8　粒子和宇宙第二课时教学设计

第十九章

原子核

8 粒子和宇宙

一、核心素养

（一）物理观念

1.了解恒星的演化；

2.了解黑洞的形成；

3.了解黑洞的观测及拍照方法；

4.了解给黑洞拍照的科学意义。

（二）科学思维

1.通过对恒星演化过程的了解，培养学生科学研究方法和思维过程；

2.通过对黑洞知识的了解，培养学生提出问题、解决问题的能力；

3.通过课外与同学之间的交流，以及在科普书籍、杂志和互联网上查找相关资料，激发学习的兴趣，提高团结协作和语言表达的能力。

（三）科学态度与责任

1.通过人类探寻恒星演化的过程，培养他们尊重历史、尊重科学、献身科学的思想和情感，从而树立正确的世界观、物质观；

2.通过了解我国科学家在黑洞研究中的贡献，培养学生的爱国主义情感、民族自豪感和使命感；

3.通过了解黑洞的形成过程，让学生明白黑洞所涉及的问题对整个物理学和人类的认识都有深远的意义；

4.学生在学习中了解、感受科学发展过程中蕴藏着的科学和人文精神。

二、学情分析和教材分析

1.学情分析

学生对粒子和宇宙有一定的认识，知道原子结构、宇宙的演化、恒星的演化，但是对恒星演化后的白矮星、中子星、黑洞没有更深层次的了解，在理解能力上有待培养。学生对黑洞的认识是神秘而期待的。学生在“高中物理•人教版•必修二•第六章万有引力与航天•第5节宇宙航行•科学漫步：黑洞”中已经进行了阅读，介绍了黑洞概念的起源、人们对它的种种推测、几代科学家对于黑洞的理论研究，并明确指出在黑洞问题上经典力学不适用。

2.教材分析

在高中物理教学的体系中，本节内容的突出特点是：知识内容较少，但包含着的科学史料十分丰富。因此，本课的教学设计应立足于学生的科学精神的培养。让学生在科学家关于黑洞问题的研究历史中，感悟科学家求真、求简的研究思想和献身于科学的精神。由于教科书给出的史料较为简单，因此让学生在课前自行阅读教科书并查找相关材料是十分必要的，同时也对提高学生获取资料、分析资料的能力起到较好的效果；在交流各自获得的资料后，让学生提出自己的问题并择要进行分析讨论，则对学生质疑能力的培养会起到较好的效果。让学生自行归纳教科书内容、介绍课外获得的材料，并提出相应的问题。教师的主要作用在于引导，并对学生获得的材料及提出的问题进行合理的筛选和补充，在尊重学生的主体地位的基础上发挥教师的主导作用。

三、设计意图

使学生认识到恒星与其他事物一样，也有发生、成长与消亡的过程。通过本节的教学，让学生知道现代物理前言，了解人类对宇宙的认识是不断深入的。物理学家们期望能从黑洞

研究中得到来自宇宙远方的信息。科学探索是永远没有尽头的，人类对真理的追求也是永无止境的。随着科学技术的不断进步，对黑洞的研究必然会踏上更高的台阶，不断加深人们对自然界物质的本质的认识。

目的是给学生打开一扇窗口，引导学生向窗外的世界望一望，开阔眼界，启迪思维，加深对本节知识的理解。当代著名宇宙学家霍金自问道：“为什么人们要研究黑洞呢？因为它就在那里。”这些都是科学大师对科学不懈追求的动力的解释，是他们朴实的科学价值观的体现，对学生科学价值观的形成起到一定的作用。

