Imię i nazwisko autora:

Tomasz Cap

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Kwarkowa budowa nukleonów

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony

Podstawa programowa

Cele kształcenia – wymagania ogólne
II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
1) przedstawia jednostki wielkości fizycznych, opisuje ich związki z jednostkami podstawowymi; przelicza wielokrotności i podwielokrotności;
16) przeprowadza obliczenia i zapisuje wynik zgodnie z zasadami zaokrąglania oraz zachowaniem liczby cyfr znaczących wynikającej z dokładności pomiaru lub z danych.
XII. Elementy fizyki relatywistycznej i fizyki jądrowej. Uczeń:
5) posługuje się pojęciami pierwiastek, jądro atomowe, izotop, proton, neutron, elektron; opisuje skład jądra atomowego na podstawie liczb masowej i atomowej.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:

• kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji,

• kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,

• kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się,

• kompetencje cyfrowe.

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. objaśnia pojęcia: cząstka fundamentalna i cząstka złożona oraz podaje przykłady takich obiektów;

2. stosuje jednostki używane w fizyce subatomowej: fm oraz MeV/cIndeks górny 2²;

3. przelicza masy nukleonów z kg na MeV/cIndeks górny 2² i na odwrót;

4. podaje rozmiary nukleonów i jądra atomowego w jednostkach fm i m;

5. podaje różnice w rozmiarach atomu, jądra atomowego, nukleonów, kwarków i elektronu;

6. określa składy kwarkowe protonu i neutronu, mając podane ładunki i cechy kwarków u i d;

7. potrafi uzasadnić, dlaczego proton jest uważany za cząstkę stabilną.

Strategie nauczania

IBSE

Metody nauczania

wykład informacyjny, rozwiązywanie zadań rachunkowych

Formy zajęć:

praca indywidualna, praca w parach

Środki dydaktyczne:

rzutnik lub ekran do wyświetlania multimedium

Materiały pomocnicze:

