人教版高二上册语文第14课《一名物理学家的教育历程》课文及教案

人教版高二上册语文第14课《一名物理学家的教育历程》课文及教案

课文

加来道雄

加来道雄，美籍日裔物理学家，纽约市立大学城市学院理论物理学教授。他毕业于哈佛大学，获得加利福尼亚大学伯克利分校哲学博士学位。他是《超越爱因斯坦》(与特雷纳合着)、《量子场论》和《超弦导论》诸书的。在过去的10年里，他还是播送电台每周一次一小时科学节目的主持人。

我想知道上帝怎样制造了这个世界，对这样或那样的详细现象我不太感兴趣。我想知道世界的内在规律，其余则是细枝末节。

——爱因斯坦

童年的两件趣事极大地丰富了我对世界的理解力，并且引导我走上成为一个理论物理学家的历程。

记得那时我的父母不时带我去旧金山巡游的日本茶园。我蹲在那里的一个小池边，为渐渐畅游在水底睡莲之中五彩斑斓的鲤鱼所沉醉。这是我最欢乐的童年记忆之一。

在那悄悄的时刻，我布满了无限的遐想。我经常给自己提一些只有小孩才问的傻乎乎的问题，比方水池中鲤鱼怎样观看它们四周的世界。我想，它们的世界肯定奇异无比!

鲤鱼们的一生就在这浅浅的水池中度过。它们信任它们的“宇宙”就有阴暗的池水和睡莲构成。它们大局部时间在池底漫游，因此它们只模糊地意识到在水面之上存在有另一个外部世界。我的世界的本质超过了它们的理解力量。我喜爱坐在距离利于仅仅几十厘米的地方，然而，我们之间却如距深渊。鲤鱼和我生活在两个截然不同的宇宙之中，从来不进入对方的世界，我们之间被水面这一薄薄的“栅栏”分隔开来。

我曾想：在水底的鱼群中可能有一些鲤鱼“科学家”。我想这个鲤鱼“科学家”会对那些提出在睡莲之外还存在有另外一个平行世界的鱼冷嘲热讽。他们认为，真实存在的事物就是鱼儿们看得见摸得着的。水池就是一切。水池之外看不见的世界没有科学意义。

有一次，我遇到了一场暴雨。我留意到成千上万的笑语地轰击在池水的外表。池水变得混乱，谁中的睡莲在汹涌不息的水波冲刷下摇摆不定。在躲避风雨之时，我想弄清晰四周发生的一切将会以怎样的形式呈现在鲤鱼们的眼中。在它们看来，睡莲好像是自己在运动，没有任何东西冲刷它们。由于就像我们看不见我们四周的空气和空间一样，鲤鱼们也看不见它们赖以生存的水，它们为睡莲自己能够运动而困惑不解。

我想，鲤鱼“科学家们”将会聪慧地杜撰某种虚构的东西——它被称为“力”，来掩盖自己的无知。由于不能理解在看不见的水面上存在的水波，它们将得出这样一个结论：睡莲之所以能够不被触摸而运动，是由于有一种看不见的神奇力在对它起作用。它们可能给这种错觉起一个高深莫测的名称(如超距作用，或没有任何接触睡莲即会运动的力量)。

我曾想，假如在池水中抓出一个鲤鱼“科学家”，事情将会怎么样呢?放回池水之前，它可能随着我的查看而狂乱挣扎。那么别的鲤鱼又将怎样对待这件事呢?对于它们而言，这的确是一件可怖的事情。它们第一次意识到有一位鲤鱼“科学家”从它们的宇宙中消逝了。九那么简简洁单，没有留下任何踪迹。不管在它们的宇宙中怎么查找，就是没有这条丧失的鲤鱼的踪影。然而，就那么几秒钟，当我把它放回池水之后，这位鲤鱼“科学家”便突然冒了出来。对于别的鲤鱼而言，这真是一个奇迹。

待神智镇静之后，这位鲤鱼“科学家”就会叙述一个真正令它们惊诧不已的传奇故事。它说：“突然之间，不知怎的我就被拉出了咱们的宇宙(池水)，投进了一个冥冥世界，那里有令人目眩的强光和我从未见过的奇形怪状的物体。最惊奇的是那个抓住我的生物竟然一点也不像鱼。更使我震动的是，无论如何也看不到它的鳍，但是没有鳍它还是能够运动。我感觉到熟习的自然规律不再适合于这个冥冥世界。随后，我发觉自己突然又被扔回了咱们的世界。”(固然，这个到宇宙之外一游的故事对于鲤鱼是怪诞的，大多数鱼都认为这完全是胡说八道。)

