我的黑洞之行

 我的黑洞之行

——《黑洞旅行》的教学设计

青岛开发区一中    王小鸽

一.导入:

2001年 美国富豪蒂托支付2000万美元登上太空，成为自费登上太空的第一人。2002年 南非富翁沙特尔沃思成为第二位“自费”的太空游客..假如我愿意为你提供赞助,让你到太空之外一个叫黑洞的地方去旅行(板书:黑洞旅行)你愿意去吗?(学生众说纷纭)其实,能不能去黑洞,我们首先还要问问当代最杰出的理论物理学家霍金.

本文是霍金于1988年4月到伯克莱的加利福尼亚大学希奇拉克的演讲,原题是“黑洞和婴儿宇宙(节选)”。“旅行”形象直观，黑洞表明了阐述的对象．它既是一篇学术论文.，又是一篇科技小品．作者把深奥难懂的科学道理讲得浅显易懂，把黑洞的来龙去脉分析得头头是道，给人以丰富的天体知识，是不屈的霍金冲刺宇宙学、冲刺命运的杰作．本文深入浅出，有着严密的逻辑性，具有震憾人心的力量；说明方法灵活多样，值得好好学习．

二、教师范读前四段，提问：

①作者采用“稍微轻率的语气”表达了什么观点？

   　[提示：勾画1—3段的关键语句，而后整合。]

   “现在黑洞已在事实上被说成是科学的现实，而非科学的幻想。”

   ……预言黑洞必然存在的。

   “科学幻想家他们为你描述如果你真的掉到一颗黑洞中去将会发生什么。” “我要非常遗憾地告诉未来的星系旅行家们，这个场景是行不通的。” 

   总结：黑洞确实存在，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？

明确：从结构上看，本文为过渡段，承上启下，承接上文有关话题及自己的见解，再次明确自己的结论来源．既然如此明确，势必引起别人的兴趣及疑问，便自然过渡到下文，剖析黑洞理论。

③为了讲清黑洞的形成原理，作者涉及了哪些理论？

学生带着问题自主浏览其余各段，明确：

约翰·米歇尔的引力对光线的不自洽理论 　黑洞存在的可能性

   　　→广义相对论下的引力光线效应之自洽理论 　黑洞的形成、白洞（爱因斯坦） 

  　　 —→ 量子力学的不确定性原理 （逃逸——婴儿宇宙）

④作者是怎样运用这些理论来说明黑洞形成的原理的．

⑤什么是黑洞？讨论这个问题时教师可根据学生情况从以下两法中任选一种;

⑴让学生在现有的一些论述的基础上,说出自己体会到的黑洞,例:

所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。

    “黑洞”原来是超强磁场

黑洞是一个空间——时间区域，它的最外围是光所能从黑洞向外到达的最远距离，这个边界称为“事件视界”。它如同一个单向的膜，只允许物质穿过视界并落到黑洞里去，但没有任何物质能够从里面出来！

黑洞即演变到最后阶段的恒星,由中子星进一步收缩而成.霍金的研究表明存在着黑洞辐射.

⑵由学生表情朗读一篇知识短文《黑洞》,同时配以一首适宜的New Age Music轻音乐(例日本新世纪音乐家喜多郎(KITARO) 的专辑《天界》(Astral Voyage)中的乐曲).学生听完后展开讨论.

三、作文

Ⅰ、想像作文:虽然霍金认为“目前行不通”但我们不妨可以先“神游”一回,请同学们运用逆向思维,发挥想像,写一篇“假如我去黑洞旅行”或“我的黑洞之行”的文章.

Ⅱ、联想作文:自然界有“黑洞”,社会生活中有没有比喻意义上的“黑洞”呢？答案无疑是有的(可用媒体有关这方面的报导和席慕蓉的诗《夏夜的传说》中的有关诗句进行启发),请以《我身边的黑洞》为题写一篇作文.