四、重点和难点

1.重点：

（1）黑洞的形成；

（2）黑洞的拍照方法

（3）给黑洞拍照的科学意义

2.难点：

（1）黑洞的拍照方法

（2）给黑洞拍照的科学意义

五、教学过程

（一）引入新课

【教师】：我们上节课学习了《粒子和宇宙》，初步了解了粒子物理学的基础知识和宇宙的演化，本节课继续学习恒星的演化。上节课结束时，我给同学们留了一项作业：要进一步了解恒星的演化及恒星最后的归宿等天体物理学知识，同学们可在科普书籍、杂志和互联网上查找。下面请同学们回答一下：恒星最后的归宿是什么？

【学生活动】：这与恒星的质量大小有关。天体物理的研究表明，如果恒星的质量大致介于1~8倍太阳质量之间，它会演变为白矮星，即体积很小，但质量不太小的恒星。如果恒星的质量是太阳质量的约10~20倍，更强大的压力使得原子被“压碎”，电子和质子被压在一起，整个恒星成为中子组成的天体，叫做中子星。当恒星的质量更大时，其内部的任何物质都无法抵抗巨大引力产生的压力，物质被“压”成了更为神奇的天体---黑洞。

【教师】：恒星最后的归宿演变为白矮星、中子星和黑洞，本节课我们即将学习到“神秘”的黑洞。本节课我将从六个方面给大家讲解：1.黑洞的样子；2.黑洞的形成；3.如何“看到”黑洞；4.如何给黑洞拍照；5.给黑洞拍照的意义；6.如果掉到黑洞里会发生什么？本节课的重点是第2点、第4点以及第5点。

（二）新课教学

1.黑洞的样子

【教师】：我们来看一下，黑洞的样子，首先我们来欣赏一下科幻电影中的黑洞（视频

播放）

【教师】：通过视频播放，我们了解了人类形象中黑洞的形象，那么真正的黑洞是什么样子的呢？今年4月10日21时许，全球六地（布鲁塞尔、圣地亚哥，上海、台北、东京、华盛顿）同时发布了人类首张黑洞照片。该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。这是一场堪称史无前例黑洞“摄猎”！这是事件视界望远镜国际合作项目于2017年观测，历时近2年时间分析产生的重大科学成果，共有两百多名科学家、工程师和技术人员参与其中，调动了散布于全球的多个天文台的力量。这是人类空间探索史上的里程碑事件。我们是多么幸运，成为了见证首张黑洞照片诞生的第一批人类！

2.黑洞的形成

【教师】：既然我们已经知道黑洞的样子了，那么，黑洞是怎样形成的呢？

【教师】：黑洞是个什么“洞”？严格来讲，黑洞并不是个“洞”，而是宇宙空间内存在的一种特殊天体。它像个“无底洞”，会把周围任何物质都吸进去，连光也无法逃脱。黑洞无法直接观测，但能借由吸积盘、喷流现象等间接方式得知其存在。

【教师】：黑洞最初其实是一颗衰老的巨大恒星，有资格成为黑洞的恒星，质量要达到太阳的数十倍以上，恒星发光发热靠的是内部的核聚变，但恒星中心的“燃料”毕竟有限，也会消耗，恒星内部能量不足，无法支撑起外壳的重量，在外壳重压之下，恒星内核开始塌缩，最终，所有物质缩成一个体积接近无限小，而密度超大的点，这便是奇点，奇点质量极大体积极小，会形成强大引力场（看起来像一个黑色的“势力范围”），吸收周围物质，就连光也会被吸进去，这个“势力范围”就被称作黑洞的半径或事件视界。

【教师】：我们如何求解出黑洞的半径呢？上节课我已经让同学利用已学习过的知识，通过上网等方式求解出黑洞的半径，下面请同学们把你们求解的结果给大家展示一下。

【学生活动】：我们组研究的问题是：黑洞的半径，通过查阅资料知道了什么是黑洞的半径，以及引力势能的表达式，通过建立模型、推导求解出黑洞的半径，如右图所示。我们小组，求解出黑洞的半径公式以后，查阅地球的质量和太阳的质量，如果地球或者太阳成为黑洞的话，它们半径将缩小到8.84mm和2.948km，我们试想一下，如果地球缩小到8.84mm，我们的生活将会发生怎样的变化呢？