我常想，我们就像自鸣得意地在池中游动的鲤鱼。我们的一生就在我们自己的“池子”里度过，以为我们的宇宙只包含那些看得见摸得着的事物。就像鲤鱼一样，我们认为宇宙之中只包含有熟习可见的东西。我们自以为是地拒绝成认就在我们的宇宙跟前存在有别的平行宇宙或*空间，而这些都超出了我们的理解力。假如我们的科学家创造像力这样一些概念，那仅仅是由于他们不能用眼见演出布满于我们四周空间的不行观察的各种振动。一些科学家鄙视更高维数世界的说法，是由于他们不能在试验室里便利地验证它。

(我们宇宙或许是很多个平行宇宙中的一个。每一个宇宙通过无穷多的蛀洞——连通两个是空域的隧道——跟其他宇宙相连。在这些蛀洞之间旅行是可能的，但可能性又微乎其微。)

此后，我始终对存在高维世界的可能极感兴趣。像很多孩子一样，我贪欲地阅读这样一类历险故事，其中叙述的是时间旅行者进入别的*空间，探究我们看不见的平行宇宙，在那里能很简单使通常的物理定律不再起作用。我长大后想知道，是否在百慕大三角洲神奇失踪的船只进入了一个空间漏洞，我对阿西莫夫的《基地》系列赞叹不已，书中超维空间旅行的发觉导致了一个银河帝国的兴起。

童年时的其次件事也给我留下深刻的印象。我八岁时曾听过一个故事，此后它始终留在我的脑海里。记得我的中学教师给班里讲了一个已故宏大科学家的故事。他们及其崇敬地讲到他，称他是整个人类历最宏大的科学家。他们说很少有人能够理解他的思想，但是他的发觉却转变了整个世界和我们四周的一切。我不理解他们想告知我们的很多东西，但是最使我对此人感兴趣的是他未能完成自己的宏大发觉就撒手人寰。他们说他多年潜心于这个理论，但是他死之后，他的为完成的论文仍旧摆放在他自己的办公桌上。

我被这个故事迷住了。对于一个孩子，这是很神奇的。他未完成的工作是什么?他桌上论文的内容是什么?什么问题可能会如此难以解决而又特别重要，值得如此宏大的科学家把他的有生之年花费在这种讨论之中?由于奇怪，我就打算学习我能学到的关于爱因斯坦的一切以及他未完成的理论。我记得，我花了好多时间悄悄阅读我能找到的关于这个伟人和他的理论的每一本书。这种记忆到现在仍旧暖和如春。我读完当地图书馆的书之后，就开头在全市搜寻图书馆和书店，急迫地查找有关线索。不久我就知道这个故事比任何神奇谋杀故事更加感动人心，也比我想象的任何事情都重要。我打算要对这一隐秘刨根究底，纵然因此而必需成为一名理论物理学家也在所不辞。

不久，我就知道爱因斯坦未完成的论文就是他企图构造的所谓的统一场论。这个理论能解释全部的自然规律，从细小的院子到浩瀚的星系。然而，作为一个孩子，我却不能理解，畅游在茶园池中的鲤鱼和爱因斯坦桌上未完成的论文可能存在着某种联系。对于用更高的维数可能是解决统一场论的关键这一点我不理解。

后来，在高中阶段，我看完了很多地方图书馆中这方面的书，并且经常造访斯坦福大学的物理学图书馆。在那里，我发觉爱因斯坦的工作使一种称为反物质的新型物质称为可能。这种物质的作用形式与一般物质一样，但与一般物质接触之后它们将会湮没，并且猛然释放出能量。我也知道科学家已经建筑了一些大型仪器，或者说是“原子对撞机”，这种仪器可以在试验室里产生微量的这种奇异物质，即反物质。

年轻人的一个优点就是不会由于世俗的约束而畏葸不前，而这种约束对于大多数成年人而言通常好像又很难超越。没有考虑所要涉及的困难，我就开头着手建立我自己的原子对撞机。我始终讨论科学文献，最终我确信能够建筑一台所谓的电子感应加速器，这种尊敬苏启能把电子加速到数百万电子伏特(100万电子伏特是指电子在100万伏特的电场中被加速后所获得的能量)。

