我的黑洞之行
我的黑洞之行
--《黑洞旅行》的教學設計
青島開發區一中 王小鴿
一.導入:
2001年 美國富豪蒂托支付2000萬美元登上太空，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叫黑洞的地方去旅行(板書:黑洞旅行)你愿意去嗎?(學生眾說紛紜)其實,能不能去黑洞,我們首先還要問問當代最杰出的理論物理學家霍金.
本文是霍金于1988年4月到伯克萊的加利福尼亞大學希奇拉克的演講,原題是“黑洞和嬰兒宇宙(節選)”。“旅行”形象直觀，黑洞表明了闡述的對象．它既是一篇學術論文.，又是一篇科技小品．作者把深奧難懂的科學道理講得淺顯易懂，把黑洞的來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、沖刺命運的杰作．本文深入淺出，有著嚴密的邏輯性，具有震憾人心的力量；說明方法靈活多樣，值得好好學習．
二、教師范讀前四段，提問：
①作者采用“稍微輕率的語氣”表達了什么觀點？
[提示：勾畫1-3段的關鍵語句，而后整合。]
“現在黑洞已在事實上被說成是科學的現實，而非科學的幻想。”
……預言黑洞必然存在的。
“科學幻想家他們為你描述如果你真的掉到一顆黑洞中去將會發生什么。” “我要非常遺憾地告訴未來的星系旅行家們，這個場景是行不通的。”
總結：黑洞確實存在，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，本文為過渡段，承上啟下，承接上文有關話題及自己的見解，再次明確自己的結論來源．既然如此明確，勢必引起別人的興趣及疑問，便自然過渡到下文，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？
學生帶著問題自主瀏覽其余各段，明確：
約翰米歇爾的引力對光線的不自洽理論 黑洞存在的可能性
→廣義相對論下的引力光線效應之自洽理論 黑洞的形成、白洞（愛因斯坦）
-→ 量子力學的不確定性原理 （逃逸--嬰兒宇宙）
④作者是怎樣運用這些理論來說明黑洞形成的原理的．
⑤什么是黑洞？討論這個問題時教師可根據學生情況從以下兩法中任選一種;
⑴讓學生在現有的一些論述的基礎上,說出自己體會到的黑洞,例:
所謂“黑洞”，就是這樣一種天體：它的引力場是如此之強，就連光也不能逃脫出來。
“黑洞”原來是超強磁場
黑洞是一個空間--時間區域，它的最外圍是光所能從黑洞向外到達的最遠距離，這個邊界稱為“事件視界”。它如同一個單向的膜，只允許物質穿過視界并落到黑洞里去，但沒有任何物質能夠從里面出來！
黑洞即演變到最后階段的恒星,由中子星進一步收縮而成.霍金的研究表明存在著黑洞輻射.
⑵由學生表情朗讀一篇知識短文《黑洞》,同時配以一首適宜的New Age Music輕音樂(例日本新世紀音樂家喜多郎(KITARO) 的專輯《天界》(Astral Voyage)中的樂曲).學生聽完后展開討論.
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,請同學們運用逆向思維,發揮想像,寫一篇“假如我去黑洞旅行”或“我的黑洞之行”的文章.
Ⅱ、聯想作文:自然界有“黑洞”,社會生活中有沒有比喻意義上的“黑洞”呢？答案無疑是有的(可用媒體有關這方面的報導和席慕蓉的詩《夏夜的傳說》中的有關詩句進行啟發),請以《我身邊的黑洞》為題寫一篇作文.
