我的黑洞之行
我的黑洞之行
--《黑洞旅行》的教學(xué)設(shè)計(jì)
青島開發(fā)區(qū)一中 王小鴿
一.導(dǎo)入:
2001年 美國(guó)富豪蒂托支付2000萬(wàn)美元登上太空，成為自費(fèi)登上太空的第一人。2002年 南非富翁沙特爾沃思成為第二位“自費(fèi)”的太空游客..假如我愿意為你提供贊助,讓你到太空之外一個(gè)叫黑洞的地方去旅行(板書:黑洞旅行)你愿意去嗎?(學(xué)生眾說(shuō)紛紜)其實(shí),能不能去黑洞,我們首先還要問問當(dāng)代最杰出的理論物理學(xué)家霍金.
本文是霍金于1988年4月到伯克萊的加利福尼亞大學(xué)希奇拉克的演講,原題是“黑洞和嬰兒宇宙(節(jié)選)”。“旅行”形象直觀，黑洞表明了闡述的對(duì)象．它既是一篇學(xué)術(shù)論文.，又是一篇科技小品．作者把深?yuàn)W難懂的科學(xué)道理講得淺顯易懂，把黑洞的來(lái)龍去脈分析得頭頭是道，給人以豐富的天體知識(shí)，是不屈的霍金沖刺宇宙學(xué)、沖刺命運(yùn)的杰作．本文深入淺出，有著嚴(yán)密的邏輯性，具有震憾人心的力量；說(shuō)明方法靈活多樣，值得好好學(xué)習(xí)．
二、教師范讀前四段，提問：
①作者采用“稍微輕率的語(yǔ)氣”表達(dá)了什么觀點(diǎn)？
[提示：勾畫1-3段的關(guān)鍵語(yǔ)句，而后整合。]
“現(xiàn)在黑洞已在事實(shí)上被說(shuō)成是科學(xué)的現(xiàn)實(shí)，而非科學(xué)的幻想。”
……預(yù)言黑洞必然存在的。
“科學(xué)幻想家他們?yōu)槟忝枋鋈绻阏娴牡舻揭活w黑洞中去將會(huì)發(fā)生什么。” “我要非常遺憾地告訴未來(lái)的星系旅行家們，這個(gè)場(chǎng)景是行不通的。”
總結(jié)：黑洞確實(shí)存在，黑洞旅行有可能，但目前行不通。
②如何理解第四段在全文中的作用？
明確：從結(jié)構(gòu)上看，本文為過(guò)渡段，承上啟下，承接上文有關(guān)話題及自己的見解，再次明確自己的結(jié)論來(lái)源．既然如此明確，勢(shì)必引起別人的興趣及疑問，便自然過(guò)渡到下文，剖析黑洞理論。
③為了講清黑洞的形成原理，作者涉及了哪些理論？
學(xué)生帶著問題自主瀏覽其余各段，明確：
約翰米歇爾的引力對(duì)光線的不自洽理論 黑洞存在的可能性
→廣義相對(duì)論下的引力光線效應(yīng)之自洽理論 黑洞的形成、白洞（愛因斯坦）
-→ 量子力學(xué)的不確定性原理 （逃逸--嬰兒宇宙）
④作者是怎樣運(yùn)用這些理論來(lái)說(shuō)明黑洞形成的原理的．
⑤什么是黑洞？討論這個(gè)問題時(shí)教師可根據(jù)學(xué)生情況從以下兩法中任選一種;
⑴讓學(xué)生在現(xiàn)有的一些論述的基礎(chǔ)上,說(shuō)出自己體會(huì)到的黑洞,例:
所謂“黑洞”，就是這樣一種天體：它的引力場(chǎng)是如此之強(qiáng)，就連光也不能逃脫出來(lái)。
“黑洞”原來(lái)是超強(qiáng)磁場(chǎng)
黑洞是一個(gè)空間--時(shí)間區(qū)域，它的最外圍是光所能從黑洞向外到達(dá)的最遠(yuǎn)距離，這個(gè)邊界稱為“事件視界”。它如同一個(gè)單向的膜，只允許物質(zhì)穿過(guò)視界并落到黑洞里去，但沒有任何物質(zhì)能夠從里面出來(lái)！
黑洞即演變到最后階段的恒星,由中子星進(jìn)一步收縮而成.霍金的研究表明存在著黑洞輻射.
