系和星团，每个星系都包含着上万 颗恒星。晴夜里，我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星，他们绝 大多数是恒星。在我们银河系内就有1000多亿颗恒星。 恒星离我们非常远，它们发出的光要经过好多年才能到达地球。 一、宇宙概观 内容 人类认识宇宙 的历程 地心说 16世纪以前大多数人都自然而然地认为地球是 宇宙的中心，其他天体都在绕地球运动 日心说 16世纪，由波兰学者哥白尼提出，认为太阳是 宇宙的中心 现代宇宙 观 从18世纪后半叶开始，人类逐渐认识到太阳也 不是宇宙的中心，人类从此踏上了揭示宇宙之 谜的科学之旅 太阳系 太阳 太阳是太阳系的中心天体，半径约 7x105km，表面温度达6x103K，其核 心温度高达1.5x107K。太阳是一颗恒星 行星 太阳系中有八颗行星,地球是其中的一 颗，离太阳由近及远依次是水星、金星、 地球、火星、木星、土星、天王星和海 王星。此外，太阳系还有约17 600颗 有正式命名或编号的小行星 太阳系 卫星 土星、地球等行星周围分布有绕它们运动的天体，称 为卫星。太阳系中的八颗行星共有173颗卫星 彗星 彗星主要由冰物质和尘埃物质组成，以大椭圆轨道绕 太阳运行，一般周期较长，像哈雷彗星、海尔-波普 彗星等 银河系 银河系是由无数星体集成的一个庞大的天体系统。银河系的 直径约10万光年，最大厚度约1万光年，像是一个中央突起、 四周扁平的旋转铁饼 河外星系 银河系之外还有数以10亿计的类似银河系的星 系。人类肉眼可见的最远天体一仙女座河外星 系距离银河系220万光年 人类遨游太空的旅程： (1)1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。 (2)1961年4月12日，苏联宇航员加加林乘“东方-1”号飞船完成人类第 一次载人航天飞行。 (3)1969年7月20日，美国宇航员阿姆斯特朗登上月球。 (4)2003年10月15日，中国航天员杨利伟乘“神舟”五号载人飞船进入 太空，实现了中国人遨游太空的理想。 二、飞向太空 (5)2005年10月12日，中国的“神舟”六号飞船进人太空遨游,搭载了 费俊龙和聂海胜两名宇航员。 (6)2007年10月24日，中国自主研制的首颗月球探测卫星“嫦娥”一号 在西昌卫星发射中心发射成功，标志着我国实施绕月探测工程迈出重 要一步。 (7)2008年9月25日，乘“神舟"七号飞船飞天的三名航天员翟志刚、 刘伯明、景海鹏完成了中华民族的又一次飞天之旅。在载人航天工程 的首次出舱活动中，中国航天员第一次把中国人的足迹印在飞船舱外 的茫茫太空之中。 (8)2011 年11月1日，“神舟”八号飞船在酒泉卫星发射中心成功发射,之后与 我国首个空间站雏形“天宫"一号目标飞行器携手，共同执行我国首次空间交 会对接任务。 (9)2012年6月18日，“神舟”九号飞船与“天宫”一号目标飞行器实施自动 交会对接,这是中国实施的首次载人空间交会对接。这次搭载的航天员是景海 鹏、刘旺刘洋(女)。 (10)2013年6月11日，“神舟"十号飞船在酒泉卫星发射中心发射升空。升空 后和目标飞行器“天宫”一号实施绕飞交会对接，并首次开展中国航天员太 空授课活动。这次搭载的航天员是聂海胜、张晓光、王亚平(女)。 (11)2013年12月2日，“嫦娥”三号探测器成功发射，并于14日21时11分成 功落月，15日完成着陆器和巡视器(“玉兔"号月球车)分离。中国成为第三 个实现月面软着陆的国家。 (12)2014年12月7日，中国自主研制的“长征”四号乙运载火箭在太原卫星 发射中心将中巴地球资源卫星04星准确送入预定轨道。 (13)2015年9月20日，中国新一代运载火箭家族中的首飞火箭“长征”六号 运载火箭在太原卫星发射中心顺利升空，成功将20颗卫星送人太空，创造 了我国一箭多星发射的新纪录。 (14)2015年12 月17 日，中国在酒泉卫星发射中心使用“长征”二号丁 运载火箭成功发射世界首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”号。 (15)2016年8月16日，中国在酒泉卫星发射中心用“长征”二号丁运载 火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子”号发射升空。此次发射 任务的圆满成功，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。 (16)2016年10月17日，中国在酒泉卫星发射中心使用“长征”二号F遥 十一运载火箭将“神舟”十一号载人飞船送入太空，这次搭载的航天员 是景海鹏和陈冬。 (17)2018年5月21日，中国成功发射了“鹊桥”号中继卫星，在月球和 地球之间成功地搭建了一座“通信桥”，这是世界上首次以月球背面为 目标进行的探测任务，此次任务的成功为“嫦娥”四号探月工程迈出了 坚实的第一步。 (18)2019年1月3日，中国“嫦娥”四号探测器成功在月球背面软着陆。 我国成为第一个“触摸”月球背面的国家。 三、破解宇宙奥秘之路 1.宇宙处于普遍的膨胀之中 1929年，美国科学家哈勃发现，所有的河外星系正在离我们银河系而去 ，其退行速度与它们离我们的距离成正比，即离我们越远的星系，逃离 得越快。 2.“宇宙大爆炸”学说 1948年，物理学家伽莫夫提出，宇宙起源于一次“大爆炸”。“ 宇宙 大爆炸”学说的许多见解虽然得到了实验观测的支持，但它提出的问题 实际上比它解决了的问题还要多，留给人们的思考和疑问也更加深邃而 广阔。人类将继续自己的探索历程。 例：关于宇宙的起源,现代大多数科学家认同的是( )。 ①宇宙诞生于一次大爆炸②大爆炸是 整体的，涉及宇宙的全部物质、时间及空间③ 大爆炸导致宇宙空间处处膨胀，温度则相应下降④宇宙温度下降至一定程度，逐步 形成行星、恒星、星系、星系团和超星系团等。 A.①②③ B.①③④ C.②④ D.①②③④ 解析:关于宇宙的起源,许多科学家认同“大爆炸”理论。该理论认为, 宇宙在最开始时是由一个个点爆炸形成的，大爆炸是整体的，涉及宇宙 的全部物质、时间及空间。宇宙空间在膨胀过程中，温度相应下降，当 温度达到一定程度时,会逐步形成行星、恒星、星系、星系团和超星系 团等。故选D。 答案: D 第十六章 粒子与宇宙 三、能源：危机与希望 1.知道能量是可以转移和转化的 2.知道能量守恒定律，并能用它来解释有关简单的实际问题 3.通过了解从古代到现代人类使用能源的变化来理解人类进 化发展的过程也是人类开发、利用新能源的历史,能从不同 角度对能源进行分类 各种不同的运动形式都存在着什么能量？分别有哪些不同形式的能 量在发声相互转化？不同形式的能连之间的相互转化有怎样的规律？ 飞行的飞机 柯受良驾车飞越黄河 水 力 发 电 站 太 阳 能 电 池 板 大 亚 湾 核 电 站 风 力 发 电 一、能量转化与守恒定律 能量的转移与转化： 物理现象 现象分析 特征总结 热水袋捂手 热水袋的内能转移到手上 能量的形式不变，能 量从一个物体传递给 另一个物体的过程， 叫能量的转移 夏天用冷水洗脸 身体的内能转移到冷水上 用铁勺子舀热汤时勺柄烫手 热汤的内能转移到铁勺柄上 小孩玩滑滑梯臀部 发热 机械能转化为内能 能量的形式发生变化， 能量由一种形式转化 为另一种形式的过程， 叫能量的转化 烟花腾空而起 内能转化为机械能 水力发电站 机械能转化为电能 电动机工作 电能转化为机械能 电池供电 化学能转化为电能 电池充电 电能转化为化学能 2.能量转化与守恒定律： 能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化 为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过 程中，能量的总量保持不变。这就是能量转化与守恒定律。 能量转化的过程可以自发地朝某个方向进行，但不能自发地向相 反方向进行。即自发的能量转化过程具有方向性。 3.能量转移和转化的方向性： · 无论发生能量转化还是转移，能量的总量是不变的。例如： 汽车在刹车时，汽车的速度逐渐减小并最终停止，它的机械能减 少了，但总的能量并没有减少。汽车能够刹车是由于汽车轮胎与 地面间存在摩擦，在刹车过程中由于摩擦生热，使轮胎的温度升 高,轮胎的内能增加，汽车的机械能转化为了内能。轮胎的内能增 大后，温度升高，当轮胎的温度高于周围空气的温度时，轮胎对 空气放热，轮胎上的部分内能又转移到空气中直至轮胎的温度与 空气的温度相同。 对能量转化与守恒定律的理解 1.自然界中的能量 能量的存在形式：能量是与物质及其运动相联系的。对应于不同 形式的运动，有不同形式的能量，如机械能、电磁能、内能、化学能 等。 二、能量与能源 2.能源 (1)可以为人类提供能量的物质资源叫能源。 (2)人类利用能源大致经历了三个时期：柴薪时期、煤炭时期和石 油时期。 (3)能源危机 天然气、石油、煤炭这类能源是由古生物在长期地质变迁中形成的 ，称为化石能源。这类能源用过以后在短时间内无法再生。煤炭资源在 有些国家即将耗尽，石油以今天的消耗速度大约也只能再用100年。这 些数据看起来会令人很悲观，但自然界存在的能源有一些还没有被我们 开发和利用。 煤、石油和天然气等能源人类已经利用了多年，这类能源叫常规能 源,这些能源已接近使用的极限。在20世纪人们发现了核能这一新能源 ，此外，还有太阳能、潮汐能和地热能等新能源。开发利用新能源是解 决能源问题的主要出路。 1905年，爱因斯坦以简洁的公式 E=mc2 揭示了物质与能量的关系 。1938年，物理学家用中子轰击铀，发现了核裂变,从而发现了一种新 的能源一原子核能。 三、物质与能量 1.核能的发现 2.核裂变 (1)用中子轰击铀，使铀这种重原子核分裂成两个中等质量的原子 核，同时释放出巨大的能量，这种现象叫核裂变。 (2)用中子轰击铀原子核,铀核发生裂变，释放出核能，同时产生新的 中子，这些中子又会引起其他铀核裂变，这样就使核裂变反应不断进行下 去，释放大量核能,这就是链式反应。 (3)核裂变的利用 ①如果核裂变的链式反应是在一-瞬间进行的,将在极 短的时间内释放出巨大的能量，发生强烈的爆炸。原 子弹就是利用这一原理制成的，其爆炸威力巨大，如 图所示。 ②核反应堆是核电站的核心，是一-种能够控制链式反 应的装置。利用核反应堆工作时释放的能量使水汽化 ，推动蒸汽轮机带动发电机发电，这就是核电站的工 作原理。包括我国在内的十几个国家都已建成核电站 ，人类开始和平利用核能。 (4)①核电站发电过程中能量的转化情况: 核能>内能>机械能→电能。 ②核电站的特点 a.消耗的燃料少、废渣少； b.特别适合缺少煤、石油和水力资源的 地方。 秦山核电站 3.核聚变 (1)较轻的原子核聚合成较重的原子核，也能释放出能量，这种反应称 为核聚变。如氘核（ ）和氚核（ ）在极高的温度下可聚合成氦核 （ ），同时释放出比核裂变更巨大的能量，如图所示。 (2)核聚变的应用:氢弹就是利用原子弹爆炸产生的高温，使氘核和氚 核极其迅速地聚变成氦核而产生强烈爆炸的。 (3)核聚变的应用前景：同样质量的核聚变释放的能量要比核裂变多4 倍以上，核聚变所需原料氘核，在海水中含量丰富，一旦实现了核聚 变能的和平、可控地开发利用，就是找到了“取之不尽，用之不竭”的 能源。但目前“受控热核反应”还停留在实验阶段。 1.能源的分类： 四、科学与人类 划分依据 类别 定义 依据 产生方式 一次能源 可以从自然界直接获取 的能源 煤炭、石油、天然气、水 能、风能、太阳能、地热 能、潮汐能、生物质能等 二次能源 无法从自然界直接获取, 必须由一次能源加工转 换才能得到的能源 电能、乙醇、汽油、氢能、 沼气等 是否可再生 可再生能源 可以从自然界中源源不断 地得到补充的能源 水能、风能、太阳能、 生物质能、潮汐能等 不可再生能 源 不可能在短期内从自然界 得到补充的能源 化石能源(煤炭石油、天 然气等)、核能等 利用状况 常规能源 人类利用多年的，使用技 术已经成熟的能源 化石能源、水能等 新能源 人类刚开始利用或正在积 极研究、有待推广的能源 潮汐能、地热能、太阳 能、核能、风能等 2. 21世纪的能源发展趋势 (1)由于世界人口的急剧增加和经济的迅速发展,能源的消耗持续增长。 (2)人类利用的主要能源仍是化石能源，它属于不可再生能源。 3.能源消耗对环境的影响 大量燃烧化石能源会造成空气污染和温室效应，一些国家过分依赖柴 薪能源，加剧了水土流失和土地沙漠化。 4.解决能源问题的主要途径 必须不断开发新能源，提高能源的利用率，同时节约能源。 5.未来理想能源应满足的条件 (1)必须足够丰富，可以保证长期使用。 (2)必须足够便宜，可以保证多数人用得起。 (3)相关技术必须成熟,可以保证大规模使用。 (4)必须安全、清洁，可以保证不会严重影响环境。 例：下列关于获取核能的说法中,不正确的是( ) 。 A.氢弹和原子弹爆炸时能量的转移和转化是有方向性的 B.重核裂变和轻核聚变是获得核能的两种方法 C.核电站不可以将核能直接转化成电能 D.目前核电站的反应堆中发生的是可控制的核聚变 解析:自然界中能量的转移和转化是有方向性的，A不符合题意；目前人类 利用核能的两种方式是重核裂变和轻核聚变，B不符合题意；核能发电过 程中的能量转化：核能→水和蒸汽的内能→发电机转子的机械能→电能， C不符合题意；核电站是利用可控的核裂变来工作的，D符合题意。 答案: D