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耕读渔樵闲话

古今多少事,都付笑谈中。

 
 
 

日志

 
 

《宇宙的未来》教案  

2010-08-26 12:28:00|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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《宇宙的未来》教案

    教学目标

    一、知识教育目标

    1.了解有关宇宙学的一些知识;

    2.了解演讲稿的一些特点。

    二、能力培养目标

    1.学习举办科普讲座,以提高讲座的科学性、规范性;

    2.通过和本单元前面的课文进行比较,提高比较阅读的能力。

    三、德育渗透目标

    通过本文的学习,激发学生对宇宙奥秘的探索热情。

    四、美育渗透目标

    引导学生体会这篇讲演幽默的语言风格,提高自己的思维和语言表达能力。

    重点、难点、疑点及解决办法

    重点:

    1.了解有关宇宙学的一些知识;

    2.了解演讲稿的一些特点。

    难点:

    1.学习举办科普讲座,以提高讲座的科学性、规范性;

    2.通过和本单元前面的课文进行比较,提高比较阅读的能力。

    课时安排

    1课时

    教学步骤

    一、明确目标

    1.了解有关宇宙学的一些知识;

    2.了解演讲稿的一些特点。

    3.通过和本单元前面的课文进行比较,提高比较阅读的能力。

    二、整体感知

    1.导入新课

    在当今世界的自然科学领域,能够和爱因斯坦比肩的人物恐怕应当首推史蒂芬·霍金了,他不但做出了辉煌的科学成就,其坚强的意志品质也深深地感染着我们,我们今天就来学习他的一篇演说辞《宇宙的未来》(板书课题)。

    仰望灿烂的星空,我们会肃然起敬,产生无穷无尽的联想和想像。从古到今,人们对于宇宙的猜测和探索从来也没有停止过。如屈原在《天问》里就发出了一系列的探问:“遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之?……九天之际,安放安属?隅隈多有,谁知其数?天何所沓?十二焉分?日月安属?列星安陈?出自汤谷,次于蒙汜,自明及晦,所行几里?”中国古代的宇宙学有浑天说、盖天说、宣夜说等,西方有日心说、地心说等。然而直到20世纪诞生现代宇宙学,人们对宇宙的认识才有了根本性的突破。本文作者是当代著名的理论物理学家,他以“宇宙的未来”这样玄而又玄的话题在剑桥大学作讲演,对我们认识宇宙有哪些启示呢?

    2.作者简介

    史蒂芬·霍金是继阿尔伯特·爱因斯坦之后最杰出的物理学家。霍金1942年出生于英国牛津,先后就读于牛津大学和剑桥大学,学习数学、物理学和宇宙学。1963年,霍金经诊断得了肌萎缩性侧索硬化症。这种病会引起肌肉萎缩,导致瘫痪;说话会越来越困难,直至完全丧失语言能力;患者通常因并发肺炎或窒息而死亡。不过,患者的思维能力包括记忆能力不受影响。医生告诉霍金他最多只能活两年。在经历了一段短暂的失望和沮丧后,霍金又开始了他的宇宙学研究。霍金后来在相对论、“大爆炸”和黑洞等领域取得了突出的研究成果。霍金1988年出版的宇宙学著作《时间简史:从大爆炸到黑洞》,是一部里程碑式的畅销书。霍金被确诊患病已三十多年,但他仍孜孜于宇宙起源的理论研究,仍在为大统一理论而耕耘不已。霍金现任剑桥大学卢卡斯数学教授,这也是牛顿爵士曾担任过的职位。

    三、重点、难点的学习与目标达成过程

    1.感知课文,明确本文的整体写作思路。

    在讲演的开头,作者就指出,预言将来是非常困难的,预言宇宙的将来尤其困难。虽然如此,科学家对此仍然满怀信心。

    课文第2段,作者却话题一转,考察起预言的历史。提及预言,人们会不由自主地想到古代的巫术。女巫用“毒药或火山溢出的气体”把自己“弄得精神恍惚”,不过是为了增加一点儿神秘色彩,“而真正的技巧在于解释”。近代宗教预言也是这样,不断用新的解释来掩饰预言的失败,如“首先要数出获救者名单”等。那么,科学家的预言是不是也像古代的预言家一样是一时的“骗术”呢?作者指出,“科学预言也许并不比那些巫师或预言家的更可靠些”,比如对天气预报、对“极端条件下物体的精确的定律”,以及对大脑的工作机制等,都还缺乏准确的判断。但是,“宇宙在非常大的尺度下的未来”,还是可以预言的。