（以上兩個作文題可由學生任選其一,若當堂完成不了可留作第二課時開始時的作業,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“大黑窟窿”，其實不然。所謂“黑洞”，就是這樣一種天體：它的引力場是如此之強，就連光也不能逃脫出來。 根據廣義相對論，引力場將使時空彎曲。當恒星的體積很大時，它的引力場對時空幾乎沒什么影響，從恒星表面上某一點發的光可以朝任何方向沿直線射出。而恒星的半徑越小，它對周圍的時空彎曲作用就越大，朝某些角度發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（天文學上叫“史瓦西半徑”）時，就連垂直表面發射的光都被捕獲了。到這時，恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質一旦掉進去，“似乎”就再不能逃出。實際上黑洞真正是“隱形”的，等一會兒我們會講到。 那么，黑洞是怎樣形成的呢？其實，跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能也是由恒星演化而來的。 我們曾經比較詳細地介紹了白矮星和中子星形成的過程。當一顆恒星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料（氫），由中心產生的能量已經不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。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。 質量小一些的恒星主要演化成白矮星，質量比較大的恒星則有可能形成中子星。而根據科學家的計算，中子星的總質量不能大于三倍太陽的質量。如果超過了這個值，那么將再沒有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發另一次大坍縮。 這次，根據科學家的猜想，物質將不可阻擋地向著中心點進軍，直至成為一個體積趨于零、密度趨向無限大的“點”。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法向外射出，從而切斷了恒星與外界的一切聯系--“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”，人們無法直接觀察到它，連科學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。這是一個最基本的常識。可是根據廣義相對論，空間會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播，但走的已經不是直線，而是曲線。形象地講，好像光本來是要走直線的，只不過強大的引力把它拉得偏離了原來的方向。 在地球上，由于引力場作用很小，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出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。所以，我們可以毫不費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。 更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發出的光能直接到達地球，它朝其它方向發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這顆恒星的“臉”，還同時看到它的側面、甚至后背！ “黑洞”無疑是本世紀最具有挑戰性、也最讓人激動的天文學說之一。許多科學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，這些當代天體物理學的最新成果不是在這里三言兩語能說清楚的。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
黑洞
學習自然科學時，你是否曾經感覺到其中的知識太多了？無論你多么努力地學習一些自然科學概念，你是否曾經放棄過，并說你的大腦已經裝不下這些知識？如果你有這些經歷，也許你想到太空中的一個比宇宙上的任何地方或者任何人都濃厚的地方旅行，這個地方就叫做黑洞。 在去之前，你也許想準確了解你要去的地方，換句話說，什么是黑洞？黑洞曾經被稱為凍結的星球，基本上也是凍結的星球。恒星是一個巨大的熔爐，即使是太陽這個相對較小的恒星也是驚人地巨大，具有強大的重力，所以能夠吸引著它的行星繞著自己旋轉，而不是像行星彈球似的雜亂無章地擺在太空中。 恒星的重力被其核心的能量所產生的向外的推力平衡掉，這種推力保持熾熱的球體不會崩潰。當某些恒星的能量消失或者凍結時，可能會沒有力往外推恒星內部的物質，重力產生的拉力便接管了恒星，將其壓縮成一個極其濃厚的、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彈子大小的物體，但是其質量并沒有減小。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大，以至于無論什么物體的運動速度都不能快到可以擺脫黑洞的重力場，光線也無法逃出。我們先不學習有關黑洞的知識，首先到超濃厚的世界--黑洞進行一次旅行，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單，只需要達到每秒11.2千米的速度，這個速度叫做逃逸速度。擺脫了地球重力，你的頭便朝向銀河系的中心，天文學家認為這里有比太陽重一百萬倍的黑洞存在。由于黑洞的拉力，你在遠離目的地的地方關閉了火箭并漂了進去。在到達遠方黑色圓圈的時候，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。這就是天文學家稱作的視界，它是黑洞重力最遠的一道邊。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生的拉力。奇怪地是，當你到達地平線的時候，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30萬千米的速度運動，卻到達不了任何地方。 隨便說一下，如果你地球上的伙伴們正在觀看你的旅行，那么一旦你穿過了地平線，他們將會看不到你，你從太空飛船發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，你已經消失了。 穿過了視界之后，你感覺到來自黑洞的潮水般的拉力，這種拉力類似于在地球上移動大海的能量。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，身體中的每一個原子也正在被拉開。 不幸地是，你現在的前進速度太快了，以至于沒有時間看到下面的情形。地平線外面的所有物體都被保持在黑洞重力場內部的、彎曲的光彎成奇怪的形狀。現在速度更快了，你接觸黑洞的時間只還剩下幾秒鐘。你感覺到重力拉你的時候，就好象牙膏從管里被擠出來一樣。還記得過山車落下時的感覺嗎？你的腿朝向地球的時候，頭部好象靜止在天空中？這就像坐過山車，而且比過山車快無窮倍。你玩得還開心嗎？那是什么？你想回去嗎？你寧愿閱讀有關黑洞的知識，而不愿意親自來到黑洞？這就是個問題了。你知道，即使你的太空飛船達到每小時4萬千米的地球逃逸速度沒有問題，也沒有辦法達到每秒鐘30萬千米的光速離開黑洞。實際上，飛船的速度還必須要大于這個速度，因為即使是光都不能擺脫黑洞的拉力，而且超過光速是不可能的。可能在登上飛船之前，向霍金先生詢問有關此次旅行的更多的知識還是明智的。
附錄三: 席慕蓉的詩《夏夜的傳說》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
歲月里也有著黑暗的角落
逐日逐夜
在吞食著我們曾經那樣渴望
并且相信會擁有的幸福與快樂
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