【教师】：本小组的同学不仅很好的完成了查阅和求解，还给我们提出了一个很有趣的问题。但是此小组的同学是通过经典力学求解出来的。实际上，德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）针对广义相对论方程，求出了关于球状物质分布的解，此解的一个结果是可能存在黑洞。

【教师】：1916年卡尔·史瓦西首次发现了史瓦西半径的存在，他发现这个半径是一个球状对称、不自转的物体的重力场的精确解。经典力学的求解过程并非严格推导过程，结论的正确仅仅是一种巧合。他发现一个物体的史瓦西半径与其质量成正比。太阳的史瓦西半径约为3千米，地球的史瓦西半径只有约9毫米。物体的实际半径小于其史瓦西半径的物体被称为黑洞。在不自转的黑洞上，史瓦西半径所形成的球面组成一个视界（仅对于不自转的黑洞，自转的黑洞的情况稍许不同）。光和粒子均无法逃离这个球面。

播放视频：黑洞的形成。让学生明白黑洞所涉及的问题对整个物理学和人类的认识都有深远的意义

3.如何“看”到黑洞

【教师】：至此，黑洞已经诞生。刚诞生的“婴儿黑洞”如饥似渴，开始将体积较小的恒星的气体撕扯到自己身边。这些气体在被黑洞吞噬前，会在事件视界外形成一个环状圆盘，成为吸积盘，它是科学家定位黑洞的重要依据。当吸积气体过多时，一部分气体会沿着磁场运动，高速喷射强能量物质，这就是喷流，它促进新恒星形成，也能调节星系演化。

播放视频：黑洞的吸积盘和喷流。以视频的方式加深学生对如何“看”到黑洞有更深层次的理解。

4.如何给黑洞拍照

【教师】：既然我们能够通过吸积盘和喷流来定位和“看”到黑洞，那么，我们是不是可以给黑洞拍照了呢？其实不然。以银河系中心黑洞Sgr A*（人马座A）为例，地球与这个黑洞的距离达到了约25000光年（约24亿亿公里）！给Sgr A*黑洞拍照，相当于在地球上拍摄一只放在月球上的橙子，难度可想而知。但这种事难不倒科学家们，他们提出了“事件视界望远镜（EHT）”计划，来对黑洞展开观测。事件视界望远镜（EHT）是分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列，这8个望远镜在全球组成一个虚拟望远镜网络。科学家们在同一时间，利用不同地方的望远镜进行联合观测，其有效口径尺寸可达到地球直径大小。要给黑洞拍照，8个望远镜需能同时观测到黑洞，每年，科学家的观测窗口期只有10天左右。最后，大型计算机集群对数据进行分析、合并，花费近两年时间，“洗出”黑洞的照片。

播放视频：事件视界望远镜（EHT）。让学生清晰的认识到科学家的伟大和人类的智慧。

5.给黑洞拍照的意义

【教师】：我们为什么要给黑洞拍照呢？给黑洞拍照的意义又是什么呢？其实，有三个目标：

（1）验证广义相对论（爱因斯坦笑了）

广义相对论预言了黑洞“暗影”的存在、尺寸和形状。如果观测结果与预言相符，就验证了广义相对论；如果不一样，说明有一些新的方面需要改进。

（2）理解黑洞是如何“吃东西”的

黑洞的“暗影”区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域，综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息，能更好的重构黑洞“吃东西”的物理过程

（3）理解喷流的产生和方向

某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前，会由于磁场的作用，沿着黑洞的转动方向被喷出去。以前收集的信息多是更大尺度上的，却没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么，现在对黑洞暗影的拍摄，就能助科学家一臂之力。