-

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel przypomina uczniom podstawowe informacje na temat budowy atomu i jego rozmiarów. Następnie sprawdza wiedzę wyjściową uczniów, pytając, czy wiedzą, jak jest zbudowane jądro atomowe, jakie są jego rozmiary oraz jakie są rozmiary i ładunki neutronu i protonu oraz wprowadza jednostkę femtometra. Uczniowie poznają historię odkrycia protonu i neutronu i oraz źródło ich nazw. Nauczyciel pyta uczniów, czy wiedzą, jakie są rozmiary elektronu i jak rozumieją pojęcie cząstki fundamentalnej; następnie zaciekawia uczniów, mówiąc, że nukleony nie są cząstkami fundamentalnymi i że mają wewnętrzną strukturę. Nauczyciel rozwija temat, wprowadzając pojęcie kwarków, nie podając jeszcze składów kwarkowych protonu i neutronu oraz podaje dane o wszystkich sześciu kwarkach i podaje ich ładunki. Nauczyciel mówi uczniom, że proton i neutron są wg klasyfikacji cząstek elementarnych barionami, czyli cząstkami zbudowanymi z trzech kwarków. Uczniowie dowiadują się, jak kwarki budują cząstki złożone, na przykładzie wybranego barionu. Może być to np. cząstka ΛIndeks górny 0⁰ o składzie kwarkowym uds. Nauczyciel oblicza ładunek elektryczny cząstki ΛIndeks górny 0⁰ sumując ładunki kwarków u, d i s.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel mówi uczniom, że proton i neutron są barionami zbudowanymi tylko z kwarków u i d, a następnie prosi uczniów w parach o zastanowienie się, jak mogą być zbudowane nukleony. Uczniowie podają - wraz z uzasadnieniem - składy kwarkowe protonu i neutronu.
Uczniowie w parach zastanawiają się, jakie mogą być składy kwarkowe protonu i neutronu i weryfikują ich poprawność, sprawdzając wypadkowe ładunki elektryczne.
Nauczyciel podsumowuje wyniki uczniów pokazując animację oraz Rys. 1. przedstawiający budowę nukleonów. Nauczyciel powinien powiedzieć uczniom, że oba te przedstawienia są poglądowe i że - z powodu występujących między kwarkami oddziaływań - struktura nukleonów jest bardziej skomplikowana. Nauczyciel rozwija temat wprowadzając pojęcia takie jak oddziaływanie silne i gluony.
Na podstawie animacji nauczyciel prosi uczniów o określenie, jakie są względne stosunki rozmiarów atomu, jądra atomowego i nukleonów, a następnie o obliczenie, o ile rzędów wielkości rozmiary poszczególnych struktur różnią się między sobą. Uczniowie mają za zadanie oszacować, o ile rzędów wielkości kwarki są mniejsze od nukleonów. Nauczyciel przypomina pojęcie cząstki fundamentalnej, odnosząc się do omawianego już elektronu.
Uczniowie wykonują obliczenia i interpretuję otrzymane wyniki.
Nauczyciel podsumowuje wyniki, zwracając uwagę na różnice w rozmiarach poszczególnych struktur i na rolę oddziaływań pomiędzy ich składnikami.
Nauczyciel wypisuje zebrane dotychczas informacje o neutronie i protonie, podaje uczniom masę protonu w kg i uzmysławia uczniom, że kilogram, podobnie jak metr, nie jest naturalną jednostką do opisu cząstek subatomowych. Następuje wprowadzenie jednostki masy $\frac{MeV}{c^2}$. Nauczyciel wyjaśnia, skąd pochodzi ta jednostka, odwołując się do wzoru E = mcIndeks górny 2² i przelicza masę protonu z kg na $\frac{MeV}{c^2}$.
Uczniowie rozwiązują zadanie 3 i 4 z zestawu ćwiczeń.
Nauczyciel komentuje otrzymane wyniki i pyta uczniów, czy z racji, że masy protonu i neutronu są zbliżone, można coś wywnioskować na temat mas kwarków. Nauczyciel wprowadza pojęcie masy konstytuentnej i prosi uczniów w parach o rozwiązanie zadania 5 z zestawu ćwiczeń.
Nauczyciel komentuje wynik, wprowadzając pojęcie masy prądowej (masy „gołych” kwarków) i podkreśla rolę oddziaływań pomiędzy kwarkami.
Nauczyciel argumentuje, dlaczego neutron jest cięższy od protonu i omawia konsekwencje różnicy mas nukleonów. Uświadamia uczniom, że proton jest najlżejszym barionem (można pokazać w tym miejscu masy innych barionów) i wyjaśnia, dlaczego proton jest cząstką stabilną. Uczniowie określają, o ile rzędów wielkości szacunkowy czas życia protonu jest dłuższy od wieku Wszechświata (zadanie 8 z zestawu ćwiczeń) i komentują uzyskane wyniki.
Nauczyciel omawia stabilność neutronu, jego rozpad oraz wprowadza pojęcie czasu życia. Nauczyciel omawia rozpad swobodnego neutronu i prosi uczniów o rozwiązanie zadania 6 z zestawu ćwiczeń.
Nauczyciel mówi uczniom, że w obecności materii jądrowej (czyli wewnątrz jądra atomowego) możliwa jest przemiana protonu i krótko opisuje przemiany βIndeks górny -^- i βIndeks górny +⁺. Nauczyciel odnosi się do stabilności jąder atomowych ze względu na przemiany βIndeks górny -^- i βIndeks górny +⁺.

Faza podsumowująca:

Nauczyciel podsumowuje zebrane informacje na temat kwarkowej budowy nukleonów i ich czasów życia i wprowadza pojęcie stanu wzbudzonego. Nauczyciel mówi uczniom, że nukleony mogą przebywać (podobnie jak atomy i jądra atomowe) w stanach o podwyższonej energii. Nauczyciel opisuje uczniom cechy cząstek ΔIndeks górny +⁺ i ΔIndeks górny 0⁰ i porównuje ich masy i składy kwarkowe z masami i składami protonu i neutronu. Nauczyciel wprowadza pojęcie mezonu i pokazuje uczniom, w jaki sposób cząstki delta mogą ulegać przemianom do nukleonów z emisją mezonów π. Nauczyciel prosi uczniów o określenie składów kwarkowych mezonów pi (zadanie 7 z zestawu ćwiczeń).
Uczniowie rozwiązują zadanie 7 z zestawu ćwiczeń.
Nauczyciel odnosi się do wyników zadania i opisuje rolę mezonów π w przenoszeniu oddziaływań pomiędzy nukleonami w jądrze atomowym.

Praca domowa:

Zadanie 1 i 2 z zestawu ćwiczeń.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium

Animacja może być użyta jako materiał wprowadzający, gdyby nauczyciel chciał zastosować strategię odwróconej klasy.