13 * 宇宙的未来优质公开课教案

《宇宙的未来》学案

学习目标：

⑴读懂课文，引导学生重点理解有关宇宙物质密度的论述。

⑵引导学生体会这篇讲演幽默的语言风格

⑶培养学生的分析能力、语言表达能力、搜集信息、整理信息的能力。

学习重点：

引导学生理清作者的说明线索，列出课文的结构提纲。

学习难点：

通过对课文的一些主要内容和观点展开讨论，提高学生探究问题的能力

学习过程：

一、作者简介

史蒂芬·霍金

(Stephen Hawking) 于1942年1月8日生于牛津，那一天刚好是伽利略逝世三百年。可能因为他出生在第二次世界大战的时代，所以小时候对模型特别着迷。他十几岁时不但喜欢做模型飞机和轮船，还和学友制作了很多不同种类的战争游戏，反映出他研究和操控事物的渴望。这种渴望驱使他攻读博士学位，并在黑洞和宇宙论的研究上获得重大成就。

霍金十三、四岁时已下定决心要从事物理学和天文学的研究。十七岁那年，他考到了自然科学的奖学金，顺利入读牛津大学。学士毕业后他转到剑桥大学攻读博士，研究宇宙学。不久他发现自己患上了会导致肌肉萎缩的卢伽雷病。由于医生对此病束手无策，起初他打算放弃从事研究的理想，但后来病情恶化的速度减慢了，他便重拾心情，排除万难，从挫折中站起来，勇敢地面对这次的不幸，继续醉心研究。

七十年代，他和彭罗斯证明了著名的奇性定理，并在1988年共同获得沃尔夫物理奖。他还证明了黑洞的面积不会随时间减少。1973年，他发现黑洞辐射的温度和其质量成反比，即黑洞会因为辐射而变小，但温度却会升高，最终会发生爆炸而消失。

八十年代，他开始研究量子宇宙论。这时他的行动已经出现问题，后来由于得了肺炎而接受穿气管手术，使他从此再不能说话。现在他全身瘫痪，要靠电动轮椅代替双脚，不但说话和写字要靠计算机和语言合成器帮忙，连阅读也要别人替他把每页纸摊平在桌上，让他驱动着轮椅逐页去看。

霍金一生贡献于理论物理学的研究，被誉为当今最杰出的科学家之一。他的著作包括《时间简史》及《黑洞与婴儿宇宙以及相关文章》。虽然大家都觉得他非常不幸，但他在科学上的成就却是在他在病发后获得的。他凭着坚毅不屈的意志，战胜了疾病，创造了一个奇迹，也证明了残疾并非成功的障碍。他对生命的热爱和对科学研究的热诚，是值得年轻一代学习的。

霍金曾三次来中国，1985年，霍金在北京师范大学进行科学讲演；2002年，霍金在北京国际会议中心发表演讲《膜的新奇世界》；2006年，霍金于6月15日和6月19日，分别在香港和北京演讲《宇宙的起源》。有记者问他是否曾因身体残障而感到沮丧，又怎么克服的？霍金说，“无论命运有多坏，人总应有所作为，有生命就有希望。”

二、写作背景

《黑洞、婴儿宇宙及其他》由霍金1976-1992年间所写文章和演讲稿共13篇结集而成。讨论了虚时间、有黑洞引起的婴儿宇宙的诞生以及科学家寻求完全统一理论的努力，并对自由意志、生活价值和死亡作出了独到的见解。

本文是史蒂芬·霍金1991年1月在剑桥大学的一次演讲录。

三、相关知识

中国是最早进行天文观测的国家之一，在殷商甲骨文里，就有许多天文观测记录。汉语“宇宙”一词出现较早。战国时期的尸佼在他的著作《尸子》中就说：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”东汉的高诱在《淮南子·原道训》注中也说：“四方上下曰宇，古往今来曰宙。”

中国古代的宇宙学说，有浑天说、盖天说、宣夜说等。浑天说认为，“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。”（《张衡浑仪注》）盖天说认为，“天似盖笠，地法覆盘”（《晋书·天文志》），天地都是穹形的，如同一个同心的球穹，相距八万里。宣夜说认为，“天了无质，仰而瞻之，高远无极，眼瞀精绝，故苍苍然也。”（《晋书·天文志》）就是说“天”不是一个固体的“天穹”，不过充满了无边无际的气体，日月星辰都在这气体中浮动。