首先，我购置了少量的钠22，它是一种能够自然地放射正电子(电子的反物质)的放射性物质。然后我建筑了一个云室，在云室中可以看到亚原子粒子留下的踪迹。这样我就能够拍下好几百张由反物质留在云室中的精致照片。紧接着，我找遍周边地区大量的电子仓库，装配必需的硬件设备，包括好几百磅(1磅=454克)中的废品处理钢，在我的车间建筑一个2.3百万电子伏特的电子感应加速器，这个加速器完全有力量产生一束反电子。为了产生电子感应加速器所必需的巨大磁场，我说服我的父母亲让他们帮忙我在我读高中的那个学校的足球场中缠绕22英里(1英里=1.61米)场的铜线。我们把整整一个圣诞假日花费在这条50码(1码=0.91米)场的线路上，缠绕和安装笨重的线圈，这种线圈将使高能电子的运动路径发生弯曲。

当最终建成时，这个300磅重、6千瓦的电子感应加速器耗掉了我屋子中所产生的每一点能量。当我接通它后，通常总是烧断每一根保险丝，屋子变得漆黑一团。在屋子周期性陷入黑暗的同时，妈妈经常在摇头。(我想，妈妈对于他不能由一个在棒球场或篮球场玩耍、反而有一个在汽车间建筑一架巨大的电子仪器的儿子而困惑不解。)使我感到欣慰的是，一仪器胜利产生了比地磁场强两万多倍的磁场，而这正是加速一束电子所必需的。

教案

【背景资料】

一、介绍

加来道雄，美籍日裔物理学家，毕业于美国哈佛大学，获加利福尼亚大学伯克利分校哲学博士学位，后任纽约市立大学城市学院理论物理学教授。主要着作有《超越爱因斯坦》(与特雷纳合着)《量子场论》《超弦导论》。

二、相关学问

为了更好地理解课文，我们需要了解一些相关的理论物理学学问：

(1)统一场论

依据现代物理学学问，将我们的宇宙结合起来的力有四种：引力、电磁力、强核力和弱核力。物理学家运用量子力学，已经把后三种力统一起来(美籍华裔物理学家杨振宁和他的学生米尔斯提出杨一米尔斯场理论，解决了这一问题，被称为“标准模型”。但是这一理论由于计算繁复无比而让人头疼)，但是引力仍旧游离在外。爱因斯坦毕终生之力想寻求四种力的统一，建立一个大一统的理论，最终也没有实现。

(2)高维空间

现代理论物理学认为，统一四种力的前景，在于高维空间(如十维或更高)理论确实立。比方对于古人来讲，风暴是怎样产生的，风暴会攻击什么地方，什么时候袭来，什么时候完毕，他们是一无所知的，由于他们生活在平坦的大地上，只能靠肉眼从近似于二维平面的角度来观看，即使有简洁的预报，也都是靠阅历来推想的。现在有了气象卫星，从太空这样三维角度观看地球，在地面上看来神奇莫测的风暴被看得一清二楚，可以精准地预报风暴的动向。同样，理论物理学家认为，传统的四维(空间三维加上时间)理论太“小”，不能解释宇宙中的四种力。当他们超越四维而在更高维(如十维或更高)中寻求统一这四种力时，就能得到一种简洁、美丽的解决模型(科学家认为宇宙应当是简洁、合谐的)。

高维空间理论认为，宇宙大爆炸后10-43秒，十维宇宙分解成四维宇宙和六维宇宙，四维宇宙暴胀，经过近一百五十亿年，演化成今日我们生活的宇宙。大爆炸后10-35秒，大统一力分开。但是高维空间理论很难在试验室中得到证明，由于要模拟当时的环境，需要的能量太大，根本无法做到，所以现在高维空间理论只能是“理论”。

【示范教案】

一名物理学家的训练历程

【教学目标】

一、学问训练目标

引导学生从生活动身，了解科学、熟悉科学。

二、力量培育目标

引导学生以“训练历程”为重点，探讨其中表现的思想内涵。

三、德育渗透目标

引导学生体会科学精神。

【重点、难点及解决方法】

高维空间对一般人来说，是很难想像的。所以，教学重点是文章内容，而不是相关的科学学问。相关学问教师有所了解，能帮忙教学课文即可，不必教授给学生。

【课时安排】1课时

【教学步骤】

一、导入新课

成为一位科学家是很多有志青年的幻想，对物理的探究更是很多年轻的学子孜孜以求的，我们来看一下加来道雄的成长道路，或许能得到一些启发。

(板书)一名物理学家的训练历程

二、明确目标

1.引导学生从生活动身，了解科学、熟悉科学

2.引导学生以“训练历程”为重点，探讨其中表现的思想内涵。

三、整体感知

1.简介

加来道雄，美籍日裔物理学家，毕业于美国哈佛大学，获加利福尼亚大学伯克利分校哲学博士学位，后任纽约市立大学城市学院理论物理学教授。主要着作有《超越爱因斯坦》(与特雷纳合着)《量子场论》《超弦导论》。