⑵由學(xué)生表情朗讀一篇知識(shí)短文《黑洞》,同時(shí)配以一首適宜的New Age Music輕音樂(例日本新世紀(jì)音樂家喜多郎(KITARO) 的專輯《天界》(Astral Voyage)中的樂曲).學(xué)生聽完后展開討論.
三、作文
Ⅰ、想像作文:雖然霍金認(rèn)為“目前行不通”但我們不妨可以先“神游”一回,請(qǐng)同學(xué)們運(yùn)用逆向思維,發(fā)揮想像,寫一篇“假如我去黑洞旅行”或“我的黑洞之行”的文章.
Ⅱ、聯(lián)想作文:自然界有“黑洞”,社會(huì)生活中有沒有比喻意義上的“黑洞”呢？答案無(wú)疑是有的(可用媒體有關(guān)這方面的報(bào)導(dǎo)和席慕蓉的詩(shī)《夏夜的傳說(shuō)》中的有關(guān)詩(shī)句進(jìn)行啟發(fā)),請(qǐng)以《我身邊的黑洞》為題寫一篇作文.
（以上兩個(gè)作文題可由學(xué)生任選其一,若當(dāng)堂完成不了可留作第二課時(shí)開始時(shí)的作業(yè),并在完成后當(dāng)堂展讀。）
附錄:附錄一 黑洞
“黑洞”很容易讓人望文生義地想象成一個(gè)“大黑窟窿”，其實(shí)不然。所謂“黑洞”，就是這樣一種天體：它的引力場(chǎng)是如此之強(qiáng)，就連光也不能逃脫出來(lái)。 根據(jù)廣義相對(duì)論，引力場(chǎng)將使時(shí)空彎曲。當(dāng)恒星的體積很大時(shí)，它的引力場(chǎng)對(duì)時(shí)空幾乎沒什么影響，從恒星表面上某一點(diǎn)發(fā)的光可以朝任何方向沿直線射出。而恒星的半徑越小，它對(duì)周圍的時(shí)空彎曲作用就越大，朝某些角度發(fā)出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面。 等恒星的半徑小到一特定值（天文學(xué)上叫“史瓦西半徑”）時(shí)，就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了。到這時(shí)，恒星就變成了黑洞。說(shuō)它“黑”，是指它就像宇宙中的無(wú)底洞，任何物質(zhì)一旦掉進(jìn)去，“似乎”就再不能逃出。實(shí)際上黑洞真正是“隱形”的，等一會(huì)兒我們會(huì)講到。 那么，黑洞是怎樣形成的呢？其實(shí)，跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能也是由恒星演化而來(lái)的。 我們?cè)?jīng)比較詳細(xì)地介紹了白矮星和中子星形成的過(guò)程。當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料（氫），由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來(lái)承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。 質(zhì)量小一些的恒星主要演化成白矮星，質(zhì)量比較大的恒星則有可能形成中子星。而根據(jù)科學(xué)家的計(jì)算，中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽(yáng)的質(zhì)量。如果超過(guò)了這個(gè)值，那么將再?zèng)]有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發(fā)另一次大坍縮。 這次，根據(jù)科學(xué)家的猜想，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直至成為一個(gè)體積趨于零、密度趨向無(wú)限大的“點(diǎn)”。