《膨脹的宇宙》教案

                                        斯蒂芬·霍金

教學(xué)目標(biāo)：
（一）知識(shí)目標(biāo)
1、了解《時(shí)間簡(jiǎn)史》的概況
2、了解宇宙科學(xué)的相關(guān)理論
（二）能力目標(biāo)
1、理解霍金對(duì)時(shí)間本質(zhì)的看法
2、理解宇宙膨脹論
教學(xué)重點(diǎn)：
1、分析霍金的宇宙膨脹論
教學(xué)難點(diǎn)：
1、分析霍金的宇宙膨脹論
教學(xué)設(shè)計(jì)：
學(xué)習(xí)目標(biāo)、內(nèi)容、考試、要求由教師講解，分析內(nèi)容和手法采取提問和講授相結(jié)合辦法。
教學(xué)手段： 多媒體教學(xué)

1、 導(dǎo)語(yǔ)

    躺在草地上仰望星空，不禁心馳神往、遐思萬(wàn)里：這天空，這宇宙，多么深邃，多么奇妙！它究竟是什么樣子的，又是怎么來(lái)的？它有多大？它有起始嗎？有終極嗎？空間是平坦的嗎？空間有方向嗎？人們常說(shuō)我們現(xiàn)在的宇宙是一百多億年前的宇宙大爆炸形成的。那么今天我們就來(lái)看看斯蒂芬·霍金的這篇《膨脹的宇宙》，了解一下宇宙膨脹說(shuō)。

2、宇宙膨脹說(shuō)

現(xiàn)在的宇宙，據(jù)說(shuō)是150億年前發(fā)生的“創(chuàng)世大爆炸”造成的。“創(chuàng)世大爆炸”理論認(rèn)為，宇宙最初是由一個(gè)體積之小、能量和質(zhì)量密度之大均難以想象的“粒子”突然爆炸，擴(kuò)展開來(lái)，向 四處噴發(fā)出放射線，后來(lái)凝固成質(zhì)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)150億年的發(fā)展變化而成了現(xiàn)在這個(gè)樣子。

比利時(shí)天文學(xué)家喬治·埃杜伍德·萊美卓的說(shuō)法更為形象，他在1927年提出：宇宙是從一個(gè)發(fā)生劇烈爆炸的“宇宙蛋”開始的，今天在不斷膨脹的宇宙是由“宇宙蛋”爆炸產(chǎn)生的。

一九二九年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃根據(jù)“所有星云都在彼此互相遠(yuǎn)離，而且離得越遠(yuǎn)，離去的速度越快”這樣一個(gè)天文觀測(cè)結(jié)果，得出結(jié)論認(rèn)為：整個(gè)宇宙在不斷膨脹，星系彼此之間的分離運(yùn)動(dòng)也是膨脹的一部份，而不是由于任何斥力的作用。

其后的宇宙膨脹學(xué)說(shuō)提出：我們可以假設(shè)宇宙是一個(gè)正在膨脹的氣球，而星系是氣球表面上的點(diǎn)，我們就住在這些點(diǎn)上。我們還可以假設(shè)星系不會(huì)離開氣球的表面，只能沿著表面移動(dòng)而不能進(jìn)入氣球內(nèi)部或向外運(yùn)動(dòng)……如果宇宙不斷膨脹，也就是說(shuō)，氣球的表面不斷地向外膨脹，則表面上的每個(gè)點(diǎn)彼此離得越來(lái)越遠(yuǎn)，其中某一點(diǎn)上的某個(gè)人將會(huì)看到其他所有的點(diǎn)都在退行，而且離得越遠(yuǎn)的點(diǎn)退行速度越快。

3、作家小傳

斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking），英國(guó)劍橋大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)及理論物理學(xué)系教授，當(dāng)代最重要的廣義相對(duì)論和宇宙論家，是當(dāng)今享有國(guó)際盛譽(yù)的偉人之一，被稱為在世的最偉大的科學(xué)家，還被稱為“宇宙之王”。70年代他與彭羅斯一起證明了著名的奇性定理，為此他們共同獲得了1988年的沃爾夫物理獎(jiǎng)。他因此被譽(yù)為繼愛因斯坦之后世界上最著名的科學(xué)思想家和最杰出的理論物理學(xué)家。