2.本文的根本构造

文章的题目是“一名物理学家的训练历程”，因此，表达的挨次主要是历时性的。但是，开头就说“童年的两件趣事极大地丰富了我对世界的理解力，并且引导我走上成为一个理论物理学家的历程。”而“童年的两件趣事”作为文章的主要内容，又是共时性的表达。这样的构造安排，使文章既脉络清晰，又重点突出。构造如图：

童年青年(成年)

鲤鱼世界的梦想(想像)

试验(理论物理学家)

爱因斯坦故事(理论)

3.本文的根本内容

①人人都对自然感到奇怪，都以自己宠爱的形式寻求自然的“谜底”，但是大多数人一般直接探寻自然本身，而却由人的观看角度，反思人类对宇宙的认知。看似少年时的思维超出同龄人，其实只是他充分发挥了自己的想像力，并且保持了这样奇怪的想像力，由此奠定了他对高维空间理论探究的根底。②少年时接触到爱因斯坦的“未竟事业”，激发了他的探究兴趣。他之所以感到“感动人心”，是由于他把爱因斯坦的理论当成一个“侦探故事”来阅读、探究，这特别符合少年的心理。另外，“我打算要对这一隐秘刨根问底”，也表现了他有毅力有恒心的性格，这是成为科学家的根本素养。③高中时代，本应“在棒球场或篮球场玩耍”，享受青春年华，但却“找遍周边地区大量的电子仓库，装配必需的硬件设备”，在“学校的足球场中缠绕22英里长的铜线”，自己动手建立试验室，验证爱因斯坦理论，探究反物质。进展这样艰难枯燥的工作，表达了他对科学的喜爱，以及踏实的性格，显露出一个科学工的潜能。由①②到③，我们可以清晰地看到的“训练历程”和“训练内容”。

四、重点、难点的学习与目标完成过程

1.【提问】本文在材料处理上有什么特点?

【明确】本文布局谋篇重点突出，详略得当。在整体上，并没有从童年到小学到初中到高中，按时间挨次叙事，而是通过童年的两件趣事和高中时建立试验室的事例，突出他成长为一名“物理学家”的“训练历程”，并不旁及其他成长的阅历;在局部上，如高中阶段，看了很多统一场理论方面的书，并经常去斯坦福大学的物理图书馆，相关的理论书籍是怎样启发、引导他讨论的，这里确定有很多精彩的故事，但是只是一笔带过，重点放在制造“自己的原子对撞机”上，其中详细的数据表达得很详尽，让人体会到严谨、踏实的性格，以及内在的成为物理学家所需要的根本素养。

2.【提问】本文表达了怎样的科学精神?

【明确】本文三个主要局部，并不是简洁地表达成长的故事，而是具有深刻的科学精神内涵，可以从中看到哪些方面的“训练”对成为优秀科学家最为重要。

(1)想像力：科学是需要想像力的，想像力能带来制造力。正是从对鲤鱼世界的想像中，熟悉到人类观看空间的局限性，间接感悟到高维空间存在的可能。由感性的想像上升到理性的制造，表达了创新意识和探究精神。

(2)乐趣：科学不应当是枯燥的，而是应当布满乐趣的。探寻自然的神秘，对真正的科学工来说，是和自然做的近似于捉迷藏的“嬉戏”，也是人生的“境地”。“嬉戏”使他们乐此不疲，布满激情，不受外界的*和干扰;而“境地”使他们不顾功利，不畏强权，只求真理。

(3)试验精神：丁肇中说过：“现代学术的根底就是实地的探察，就是我们现在所谓的试验。”“科学进展的历史告知我们，新的学问只能通过实地试验而得到，不是由自我检讨或哲理的清谈就可求到的。”(《应有格物致知精神》)有了想像力，有了乐趣，那只是成为科学家的最根底的因素，不去踏踏实实地做试验，就不能得到根本数据，假说就不能确立。一味地空想，不去做根底工作，不行能到达真理的此岸。从事的高维空间理论，虽然还停留在纸面上，但是科学家们已经在做很多根底的试验工作，努力使理论得到证明。即使如科学家霍金靠睿智的头脑创立黑洞理论，也要有数学和天体物理学的试验根底，也不是空想出来的。

3.【提问】“鲤鱼科学家”对“世界”的熟悉是怎样的?

