我的黑洞之行
我的黑洞之行
--《黑洞旅行》的教學(xué)設計
青島開(kāi)發(fā)區一中 王小鴿
一.導入:
2001年 美國富豪蒂托支付2000萬(wàn)美元登上太空，成為自費登上太空的第一人。2002年 南非富翁沙特爾沃思成為第二位“自費”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(shū):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(wèn)問(wèn)當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(節選)”�！奥眯小毙蜗笾庇^(guān)，黑洞表明了闡述的對象．它既是一篇學(xué)術(shù)論文.，又是一篇科技小品．作者把深奧難懂的科學(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，是不屈的霍金沖刺宇宙學(xué)、沖刺命運的杰作．本文深入淺出，有著(zhù)嚴密的邏輯性，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．
二、教師范讀前四段，提問(wèn)：
①作者采用“稍微輕率的語(yǔ)氣”表達了什么觀(guān)點(diǎn)？
[提示：勾畫(huà)1-3段的關(guān)鍵語(yǔ)句，而后整合。]
“現在黑洞已在事實(shí)上被說(shuō)成是科學(xué)的現實(shí)，而非科學(xué)的幻想�！�
……預言黑洞必然存在的。
“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：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：從結構上看，本文為過(guò)渡段，承上啟下，承接上文有關(guān)話(huà)題及自己的見(jiàn)解，再次明確自己的結論來(lái)源．既然如此明確，勢必引起別人的興趣及疑問(wèn)，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(zhù)問(wèn)題自主瀏覽其余各段，明確：
約翰米歇爾的引力對光線(xiàn)的不自洽理論 黑洞存在的可能性
→廣義相對論下的引力光線(xiàn)效應之自洽理論 黑洞的形成、白洞（愛(ài)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(wèn)題時(shí)教師可根據學(xué)生情況從以下兩法中任選一種;
⑴讓學(xué)生在現有的一些論述的基礎上,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，就連光也不能逃脫出來(lái)。
“黑洞”原來(lái)是超強磁場(chǎng)
黑洞是一個(gè)空間--時(shí)間區域，它的最外圍是光所能從黑洞向外到達的最遠距離，這個(gè)邊界稱(chēng)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(méi)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(zhù)黑洞輻射.
⑵由學(xué)生表情朗讀一篇知識短文《黑洞》,同時(shí)配以一首適宜的New Age Music輕音樂(lè )(例日本新世紀音樂(lè )家喜多郎(KITARO) 的專(zhuān)輯《天界》(Astral Voyage)中的樂(lè )曲).學(xué)生聽(tīng)完后展開(kāi)討論.
三、作文
Ⅰ、想像作文:雖然霍金認為“目前行不通”但我們不妨可以先“神游”一回,請同學(xué)們運用逆向思維,發(fā)揮想像,寫(xiě)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(méi)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)這方面的報導和席慕蓉的詩(shī)《夏夜的傳說(shuō)》中的有關(guān)詩(shī)句進(jìn)行啟發(fā)),請以《我身邊的黑洞》為題寫(xiě)一篇作文.
（以上兩個(gè)作文題可由學(xué)生任選其一,若當堂完成不了可留作第二課時(shí)開(kāi)始時(shí)的作業(yè),并在完成后當堂展讀。）
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，就連光也不能逃脫出來(lái)�！ 「鶕䦶V義相對論，引力場(chǎng)將使時(shí)空彎曲。當恒星的體積很大時(shí)，它的引力場(chǎng)對時(shí)空幾乎沒(méi)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(xiàn)射出。而恒星的半徑越小，它對周?chē)臅r(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�！ 〉群阈堑陌霃叫〉揭惶囟ㄖ担ㄌ煳膶W(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�！ ∧敲�，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�！ ∥覀冊�(jīng)比較詳細地介紹了白矮星和中子星形成的過(guò)程。當一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應已經(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(méi)有足夠的力量來(lái)承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開(kāi)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�！ ≠|(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。而根據科學(xué)家的計算，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，那么將再沒(méi)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�！ ∵@次，根據科學(xué)家的猜想，物質(zhì)將不可阻擋地向著(zhù)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�！ ∨c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(guān)察到它，連科學(xué)家都只能對它內部結構提出各種猜想。