霍金1942年1月8號(hào)出生于英國(guó)的牛津，而300年前的1月8號(hào)，恰好是伽利略逝世的那一天?；艚鹪谂＝虼髮W(xué)畢業(yè)后，到英國(guó)劍橋大學(xué)讀研究生。1962年春天的一個(gè)下午，他忽然發(fā)現(xiàn)自己連系鞋帶都很困難。經(jīng)過(guò)醫(yī)生的診斷，他得了肌萎縮性側(cè)索硬化癥?；艚痖_始時(shí)非常沮喪，同患了絕癥的其他人一樣，借酒消愁。很快，霍金就從這種狀態(tài)中擺脫出來(lái)，對(duì)宇宙命運(yùn)的關(guān)注使他忘記了自己還有多少時(shí)光。到20世紀(jì)70年代初，霍金的雙手已基本癱瘓，他不能畫圖，也不能書寫算式。于是他自創(chuàng)了一種研究方法，用思維來(lái)畫圖與計(jì)算。他將公式想象為各種圖形，在他的思維世界里，通過(guò)圖形的變化來(lái)代替用筆來(lái)計(jì)算。這種獨(dú)特的思維方式幫助他發(fā)現(xiàn)了黑洞的性質(zhì)：黑洞的表面積永遠(yuǎn)不會(huì)縮小。不久，他又發(fā)現(xiàn)，黑洞并不完全是“黑”的，黑洞的巨大引力能把宇宙中的粒子對(duì)（分別帶有負(fù)能量和正能量的粒子）中的那個(gè)帶負(fù)能量的粒子吸入黑洞，使黑洞的質(zhì)量減小；而另一個(gè)以輻射的形式向外逃逸，從而被外部的觀測(cè)者發(fā)現(xiàn)。這就是黑洞輻射的機(jī)制。黑洞輻射的發(fā)現(xiàn)具有極其基本的意義，它將引力、量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)統(tǒng)一在一起。

4、《時(shí)間簡(jiǎn)史》

《時(shí)間簡(jiǎn)史》是由英國(guó)偉大的物理學(xué)家、黑洞理論和“大爆炸”理論的創(chuàng)立人斯蒂芬·威廉·霍金撰寫的一本有關(guān)宇宙學(xué)的經(jīng)典著作，是一部關(guān)于探索時(shí)間本質(zhì)和宇宙最前沿的科普讀物，是霍金將高深的理論物理通俗化的科普范本，它改變了人類對(duì)宇宙的觀念。作者想象豐富，構(gòu)思奇妙，語(yǔ)言優(yōu)美，為讀者展示了世界之外，未來(lái)之變的神奇和美妙。

在這部書中，霍金帶領(lǐng)讀者遨游外層空間奇異領(lǐng)域，對(duì)遙遠(yuǎn)星系、黑洞、夸克、“帶味”粒子和“自旋”粒子、反物質(zhì)、“時(shí)間箭頭”等進(jìn)行了深入淺出的介紹，并對(duì)宇宙是什么樣的、空間和時(shí)間以及相對(duì)論等古老問題做了闡述，使讀者初步了解狹義相對(duì)論以及時(shí)間、宇宙的起源等宇宙學(xué)的奧妙。

　　《時(shí)間簡(jiǎn)史》自1988年首版以來(lái)，已成為全球科學(xué)著作的里程碑。它被翻譯成40種文字，銷售了近1000萬(wàn)冊(cè)，成為國(guó)際出版史上的奇觀。該書內(nèi)容是關(guān)于宇宙本性的最前沿知識(shí)，但是從那以后無(wú)論在微觀還是宏觀宇宙世界的觀測(cè)技術(shù)方面都有了非凡的進(jìn)展。這些觀測(cè)證實(shí)了霍金在該書第一版中的許多理論預(yù)言，其中包括宇宙背景探險(xiǎn)者(COBE)的最新發(fā)現(xiàn)，它在時(shí)間上回溯探測(cè)到離宇宙創(chuàng)生的30萬(wàn)年之內(nèi)，顯露了霍金超人的時(shí)空感知能力。

5、課文分析

    本節(jié)選自斯蒂芬·霍金的《時(shí)間簡(jiǎn)史》第三章，主要介紹的是宇宙的膨脹。靜態(tài)的宇宙在引力的影響下會(huì)很快開始收縮。然而現(xiàn)在假定宇宙正在膨脹，如果它膨脹得相當(dāng)慢，引力會(huì)使之最終停止膨脹，然后開始收縮。但是，如果它膨脹得比某一臨界速率更快，引力則永遠(yuǎn)不足夠強(qiáng)而使其膨脹停止，宇宙就永遠(yuǎn)繼續(xù)膨脹下去。

6、思考題

1、請(qǐng)思考宇宙膨脹的原因。

2、請(qǐng)談?wù)劵艚鸬挠钪媾蛎浝碚搶?duì)你的啟示。