【明确】主要有以下几点：(1)“水池之外看不见的世界没有科学意义。”(2)“它们为睡莲自己能够运动而困惑不解”——它们以神奇的“力”来掩盖自己的无知。(3)“鲤鱼科学家”的“消逝”和“重现”——它们认为是“奇迹”，是“可怖的事情”，而不愿去探究缘由。(4)“鲤鱼科学”的“传奇故事”，真实地证明另一个世界的存在，而它们却认为“胡说八道”，荒唐绝伦，违反它们的“自然规律”。

4.【提问】想通过“鲤鱼科学家”对世界的熟悉说明什么?

【明确】说明“自以为是”的人类和“鲤鱼科学家”有相像之处。(1)人类“一生就在我们自己的‘池子’里度过”，只要“超出我们的理解力”的自然存在，他们就“拒绝成认”。(2)“科学家创造像力这样一些概念……”，是由于他们只情愿成认“那些看得见摸得着的事物”，不愿转变思索问题的方式。(3)“不能在试验室里便利地验证”的理论，他们就加以“鄙视”，表现出思想上的保守和固执。

5.【提问】课文中阅读*空间历险故事和统一场理论书籍两小段内容，对“训练历程”的表达有什么作用?

【明确】课文的重点是童年趣事和建立试验室，这三个事例已经把“训练历程”完整地勾画出来。而夹杂在其中的两个小事例，主要起补充和连接的作用。历险故事加深对高维空间的想像，激发兴趣;而阅读统一场理论书籍，既表现高中阶段求知的热忱，也连接起由理论到试验的探究过程。

6.【提问】说“我打算要对这一问题刨根问底，纵然为此而必需成为一名理论物理学家也在所不辞。”在心中“理论物理学家”应当是怎样的人?

【明确】理论物理学家的工作是抽象、枯燥的，受试验条件的限制，自己的学说很难得到试验的证明，甚至可能到死也得不到成就。这样的人必需耐得住孤独，必需有奉献精神。“在所不辞”意味着“理论物理学家”道路的艰辛。

7.【提问】建立试验室的事例，对我们现实生活有怎样的意义?

【明确】科学是建立在根底试验之上的，科学理论要经过试验的检验才能得到论证。试验不是简洁的操作，要有理论指导，要有试验的设计，要有筹划组织力量，要有耐力和恒心等等，试验考验的是试验者的综合力量。而我们当前存在的问题是，重视理论，轻视根底试验，表现为动手力量和实践力量差，思想上急躁，急功近利。对训练而言，重学问，轻力量的现象很普遍。这些都是一名理论物理学家重视试验给我们现实生活的启迪。

整体把握

１、文章特点：

⑴构造：

文章的题目是“一名物理学家的训练历程”，因此，表达的挨次主要是历时性的。但是，开头就说“童年的两件趣事极大地丰富了我对世界的理解力，并且引导我走上成为一个理论物理学家的历程”。而“童年的两件趣事”作为文章的主要内容，又是共时性的表达。这样的构造安排，使文章既脉络清晰，又重点突出。构造如图：

⑵内容：

①人人都对自然感到奇怪，都以自己宠爱的形式寻求自然的“谜底”，但是大多数人一般直接探寻自然本身，而却由人的观看角度，反思人类对宇宙的认知。看似少年时的思维超出同龄人，其实只是他充分发挥了自己的想象力，并且保持了这样奇怪的想象力，由此奠定了他对高维空间理论探究的根底。②少年时接触到爱因斯坦的“未竟事业”，激发了他的探究兴趣。他之所以感到“感动人心”，是由于他把爱因斯坦的理论当成一个“侦探故事”来阅读、探究，这特别符合少年的心理。另外，“我打算要对这一隐秘刨根问底”，也表现了他有毅力有恒心的性格，这是成为科学家的根本素养。③高中时代，本应“在棒球场或篮球场玩耍”，享受青春年华，但却“找遍周边地区大量的电子仓库，装配必需的硬件设备”，在“学校的足球场中缠绕２２英里长的铜线”，自己动手建立试验室，验证爱因斯坦理论，探究反物质。进展这样艰