（以上两个作文题可由学生任选其一,若当堂完成不了可留作第二课时开始时的作业,并在完成后当堂展读。）

附录:附录一  黑洞

　　“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。　　根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。　　等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。　　那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。　　我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。　　质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。　　这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。　　与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。　　在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。　　更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！　　“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。

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附录二.  黑洞之行写作前的启发

黑洞

      学习自然科学时，你是否曾经感觉到其中的知识太多了？无论你多么努力地学习一些自然科学概念，你是否曾经放弃过，并说你的大脑已经装不下这些知识？如果你有这些经历，也许你想到太空中的一个比宇宙上的任何地方或者任何人都浓厚的地方旅行，这个地方就叫做黑洞。      在去之前，你也许想准确了解你要去的地方，换句话说，什么是黑洞？黑洞曾经被称为冻结的星球，基本上也是冻结的星球。恒星是一个巨大的熔炉，即使是太阳这个相对较小的恒星也是惊人地巨大，具有强大的重力，所以能够吸引着它的行星绕着自己旋转，而不是像行星弹球似的杂乱无章地摆在太空中。      恒星的重力被其核心的能量所产生的向外的推力平衡掉，这种推力保持炽热的球体不会崩溃。当某些恒星的能量消失或者冻结时，可能会没有力往外推恒星内部的物质，重力产生的拉力便接管了恒星，将其压缩成一个极其浓厚的、微小的物体，就好象是地球上最大的山峰珠穆朗玛峰被压缩成一个弹子大小的物体，但是其质量并没有减小。其密度用大写的D表示。从其中心开始便称作黑洞，黑洞的拉力是如此地强大，以至于无论什么物体的运动速度都不能快到可以摆脱黑洞的重力场，光线也无法逃出。我们先不学习有关黑洞的知识，首先到超浓厚的世界——黑洞进行一次旅行，我们将乘坐火箭从地球起飞。    准备好了吗？    摆脱地球重力的牵引非常简单，只需要达到每秒11.2千米的速度，这个速度叫做逃逸速度。摆脱了地球重力，你的头便朝向银河系的中心，天文学家认为这里有比太阳重一百万倍的黑洞存在。由于黑洞的拉力，你在远离目的地的地方关闭了火箭并漂了进去。在到达远方黑色圆圈的时候，你看到一束奇怪的光。这道光是一条边界线：一道弯曲的围绕黑色核心周围的光。这就是天文学家称作的视界，它是黑洞重力最远的一道边。光在边界线终止的原因是它的速度不够快，摆脱不了黑洞重力产生的拉力。奇怪地是，当你到达地平线的时候，它像所有的地平线一样，看上去好象是静止的。然而，你所看到的光仍然以每秒30万千米的速度运动，却到达不了任何地方。    随便说一下，如果你地球上的伙伴们正在观看你的旅行，那么一旦你穿过了地平线，他们将会看不到你，你从太空飞船发出的任意广播信号都摆脱不了黑洞。所以，相对于地球上的人，你已经消失了。    穿过了视界之后，你感觉到来自黑洞的潮水般的拉力，这种拉力类似于在地球上移动大海的能量。由于你的脚比头部更接近于黑洞，你将很快就感觉到你正在像一块太妃糖一样被拉伸，身体中的每一个原子也正在被拉开。    不幸地是，你现在的前进速度太快了，以至于没有时间看到下面的情形。地平线外面的所有物体都被保持在黑洞重力场内部的、弯曲的光弯成奇怪的形状。现在速度更快了，你接触黑洞的时间只还剩下几秒钟。你感觉到重力拉你的时候，就好象牙膏从管里被挤出来一样。还记得过山车落下时的感觉吗？你的腿朝向地球的时候，头部好象静止在天空中？这就像坐过山车，而且比过山车快无穷倍。你玩得还开心吗？那是什么？你想回去吗？你宁愿阅读有关黑洞的知识，而不愿意亲自来到黑洞？这就是个问题了。你知道，即使你的太空飞船达到每小时4万千米的地球逃逸速度没有问题，也没有办法达到每秒钟30万千米的光速离开黑洞。实际上，飞船的速度还必须要大于这个速度，因为即使是光都不能摆脱黑洞的拉力，而且超过光速是不可能的。可能在登上飞船之前，向霍金先生询问有关此次旅行的更多的知识还是明智的。

附录三:  席慕蓉的诗《夏夜的传说》中的一段：

星空中有深不可测的黑洞

吞食尽周遭所有的生命并且

使空间变形

岁月里也有着黑暗的角落

逐日逐夜

在吞食着我们曾经那样渴望

并且相信会拥有的幸福与快乐