《膨胀的宇宙》教案

                                        斯蒂芬·霍金

教学目标：
（一）知识目标
1、了解《时间简史》的概况
2、了解宇宙科学的相关理论
（二）能力目标
1、理解霍金对时间本质的看法
2、理解宇宙膨胀论
教学重点：
1、分析霍金的宇宙膨胀论
教学难点：
1、分析霍金的宇宙膨胀论
教学设计：
学习目标、内容、考试、要求由教师讲解，分析内容和手法采取提问和讲授相结合办法。
教学手段： 多媒体教学

 

1、 导语

    躺在草地上仰望星空，不禁心驰神往、遐思万里：这天空，这宇宙，多么深邃，多么奇妙！它究竟是什么样子的，又是怎么来的？它有多大？它有起始吗？有终极吗？空间是平坦的吗？空间有方向吗？人们常说我们现在的宇宙是一百多亿年前的宇宙大爆炸形成的。那么今天我们就来看看斯蒂芬·霍金的这篇《膨胀的宇宙》，了解一下宇宙膨胀说。

2、宇宙膨胀说

现在的宇宙，据说是150亿年前发生的“创世大爆炸”造成的。“创世大爆炸”理论认为，宇宙最初是由一个体积之小、能量和质量密度之大均难以想象的“粒子”突然爆炸，扩展开来，向 四处喷发出放射线，后来凝固成质点，经过150亿年的发展变化而成了现在这个样子。

比利时天文学家乔治·埃杜伍德·莱美卓的说法更为形象，他在1927年提出：宇宙是从一个发生剧烈爆炸的“宇宙蛋”开始的，今天在不断膨胀的宇宙是由“宇宙蛋”爆炸产生的。

一九二九年，美国天文学家哈勃根据“所有星云都在彼此互相远离，而且离得越远，离去的速度越快”这样一个天文观测结果，得出结论认为：整个宇宙在不断膨胀，星系彼此之间的分离运动也是膨胀的一部份，而不是由于任何斥力的作用。

其后的宇宙膨胀学说提出：我们可以假设宇宙是一个正在膨胀的气球，而星系是气球表面上的点，我们就住在这些点上。我们还可以假设星系不会离开气球的表面，只能沿着表面移动而不能进入气球内部或向外运动……如果宇宙不断膨胀，也就是说，气球的表面不断地向外膨胀，则表面上的每个点彼此离得越来越远，其中某一点上的某个人将会看到其他所有的点都在退行，而且离得越远的点退行速度越快。

3、作家小传

斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking），英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授，当代最重要的广义相对论和宇宙论家，是当今享有国际盛誉的伟人之一，被称为在世的最伟大的科学家，还被称为“宇宙之王”。70年代他与彭罗斯一起证明了著名的奇性定理，为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。

霍金1942年1月8号出生于英国的牛津，而300年前的1月8号，恰好是伽利略逝世的那一天。霍金在牛津大学毕业后，到英国剑桥大学读研究生。1962年春天的一个下午，他忽然发现自己连系鞋带都很困难。经过医生的诊断，他得了肌萎缩性侧索硬化症。霍金开始时非常沮丧，同患了绝症的其他人一样，借酒消愁。很快，霍金就从这种状态中摆脱出来，对宇宙命运的关注使他忘记了自己还有多少时光。到20世纪70年代初，霍金的双手已基本瘫痪，他不能画图，也不能书写算式。于是他自创了一种研究方法，用思维来画图与计算。他将公式想象为各种图形，在他的思维世界里，通过图形的变化来代替用笔来计算。这种独特的思维方式帮助他发现了黑洞的性质：黑洞的表面积永远不会缩小。不久，他又发现，黑洞并不完全是“黑”的，黑洞的巨大引力能把宇宙中的粒子对（分别带有负能量和正能量的粒子）中的那个带负能量的粒子吸入黑洞，使黑洞的质量减小；而另一个以辐射的形式向外逃逸，从而被外部的观测者发现。这就是黑洞辐射的机制。黑洞辐射的发现具有极其基本的意义，它将引力、量子力学和统计力学统一在一起。

4、《时间简史》

《时间简史》是由英国伟大的物理学家、黑洞理论和“大爆炸”理论的创立人斯蒂芬·威廉·霍金撰写的一本有关宇宙学的经典著作，是一部关于探索时间本质和宇宙最前沿的科普读物，是霍金将高深的理论物理通俗化的科普范本，它改变了人类对宇宙的观念。作者想象丰富，构思奇妙，语言优美，为读者展示了世界之外，未来之变的神奇和美妙。

在这部书中，霍金带领读者遨游外层空间奇异领域，对遥远星系、黑洞、夸克、“带味”粒子和“自旋”粒子、反物质、“时间箭头”等进行了深入浅出的介绍，并对宇宙是什么样的、空间和时间以及相对论等古老问题做了阐述，使读者初步了解狭义相对论以及时间、宇宙的起源等宇宙学的奥妙。

　　《时间简史》自1988年首版以来，已成为全球科学著作的里程碑。它被翻译成40种文字，销售了近1000万册，成为国际出版史上的奇观。该书内容是关于宇宙本性的最前沿知识，但是从那以后无论在微观还是宏观宇宙世界的观测技术方面都有了非凡的进展。这些观测证实了霍金在该书第一版中的许多理论预言，其中包括宇宙背景探险者(COBE)的最新发现，它在时间上回溯探测到离宇宙创生的30万年之内，显露了霍金超人的时空感知能力。

5、课文分析

    本节选自斯蒂芬·霍金的《时间简史》第三章，主要介绍的是宇宙的膨胀。静态的宇宙在引力的影响下会很快开始收缩。然而现在假定宇宙正在膨胀，如果它膨胀得相当慢，引力会使之最终停止膨胀，然后开始收缩。但是，如果它膨胀得比某一临界速率更快，引力则永远不足够强而使其膨胀停止，宇宙就永远继续膨胀下去。

6、思考题

1、请思考宇宙膨胀的原因。

2、请谈谈霍金的宇宙膨胀理论对你的启示。