在西方，古希腊人也有多种宇宙学说。公元前600年左右，住在米利都的古希腊哲学家泰利斯认为地球是一个圆盘，漂浮在一片汪洋中。他的弟子阿那克西曼德认为天空是包围地球的一个球层，恒星在内层，太阳和月亮在外层。毕达哥拉斯认为，地球、月亮、太阳、行星和恒星都在一个同心球上围绕中央火旋转。托勒密总结了古希腊的天文学成就，著《天文学大成》，认为地为球形，静止不动，处于宇宙的中心，其他天体围绕地球运行，创立了“地心说”，统治西方天文学界一千四百多年，直到波兰天文学家哥白尼在16世纪发表《天体运行论》，创立日心说。17世纪，意大利物理学家和天文学家伽利略亲手制造天文望远镜，开拓了人们的天文视野。德国天文学家开普勒提出了行星运动的三大定律，英国物理学家牛顿用力学的引力原理解释开普勒的行星运动定律，创立了天体力学。

现代宇宙学最有影响的学说是大爆炸宇宙学。大爆炸宇宙学认为，宇宙早期温度极高（在100亿度以上），物质密度极大。在那里，物质被压缩成一个奇点，时间和空间都毫无意义。大约200亿年前，发生“爆炸”，温度逐渐冷却，形成各种各样的恒星体系，也就是我们今天所能观测到的宇宙。

宇宙大爆炸学说是逐渐形成的。20世纪初，爱因斯坦的相对论改变了科学家研究宇宙的方法。1927年，比利时天文学家勒梅特第一个提出了动态宇宙模型，认为宇宙是从一种“原始原子”不断分裂、膨胀形成的。他推测：如果宇宙中物质的质量小于某个临界值，宇宙就会继续膨胀下去，成为“开放的宇宙”；反之，就会坍缩，成为“闭合的宇宙”。1948年，出生在俄国的美籍物理学家伽莫夫发展了这一理论，提出了“大爆炸”学说。

大爆炸学说得到了以下天文观测的支持。（1）河外星系有系统地谱线红移。1917年，美国天文学家斯里弗发现河外星系谱线有系统地向红端移动，表明这些遥远的天体正在离我们远去。1929年，美国天文学家哈勃发现，几乎所有的星系都有红移现象。星系距离越远，红移越大。这种红移与距离之间的线性关系，称为哈勃定律。（2）在各种不同的天体上，氦的丰度相近，大都是30%。根据大爆炸理论，早期宇宙温度很高，所以产生氦的效率也很高。（3）测定各种天体的年龄，均小于200亿年。（4）宇宙微波背景辐射的发现。

四、文题资讯

标题“宇宙的未来”，准确地将文章的内容定位到对宇宙的未来的讨论，能极大地激发人们的兴趣，跟随作者一起探究宇宙的未来。

五、字词解析

［模棱两可mó léng liǎng kě］模棱：含糊，不明确；两可：可以这样，也可以那样。指不表示明确的态度，或没有明确的主张。出自《旧唐书·苏味道传》：“处事不欲决断明白，若有错误，必贻咎谴，但模棱以持两端可矣。” ［臭名昭著chòu míng zhāo zhù］坏名声人人都知道。出自郭沫若《洪波曲》第十章：“他们是贺衷寒系统的人，在前方打狗吃，臭名昭著。” ［感恩戴德

gǎn ēn dài dé］戴：尊奉，推崇。感激别人的恩惠和好处。出自《三国志·吴

志·骆统传》：“今皆感恩戴义，怀欲报之心。”

［百思不解

bǎi sī bù jiě］百般思索也无法理解。出自清·纪昀《阅微草堂笔记》卷十三：“此真百思不得其故矣。”