播放视频：给黑洞拍照的意义。培养他们尊重历史、尊重科学、献身科学的思想和情感，从而树立正确的世界观、物质观。

6.如果掉到黑洞里会发生什么

【教师】：至此，我们知道了黑洞的形成、如何给黑洞拍照以及给黑洞拍照的意义，现在回想一下刚才那一小组提出的问题：我们试想一下，如果地球缩小到8.84mm，我们的生活将会发生怎样的变化呢？也就是说，如果我们掉进黑洞里会发生什么？

【学生活动】：我们小组研究的问题是：如果掉进黑洞会发生什么？

通过上网，查阅相关资料，如果我们真的能靠近黑洞，我们在靠近黑洞的时候，会处于一个“自由落体”得状态，我们会有失重的感觉。

如果我们真的掉进黑洞，我们的头部所收到的引力与你脚部所遭到的引力是不同的。而且当我们越接近黑洞的中心时，引力差效应就会越大，然后我们很能够会在宏大引力差的作用被拉伸成一条比头发丝还要细的细线。最终，我们将会化爲一缕烟飘走。就像这幅图片一样。

还可能会出现其他的情况，简单的说，当一个人站在视界边缘，一脚跨过视界，被黑洞吸进入，假设这个人在被吸入黑洞后不停地手舞足蹈、做鬼脸，但是由于黑洞密度太大，导致引力太强，强到连光线也无法逃脱，结果就是这个人在被吸入黑洞后，无论做什么，都无法被视界外的人看到。

我们在穿越一个黑洞边界的时候，在这个时候如果能够做到运动速度跟光速相等的话，就可以能够逃离。所有的引力场都会有一个脱离速度，打个比方来说，在地球上，火箭能够进入太空，就是脱离了引力场的速度。如果说我们来到黑洞的边界，想要逃离黑洞的话，我们就必须跑得比光速还要快，但是这是不可能的事情。

当我们从黑洞里面向外面看的时候，黑洞外面的时间会变得非常非常的快，在你通过视界的那一刻，理论上你是可以看到宇宙的迅速发展，直到宇宙的末日或黑洞消亡这个变化才会停止。但是，实际上你是看不到这些景象的，因为进入黑洞的电磁波会发生“蓝移现象”。

播放视频：如果掉到黑洞里会发生什么？学生在学习中了解、感受科学发展过程中蕴

藏着的科学和人文精神。

7.总结

【教师】：今天咱们学习了黑洞，了解了黑洞的相关知识，知道了黑洞的形成、如何给黑洞拍照以及给黑洞拍照的意义。咱们确实非常幸运，成为了人类历史上也可能是太阳系历史上第一批亲眼见证黑洞真容的人，这是名副其实的亲历历史、见证历史。我期待大家通过自己的努力创造历史。

六、作业

要进一步了解白矮星、中子星等天体物理学知识，同学们可在科普书籍、杂志和互联网上查找。

七、板书设计

黑洞

1.黑洞的形成

2.如何给黑洞拍照

3.给黑洞拍照的意义

八、教学反思

本课的教学如果只采用讲授式教学就会变得十分乏味，学生则被教师的教学设计牵着鼻子走，失去应有的主体地位。教师的讲授往往也脱离了学生思考的问题，使教学效果大打折扣。让学生自己查找资料、分析资料，则可激发学生的兴趣、体验获得知识的乐趣，而学生自己提出的问题往往也会使教师有所启发，如：“如果地球或者太阳成为黑洞的话，它们半径将缩小到8.84mm和2.948km，我们试想一下，如果地球缩小到8.84mm，我们的生活将会发生怎样的变化呢？”但教师可能忽视这一问题的存在，而使得学生听课后仍不清楚这一问题的实质。本课的教学则抓住了这一要点，从而也使学生理解了给黑洞拍照的意义。

对学生科学精神的培养，必须通过对科学史料的掌握来实现，本课较好的解决了这一问题。关于黑洞的讲解教师没有必要讲的过多，更多应该强化物理分析，突出黑洞处理问题的科学思想方法。