《膨脹的宇宙》教案

《膨脹的宇宙》教案

斯蒂芬·霍金

教學目標： （一）知識目標1、了解《時間簡史》的概況2、了解宇宙科學的相關理論（二）能力目標1、理解霍金對時間本質的看法2、理解宇宙膨脹論教學重點：1、分析霍金的宇宙膨脹論教學難點：1、分析霍金的宇宙膨脹論教學設計：學習目標、內容、考試、要求由教師講解，分析內容和手法採取提問和講授相結合辦法。教學手段： 多媒體教學

1、導語

躺在草地上仰望星空，不禁心馳神往、遐思萬里：這天空，這宇宙，多麼深邃，多麼奇妙！它究竟是什麼樣子的，又是怎麼來的？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？人們常說我們現在的宇宙是一百多億年前的宇宙大爆炸形成的。那麼今天我們就來看看斯蒂芬·霍金的這篇《膨脹的宇宙》，了解一下宇宙膨脹說。

2、宇宙膨脹說

現在的宇宙，據說是150億年前發生的「創世大爆炸」造成的。「創世大爆炸」理論認為，宇宙最初是由一個體積之小、能量和質量密度之大均難以想像的「粒子」突然爆炸，擴展開來，向 四處噴發出放射線，後來凝固成質點，經過150億年的發展變化而成了現在這個樣子。

比利時天文學家喬治·埃杜伍德·萊美卓的說法更為形象，他在1927年提出：宇宙是從一個發生劇烈爆炸的「宇宙蛋」開始的，今天在不斷膨脹的宇宙是由「宇宙蛋」爆炸產生的。

一九二九年，美國天文學家哈勃根據「所有星雲都在彼此互相遠離，而且離得越遠，離去的速度越快」這樣一個天文觀測結果，得出結論認為：整個宇宙在不斷膨脹，星系彼此之間的分離運動也是膨脹的一部份，而不是由於任何斥力的作用。

其後的宇宙膨脹學說提出：我們可以假設宇宙是一個正在膨脹的氣球，而星系是氣球表面上的點，我們就住在這些點上。我們還可以假設星系不會離開氣球的表面，只能沿著表面移動而不能進入氣球內部或向外運動……如果宇宙不斷膨脹，也就是說，氣球的表面不斷地向外膨脹，則表面上的每個點彼此離得越來越遠，其中某一點上的某個人將會看到其他所有的點都在退行，而且離得越遠的點退行速度越快。

3、作家小傳

斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking），英國劍橋大學應用數學及理論物理學系教授，當代最重要的廣義相對論和宇宙論家，是當今享有國際盛譽的偉人之一，被稱為在世的最偉大的科學家，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。他因此被譽為繼愛因斯坦之後世界上最著名的科學思想家和最傑出的理論物理學家。

霍金1942年1月8號出生於英國的牛津，而300年前的1月8號，恰好是伽利略逝世的那一天。霍金在牛津大學畢業後，到英國劍橋大學讀研究生。1962年春天的一個下午，他忽然發現自己連繫鞋帶都很困難。經過醫生的診斷，他得了肌萎縮性側索硬化症。霍金開始時非常沮喪，同患了絕症的其他人一樣，借酒消愁。很快，霍金就從這種狀態中擺脫出來，對宇宙命運的關注使他忘記了自己還有多少時光。到20世紀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。於是他自創了一種研究方法，用思維來畫圖與計算。他將公式想像為各種圖形，在他的思維世界裡，通過圖形的變化來代替用筆來計算。這種獨特的思維方式幫助他發現了黑洞的性質：黑洞的表面積永遠不會縮小。不久，他又發現，黑洞並不完全是「黑」的，黑洞的巨大引力能把宇宙中的粒子對（分別帶有負能量和正能量的粒子）中的那個帶負能量的粒子吸入黑洞，使黑洞的質量減小；而另一個以輻射的形式向外逃逸，從而被外部的觀測者發現。這就是黑洞輻射的機制。黑洞輻射的發現具有極其基本的意義，它將引力、量子力學和統計力學統一在一起。

4、《時間簡史》

《時間簡史》是由英國偉大的物理學家、黑洞理論和「大爆炸」理論的創立人斯蒂芬·威廉·霍金撰寫的一本有關宇宙學的經典著作，是一部關於探索時間本質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範本，它改變了人類對宇宙的觀念。作者想像豐富，構思奇妙，語言優美，為讀者展示了世界之外，未來之變的神奇和美妙。

在這部書中，霍金帶領讀者遨遊外層空間奇異領域，對遙遠星系、黑洞、夸克、「帶味」粒子和「自旋」粒子、反物質、「時間箭頭」等進行了深入淺出的介紹，並對宇宙是什麼樣的、空間和時間以及相對論等古老問題做了闡述，使讀者初步了解狹義相對論以及時間、宇宙的起源等宇宙學的奧妙。

　　《時間簡史》自1988年首版以來，已成為全球科學著作的里程碑。它被翻譯成40種文字，銷售了近1000萬冊，成為國際出版史上的奇觀。該書內容是關於宇宙本性的最前沿知識，但是從那以後無論在微觀還是宏觀宇宙世界的觀測技術方面都有了非凡的進展。這些觀測證實了霍金在該書第一版中的許多理論預言，其中包括宇宙背景探險者(COBE)的最新發現，它在時間上回溯探測到離宇宙創生的30萬年之內，顯露了霍金超人的時空感知能力。

5、課文分析

本節選自斯蒂芬·霍金的《時間簡史》第三章，主要介紹的是宇宙的膨脹。靜態的宇宙在引力的影響下會很快開始收縮。然而現在假定宇宙正在膨脹，如果它膨脹得相當慢，引力會使之最終停止膨脹，然後開始收縮。但是，如果它膨脹得比某一臨界速率更快，引力則永遠不足夠強而使其膨脹停止，宇宙就永遠繼續膨脹下去。

6、思考題

1、請思考宇宙膨脹的原因。

2、請談談霍金的宇宙膨脹理論對你的啟示。