六、感受内容

1、用一句话简要地说出本文讲了什么？

本文讲的是宇宙的未来问题，预测了两种结局：或膨胀，或收缩。

2、明确作者讲了几层意思，并提炼出要点。

（1）科学家有信心预言未来。

（2）巫师的预言模棱两可，宗教的预言屡测屡败。

（3）物理方程、制约大脑的方程具有混沌性，因此我们不能预言人类；而宇宙的行为在非常大尺度下却是简单的，而不是混沌的，因此我们可以预言宇宙遥远的未来。

（4）宇宙的未来有两种可能，一是继续膨胀下去，二是收缩以至坍缩成一个点。是膨胀还是坍缩，取决于宇宙的平均密度。

（5）宇宙现在的密度非常接近于把坍缩和膨胀区分开来的临界点上，所以两种可能都会发生。

3、归纳霍金对宇宙未来的预言的主要观点

（1）宇宙的膨胀和坍缩与宇宙的平均密度有关，如果平均密度小于某个临界值，它就会永远膨胀。如果平均密度大于临界值，宇宙就会坍缩，时间本身就会终结。

（2）在螺旋星系和星系团中应该存在有某种看不见的暗物质，它的引力吸引足以把高速旋转的星系牢牢抓住，不至于使这些星系或星系团飞散开去。

（3）如果宇宙继续膨胀下去，五十亿年后，太阳将耗尽它的核燃料，变成一颗白矮星。在大约一百亿年后，具有太阳质量的恒星将变成白矮星或中子星，具有更大质量的恒星会变成黑洞。

（4）黑洞中粒子的速度有可能超过光速逃出黑洞，只要有足够长的时间，巨大的黑洞也可以“蒸发”掉。

（5）在星系或星系团之外，应该存在有足够的暗物质，这些暗物质能使密度达到临界值，从而可能会使宇宙最终坍缩。但这个时间肯定在一百五十亿年之后。

七、理清结构

本文文章较长，内容丰富，试理出其思路结构。

科学家有信心预言未来 一→

科学预言，更可靠些

巫师的预言模棱两可

一→

其预言不可靠、荒谬

宗教的预言屡测屡败

物理方程的方程具有混沌性

一→

不能预言人类的未来

制约大脑的方程具有混沌性

宇宙的行为大尺度下简单不混沌

一→

可以预言宇宙的未来

继续膨胀下去

宇宙的未来有两种可能 一→取决于宇宙的平均密度。

收缩以至坍缩成一点

宇宙现在的密度非常接近于区分膨胀和坍缩的临界点一→“两种可能”都有可能发生。

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。

八、领悟内涵

读这篇科学演讲词，使我们对宇宙有了哪些新的认识？

巫师与宗教的预言不可靠、荒谬，而科学家有信心预言未来，它是有科学的依据的，尽管现在我们还不能准确地预知宇宙的未来是膨胀还是坍缩，但随着科学的进步，宇宙的谜底终将被我们揭开。

特色品评

（1）用生动的比喻说明事理。

本文在论述过程中，常常用一些生动的比喻来说明事理。①“例如，如果你稍微改变一下你旋转轮赌盘的方式，就会改变出来的数字。你在实际上不可能预言出来的数字，否则的话，物理学家就会在赌场发财。”用这个比喻生动地说明了“即使我们知道了制约宇宙的有关定律，我们仍然不能利用它们去预言遥远的未来”。②“这有一点像是再投胎。如果有人声称一个新生的婴儿是和某一死者等同，如果该婴儿没从他的以前的生命遗传到任何特征或记忆，这种声称有什么意义呢?人们可以同样地讲，它是完全不同的生命。”用这个比喻形象地说明宇宙在大挤压处终结后，并不是任何发生在“之后”的事件都是另一个相分离的宇宙的部分。 （2）语言幽默风趣。

这篇文章语言幽默风趣，在说明科学道理的同时，创造出一种轻松愉快的气氛，体现了演讲词的特点。例如①“……这些日期使股票市场下泻。虽然它使我百思不解，为何世界的终结会使人愿意用股票来换钱，假定你在世界末日什么也带不走的话。”这句话让人在笑声中悟到人类自身的某些缺陷和某些思维误区。②“据说，1844年是第二次回归的开始，但是首先要数出获救者名单。只有数完了名单，审判日才降临到那些不列在名单上的人。幸运的是，数人名看来要花很长的时间。”这句话幽默中含着揶揄和讽刺，揭露了宗教预言师的荒谬，表现了对方屡测屡败却又想方设法自圆其说的尴尬与可笑。③“如果暴涨理论是正确的，则宇宙实际上是处在刀锋上。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。”听众明知作者做的是科学的预言，和巫师他们完全不同，可作者却有意将自己降为他们的同类，一是说明自己恰好也有两种预测，二是顺势又对他们进行嘲讽。这种智慧的表达既带来了轻松愉悦的气氛，又大大增加了自己与听众的亲和力。