    宇宙中的局部运动也许会出现混沌状态,但宇宙在大尺度上是可以预测的。宇宙正在高速膨胀,其他星系正在飞速离我们远去。宇宙微波背景辐射证明了宇宙的膨胀大体上“是平滑的而非混沌的”,因为如果宇宙的膨胀率和平均密度不均匀,来自宇宙各个方向的宇宙微波背景辐射温度就不会如此一致。“这表明,宇宙的行为在非常大尺度下是简单的,而不是混沌的。因此我们可以预言宇宙遥远的未来。”

    从目前的情况看,宇宙中星系之间的距离在增大,但是星系之间的引力吸引有可能降低膨胀率。“如果宇宙的密度大于某个临界值,引力吸引将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩。宇宙就会坍缩到一个大挤压。”“大挤压”和“大爆炸”前的状态相似,“具有无限密度”,“物理定律在这种状态下失效”。

    这样,预言宇宙的未来,“关键问题在于:平均密度是多少?如果它比临界值小,宇宙就将永远膨胀。但是如果它比临界值大,宇宙就会坍缩”。

    但是,计算宇宙的平均密度并不容易。把我们现在能看到的恒星质量加起来,还不到临界值的百分之一;即使加上“气体云的质量”,最多达到临界值的百分之一。但是,我们能不能据此得出宇宙将永远膨胀下去的结论呢?还不能。因为宇宙中还存在许多暗物质,这些暗物质我们肉眼看不见,不能直接观测到。黑洞就是这类暗物质,它是超大恒星死亡的产物。霍金对黑洞的解释是:“空间一时间的一个区域,因为那儿的引力是如此之强,以至于任何东西甚至光都不能从该处逃逸出来。”(见《时间简史》一书所附《小辞典》)我们虽然看不见黑洞的存在,但可以通过观察螺旋星系和星系团来判断它们的存在:能使大质量的星系或星系团绕之旋转的东西,其质量一定比这些星系和星系团大得多。

    作者指出,根据现在的观测研究,将这些暗物质估算在内,“仍然只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右”。于是有人择原理和暴涨理论为之说,前者假设有多个宇宙共存,而我们所能理解的只是身处其中的一个;后者认为宇宙可能采取一种非常规的方式突变,从一个微小的尺度很快达到临界状态。

    归根到底,宇宙的未来只有两种命运:继续膨胀,或可能收缩。这取决于宇宙现有的密度,所以,科学家在没有称算出宇宙的重量之前,不得不承认“宇宙实际上是处在刀锋上”,所以要继承巫师或预言家的传统:“两方下赌注,以保万无一失。”

    2.研读课文,讨论问题。

    (1)作者是怎样探讨“宇宙的未来”的?

    【明确】作者先从古代的巫术和近代的宗教预言谈起,引出话题,说明从科学的角度谈论宇宙的未来是非常严肃的事,科学有别于宗教的地方是它的求实精神。探讨宇宙是继续膨胀还是有可能收缩是这篇讲演的主体部分,计算宇宙的密度又是这一主体部分的关键,有关宇宙中物质密度临界值的探讨,则把问题引向深入。最后,介绍两种新的理论——人择原理和暴涨理论,则体现了科学界最新的探索。作者从可见物质谈到暗物质,从成熟的理论谈到科学的假说,把问题讲得透彻明白。最后没有做出一个明确的预言,恰恰说明了他严谨的科学态度。

    (2)怎样理解本文的一些相关论述? 

    【明确】这是一篇科学讲演,涉及较为复杂的背景知识。这些知识和讲演的主题是密切相关的,如果不作必要的交待,讲演的内容就会显得抽象和单薄。如,谈到天气预报、大脑工作原理都具有混沌性质,来反衬宇宙在大尺度上是“平滑而非混沌”的;如,谈到恒星的死亡(归宿)引出黑洞,为宇宙中暗物质的存在寻找理论支持;如,谈到现存宇宙对初始密度的极度敏感,引出了“人择原理”等等。这些相关的论述,或从对立面凸显观点,或从纵深面强化观点,使论证丰富多彩。

    (3)这篇讲演在语言上具有怎样的特点?

    【明确】讲演是面对面的交流,这种交流又是单向度的,如果不注意讲演的语言艺术,就达不到最佳的表达效果。这篇讲演,除了推理严谨外,语言幽默也是其突出的特点。幽默的语言创造出一种轻松愉快的气氛,更具有亲和力,使所阐发的事理更容易为听众接受。如,谈到轮赌盘的旋转具有混沌性质,作者说即使是物理学家也不能计算出它“出来的数字,否则的话,物理学家就会在赌场发财”,这就生动地说明了什么是混沌现象;如,文章最后一句话:“所以我正是继承那些巫师或预言者的良好传统,两方下赌注,以保万无一失。”兼有讽刺与幽默,对宇宙未来命运的判断采取了审慎态度。

    布置作业

    完成“研讨与练习一、二”。

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