Imię i nazwisko autora:

Tomasz Cap

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Górny, dolny, dziwny i powabny, czyli o kwarkach

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:
7) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych lub blokowych informacje kluczowe dla opisywanego zjawiska bądź problemu; przedstawia te informacje w różnych postaciach;
XII. Elementy fizyki relatywistycznej i fizyka jądrowa. 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:

Zalecenie 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 cyfrowe,

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

Cele operacyjne:

Uczeń:

1. wie, co to są kwarki, ile ich jest i w jaki sposób budują cząstki elementarne,

2. potrafi posługiwać się zapisem kwarkowym,

3. rozumie podział cząstek elementarnych na bariony i mezony,

4. rozumie klasyfikację cząstek elementarnych ze względu na ich budowę,

5. analizując składy kwarkowe cząstek, potrafi przypisać je do określonych grup,

6. określa ładunki elektryczne cząstek elementarnych o podanym składzie kwarkowym,

7. ocenia i uzasadnia, czy dana kombinacja kwarków może zbudować bardziej złożony obiekt.

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:

Zdjęcia lub krótki filmik prezentujący LHC (Wielki Zderzacz Hadronów w CERNie) albo jakikolwiek inny współczesny akcelerator.

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel rozpoznaje wiedzę wyjściową uczniów, pytając jak jest zbudowana otaczająca nas materia, czym są atomy i jaka jest ich struktura, z jakich składników składa się jądro atomowe.
Nauczyciel pyta, co uczniowie rozumieją przez pojęcia cząstki elementarnej i fundamentalnej. Nauczyciel prosi uczniów o sformułowanie kryteriów, jakie powinny spełniać obiekty, które uważamy za podstawowe składniki materii.
Nauczyciel uporządkowuje wiedzę uczniów i opisuje złożoność otaczającej nas materii.
Nauczyciel wskazuje, że w fizyce i chemii stosowany jest hierarchiczny model opisu struktury materii: molekuły są zbudowane z atomów, atomy z jąder atomowych i chmury elektronowej, a jądra atomowe z neutronów i protonów. Nauczyciel wprowadza skale odległości właściwe do opisu molekuł, atomów i jąder atomowych. Przypomina, jak stosować postać wykładniczą i wprowadza jednostkę odległości femtometr.
Nauczyciel zaciekawia uczniów, wprowadzając pojęcie kwarka, przedstawia nazwy kwarków oraz ich własności fizyczne (ułamkowy ładunek, etc.).
Nauczyciel pokazuje, w jaki sposób kwarki budują neutron i proton.
Nauczyciel sprawdza na podstawie składów kwarkowych ładunki elektryczne nukleonów.
Nauczyciel przedstawia historię odkrycia kwarków oraz opisuje narzędzia badawcze fizyki cząstek elementarnych, ilustrując ten opis zdjęciami bądź krótkim filmem.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel wprowadza pojęcia: antykwark, hadron, barion i mezon. Nauczyciel pokazuje uczniom jak przykładowe cząstki elementarne zbudowane są z kwarków wykorzystując do tego multimedium bazowe.
Nauczyciel omawia rolę oddziaływania silnego i porównuje je z innymi oddziaływaniami pod kątem występowania, zasięgu itd.
Nauczyciel wprowadza pojęcie czasu życia cząstki elementarnej i omawia je na przykładzie wybranej cząstki, pokazując jej schematy rozpadu.
Nauczyciel daje uczniom zadanie odszukania składów kwarkowych kilku wybranych przez siebie cząstek. Uczniowie, korzystając z multimedium odszukują składy kwarkowe cząstek podanych przez nauczyciela.
Nauczyciel wybiera kilka cząstek i podaje uczniom tylko ich składy kwarkowe. Nauczyciel następnie prosi uczniów, o sprawdzenie wypadkowych ładunków elektrycznych dla podanych składów kwarkowych bazując na informacjach zawartych w tabeli 1. Uczniowie, korzystając z tabeli 1, sprawdzają wypadkowe ładunki elektryczne dla podanych grup kwarków. Następnie razem z nauczycielem (korzystając z multimedium) odszukują jakie cząstki zostały wybrane do sprawdzenia (jakie są ich nazwy i symbole) oraz weryfikują obliczony przez siebie ładunek elektryczny.
Nauczyciel omawia różnice pomiędzy barionami i mezonami oraz wprowadza pojęcia antybarionu i antymezonu. Nauczyciel prosi uczniów o rozwiązanie zadania 4. Uczniowie klasyfikują cząstki z zadania 4 do odpowiednich grup. Nauczyciel rozwija temat klasyfikacji cząstek i wprowadza pojęcie materii dziwnej (zawierającej kwark s).
Nauczyciel jako przykład podaje hiperony i prosi uczniów o rozwiązanie zadania 5. Uczniowie wskazują, które cząstki z podanych są hiperonami.
Nauczyciel może dalej rozwinąć temat, opowiadając o hiperjądrach, czyli o jądrach atomowych, w których jeden z nukleonów został zastąpiony hiperonem. Warto, aby nauczyciel podkreślił rolę polskich naukowców w badaniach nad hiperjądrami (hiperjądra zostały po raz pierwszy zaobserwowane w 1952 roku przez profesorów Mariana Danysza i Jerzego Pniewskiego z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego).
Nauczyciel uświadamia uczniów, że cząstki elementarne mogą występować w różnych stanach wzbudzonych, wyjaśnia, co oznacza to pojęcie i omawia, w jaki sposób cząstka może znaleźć się w stanie wzbudzonym.
Nauczyciel daje uczniom do rozwiązania zadanie 7 razem z częścią nieobowiązkową. Uczniowie rozwiązują zadanie 7, a następnie dyskutują uzyskane wyniki razem z nauczycielem. Nauczyciel rozwija temat czasu życia cząstek delta i pokazuje, w jaki sposób cząstki te się rozpadają.

Faza podsumowująca:

Nauczyciel prosi uczniów, aby dobrali się w pary. Każdy z uczniów wybiera cząstkę elementarną (z multimedium lub z przykładów podanych na lekcji) i podaje drugiej osobie z pary tylko jej skład kwarkowy. Zadaniem ucznia jest sklasyfikowanie cząstki na podstawie podanego składu kwarkowego, wyznaczenie jej ładunku elektrycznego i podanie symbolu. Nauczyciel wypisuje cząstki, które poznali uczniowie i wprowadza dodatkowe cząstki elementarne (nieomawiane na zajęciach), które zawierają kwarki c, t lub b i opowiada o badaniach prowadzonych w ramach fizyki cząstek elementarnych.

Praca domowa:

Zadania utrwalające wiedzę pojęciową: Zadania 1, 2 i 3 z e‑materiału.
Zadania sprawdzające zrozumienie materiału: Zadania 6 i 8 z e‑materiału.
Zadanie rozszerzające zdobytą wiedzę: Zadanie 9 z e‑materiału.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium:

Multimedium może być wykorzystane w czasie lekcji lub jako wstęp do niej.