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(xiàn)傳播的。這是一個(gè)最基本的常識�？墒歉鶕䦶V義相對論，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(xiàn)，而是曲線(xiàn)。形象地講，好像光本來(lái)是要走直線(xiàn)的，只不過(guò)強大的引力把它拉得偏離了原來(lái)的方向�！ ≡诘厍蛏�，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?chē)�，空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著(zhù)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(xiàn)會(huì )通過(guò)彎曲的空間中繞過(guò)黑洞而到達地球。所以，我們可以毫不費力地觀(guān)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)�！ 「腥さ氖�，有些恒星不僅是朝著(zhù)地球發(fā)出的光能直接到達地球，它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見(jiàn)這顆恒星的“臉”，還同時(shí)看到它的側面、甚至后背！ “黑洞”無(wú)疑是本世紀最具有挑戰性、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(kāi)它的神秘面紗而辛勤工作著(zhù)，新的理論也不斷地提出。不過(guò)，這些當代天體物理學(xué)的最新成果不是在這里三言?xún)烧Z(yǔ)能說(shuō)清楚的。有興趣的朋友可以去參考專(zhuān)門(mén)的論著(zhù)。
附錄二. 黑洞之行寫(xiě)作前的啟發(fā)
黑洞
學(xué)習自然科學(xué)時(shí)，你是否曾經(jīng)感覺(jué)到其中的知識太多了？無(wú)論你多么努力地學(xué)習一些自然科學(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？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，你也許想準確了解你要去的地方，換句話(huà)說(shuō)，什么是黑洞？黑洞曾經(jīng)被稱(chēng)為凍結的星球，基本上也是凍結的星球。恒星是一個(gè)巨大的熔爐，即使是太陽(yáng)這個(gè)相對較小的恒星也是驚人地巨大，具有強大的重力，所以能夠吸引著(zhù)它的行星繞著(zhù)自己旋轉，而不是像行星彈球似的雜亂無(wú)章地擺在太空中。 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。當某些恒星的能量消失或者凍結時(shí)，可能會(huì )沒(méi)有力往外推恒星內部的物質(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(méi)有減小。其密度用大寫(xiě)的D表示。從其中心開(kāi)始便稱(chēng)作黑洞，黑洞的拉力是如此地強大，以至于無(wú)論什么物體的運動(dòng)速度都不能快到可以擺脫黑洞的重力場(chǎng)，光線(xiàn)也無(wú)法逃出。我們先不學(xué)習有關(guān)黑洞的知識，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。 準備好了嗎？ 擺脫地球重力的牽引非常簡(jiǎn)單，只需要達到每秒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，你在遠離目的地的地方關(guān)閉了火箭并漂了進(jìn)去。在到達遠方黑色圓圈的時(shí)候，你看到一束奇怪的光。這道光是一條邊界線(xiàn)：一道彎曲的圍繞黑色核心周?chē)墓�。這就是天文學(xué)家稱(chēng)作的視界，它是黑洞重力最遠的一道邊。光在邊界線(xiàn)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，當你到達地平線(xiàn)的時(shí)候，它像所有的地平線(xiàn)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)千米的速度運動(dòng)，卻到達不了任何地方。 隨便說(shuō)一下，如果你地球上的伙伴們正在觀(guān)看你的旅行，那么一旦你穿過(guò)了地平線(xiàn)，他們將會(huì )看不到你，你從太空飛船發(fā)出的任意廣播信號都擺脫不了黑洞。所以，相對于地球上的人，你已經(jīng)消失了。 穿過(guò)了視界之后，你感覺(jué)到來(lái)自黑洞的潮水般的拉力，這種拉力類(lèi)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(jué)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(kāi)。 不幸地是，你現在的前進(jìn)速度太快了，以至于沒(méi)有時(shí)間看到下面的情形。地平線(xiàn)外面的所有物體都被保持在黑洞重力場(chǎng)內部的、彎曲的光彎成奇怪的形狀�，F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(jué)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(chē)落下時(shí)的感覺(jué)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(chē)，而且比過(guò)山車(chē)快無(wú)窮倍。你玩得還開(kāi)心嗎？那是什么？你想回去嗎？你寧愿閱讀有關(guān)黑洞的知識，而不愿意親自來(lái)到黑洞？這就是個(gè)問(wèn)題了。你知道，即使你的太空飛船達到每小時(shí)4萬(wàn)千米的地球逃逸速度沒(méi)有問(wèn)題，也沒(méi)有辦法達到每秒鐘30萬(wàn)千米的光速離開(kāi)黑洞。實(shí)際上，飛船的速度還必須要大于這個(gè)速度，因為即使是光都不能擺脫黑洞的拉力，而且超過(guò)光速是不可能的�？赡茉诘巧巷w船之前，向霍金先生詢(xún)問(wèn)有關(guān)此次旅行的更多的知識還是明智的。
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(zhù)黑暗的角落
逐日逐夜
在吞食著(zhù)我們曾經(jīng)那樣渴望
并且相信會(huì )擁有的幸福與快樂(lè )
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