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(史瓦西半徑)，正象我們上面介紹的那樣，巨大的引力就使得即使光也無(wú)法向外射出，從而切斷了恒星與外界的一切聯(lián)系--“黑洞”誕生了。 與別的天體相比，黑洞是顯得太特殊了。例如，黑洞有“隱身術(shù)”，人們無(wú)法直接觀察到它，連科學(xué)家都只能對(duì)它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。那么，黑洞是怎么把自己隱藏起來(lái)的呢？答案就是--彎曲的空間。我們都知道，光是沿直線傳播的。這是一個(gè)最基本的常識(shí)。可是根據(jù)廣義相對(duì)論，空間會(huì)在引力場(chǎng)作用下彎曲。這時(shí)候，光雖然仍然沿任意兩點(diǎn)間的最短距離傳播，但走的已經(jīng)不是直線，而是曲線。形象地講，好像光本來(lái)是要走直線的，只不過(guò)強(qiáng)大的引力把它拉得偏離了原來(lái)的方向。 在地球上，由于引力場(chǎng)作用很小，這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會(huì)落入黑洞中消失，可另一部分光線會(huì)通過(guò)彎曲的空間中繞過(guò)黑洞而到達(dá)地球。所以，我們可以毫不費(fèi)力地觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術(shù)。 更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球，它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強(qiáng)引力折射而能到達(dá)地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”，還同時(shí)看到它的側(cè)面、甚至后背！ “黑洞”無(wú)疑是本世紀(jì)最具有挑戰(zhàn)性、也最讓人激動(dòng)的天文學(xué)說(shuō)之一。許多科學(xué)家正在為揭開它的神秘面紗而辛勤工作著，新的理論也不斷地提出。不過(guò)，這些當(dāng)代天體物理學(xué)的最新成果不是在這里三言兩語(yǔ)能說(shuō)清楚的。有興趣的朋友可以去參考專門的論著。
附錄二. 黑洞之行寫作前的啟發(fā)
黑洞
學(xué)習(xí)自然科學(xué)時(shí)，你是否曾經(jīng)感覺到其中的知識(shí)太多了？無(wú)論你多么努力地學(xué)習(xí)一些自然科學(xué)概念，你是否曾經(jīng)放棄過(guò)，并說(shuō)你的大腦已經(jīng)裝不下這些知識(shí)？如果你有這些經(jīng)歷，也許你想到太空中的一個(gè)比宇宙上的任何地方或者任何人都濃厚的地方旅行，這個(gè)地方就叫做黑洞。 在去之前，你也許想準(zhǔn)確了解你要去的地方，換句話說(shuō)，什么是黑洞？黑洞曾經(jīng)被稱為凍結(jié)的星球，基本上也是凍結(jié)的星球。恒星是一個(gè)巨大的熔爐，即使是太陽(yáng)這個(gè)相對(duì)較小的恒星也是驚人地巨大，具有強(qiáng)大的重力，所以能夠吸引著它的行星繞著自己旋轉(zhuǎn)，而不是像行星彈球似的雜亂無(wú)章地?cái)[在太空中。 恒星的重力被其核心的能量所產(chǎn)生的向外的推力平衡掉，這種推力保持熾熱的球體不會(huì)崩潰。