《黑洞旅行》的教学设计
《黑洞旅行》的教学设计
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NewAgeMusic轻音乐（例日本新世纪音乐家喜多郎（KITARO）的专辑《天界》（AstralVoyage）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。