當(dāng)某些恒星的能量消失或者凍結(jié)時(shí)，可能會(huì)沒有力往外推恒星內(nèi)部的物質(zhì)，重力產(chǎn)生的拉力便接管了恒星，將其壓縮成一個(gè)極其濃厚的、微小的物體，就好象是地球上最大的山峰珠穆朗瑪峰被壓縮成一個(gè)彈子大小的物體，但是其質(zhì)量并沒有減小。其密度用大寫的D表示。從其中心開始便稱作黑洞，黑洞的拉力是如此地強(qiáng)大，以至于無(wú)論什么物體的運(yùn)動(dòng)速度都不能快到可以擺脫黑洞的重力場(chǎng)，光線也無(wú)法逃出。我們先不學(xué)習(xí)有關(guān)黑洞的知識(shí)，首先到超濃厚的世界--黑洞進(jìn)行一次旅行，我們將乘坐火箭從地球起飛。 準(zhǔn)備好了嗎？ 擺脫地球重力的牽引非常簡(jiǎn)單，只需要達(dá)到每秒11.2千米的速度，這個(gè)速度叫做逃逸速度。擺脫了地球重力，你的頭便朝向銀河系的中心，天文學(xué)家認(rèn)為這里有比太陽(yáng)重一百萬(wàn)倍的黑洞存在。由于黑洞的拉力，你在遠(yuǎn)離目的地的地方關(guān)閉了火箭并漂了進(jìn)去。在到達(dá)遠(yuǎn)方黑色圓圈的時(shí)候，你看到一束奇怪的光。這道光是一條邊界線：一道彎曲的圍繞黑色核心周圍的光。這就是天文學(xué)家稱作的視界，它是黑洞重力最遠(yuǎn)的一道邊。光在邊界線終止的原因是它的速度不夠快，擺脫不了黑洞重力產(chǎn)生的拉力。奇怪地是，當(dāng)你到達(dá)地平線的時(shí)候，它像所有的地平線一樣，看上去好象是靜止的。然而，你所看到的光仍然以每秒30萬(wàn)千米的速度運(yùn)動(dòng)，卻到達(dá)不了任何地方。 隨便說(shuō)一下，如果你地球上的伙伴們正在觀看你的旅行，那么一旦你穿過(guò)了地平線，他們將會(huì)看不到你，你從太空飛船發(fā)出的任意廣播信號(hào)都擺脫不了黑洞。所以，相對(duì)于地球上的人，你已經(jīng)消失了。 穿過(guò)了視界之后，你感覺到來(lái)自黑洞的潮水般的拉力，這種拉力類似于在地球上移動(dòng)大海的能量。由于你的腳比頭部更接近于黑洞，你將很快就感覺到你正在像一塊太妃糖一樣被拉伸，身體中的每一個(gè)原子也正在被拉開。 不幸地是，你現(xiàn)在的前進(jìn)速度太快了，以至于沒有時(shí)間看到下面的情形。地平線外面的所有物體都被保持在黑洞重力場(chǎng)內(nèi)部的、彎曲的光彎成奇怪的形狀。現(xiàn)在速度更快了，你接觸黑洞的時(shí)間只還剩下幾秒鐘。你感覺到重力拉你的時(shí)候，就好象牙膏從管里被擠出來(lái)一樣。還記得過(guò)山車落下時(shí)的感覺嗎？你的腿朝向地球的時(shí)候，頭部好象靜止在天空中？這就像坐過(guò)山車，而且比過(guò)山車快無(wú)窮倍。你玩得還開心嗎？那是什么？你想回去嗎？你寧愿閱讀有關(guān)黑洞的知識(shí)，而不愿意親自來(lái)到黑洞？這就是個(gè)問題了。你知道，即使你的太空飛船達(dá)到每小時(shí)4萬(wàn)千米的地球逃逸速度沒有問題，也沒有辦法達(dá)到每秒鐘30萬(wàn)千米的光速離開黑洞。實(shí)際上，飛船的速度還必須要大于這個(gè)速度，因?yàn)榧词故枪舛疾荒軘[脫黑洞的拉力，而且超過(guò)光速是不可能的。可能在登上飛船之前，向霍金先生詢問有關(guān)此次旅行的更多的知識(shí)還是明智的。
附錄三: 席慕蓉的詩(shī)《夏夜的傳說(shuō)》中的一段：
星空中有深不可測(cè)的黑洞
吞食盡周遭所有的生命并且
使空間變形
歲月里也有著黑暗的角落
逐日逐夜
在吞食著我們?cè)?jīng)那樣渴望
并且相信會(huì)擁有的幸福與快樂
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