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第3节 跨学科：材料的利用与开发
第二十一章 能源、材料与社会
课程讲授
新课导入
本课小结
我们一起来闯关
能结合实例了解一些新材料的特点及其应用，知道材料对人类社会发展的促进作用。
01
梳理人类利用材料的历史和人类社会发展史，体会材料技术的研发与应用对社会发展的推动作用。
02
03
能感受到超导、纳米等新材料的神奇，能关注新材料研究的动向，能体会科技发展无止境。
素养目标
新课导入
看视频：
随着科学技术的日新月异，人们制造出了有很多神奇功能的新材料，这些材料又反过来促进了科学技术的发展。你知道有哪些神奇的材料，说出来分享给大家。
今天我们就来学习材料的知识。
一、人类早期对材料的利用
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1.活动：
（1）材料是用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。请学生举例说明我们周围有哪些物品？是由什么材料制成的？
（2）请逐一说出这些材料的来源。
（3）其中，能直接取自自然界的材料称为 ，如木材、棉花、陶土等，而由人工合成的材料称为 ，如塑料、合金等。
天然材料
人造材料
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2. 人类对材料的认识、开发和利用历程
阅读课本P211“人类早期对材料的利用”部分，讨论总结人类使用材料的几个阶段。
（1）石器时代：有木料、石头、兽皮、兽骨等。
（2）青铜时代：能冶炼铜并能用来制作武器和工具。
（3）铁器时代：能冶炼铁并用来大规模制造机器。
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3.材料使用跟社会发展的关系
200万年前
公元前
4000年
公元元年左右
原始群
原始社会
奴隶社会
封建社会
材料时代：
时间线：
社会阶段：
250万年前
1万年前
公元前
4000年
公元前
1000年
旧石器
新石器
青铜器
铁器时代
给生产带来革命性变革
生产力水平：
生产力水平低下，人们居无定所
开始定居，出现农业和畜牧业
促进农业、手工业发展
结论：一部人类社会发展史，就是一部人类开发、利用材料的历史。材料的发展也为科学技术的发展提供了物质基础。
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二、导电性材料的利用与开发
1.设计实验，检验常见材料的导电性。
（1）组装如图所示电路：
（2）将要测试的材料物品，如塑料尺子、铅笔芯、橡皮、纸张、纯净水、盐水等接入两个导线夹之间，观察灯泡发光情况确定其导电性能。这种研究问题的方法是 。当接入材料后灯泡较亮，说明其导电性能较 。
（3）你所测得的导电性能较好的材料有： 。
导电性能不好的材料有： 。
转换法
好
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2.导体和绝缘体的相对性
一根玻璃棒，它是导体还是绝缘体？
（1）目的：演示玻璃在高温下变成导体。
（2）器材：废灯泡内的玻璃支杆（制取时应确保导线引出线完好）、电流表（10～30mA)、发光二极管、导线若干、电源、酒精灯等。
（3）操作步骤：
①将电源、玻璃支杆的两导线、LED灯珠组成一个串联电路。
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、
③用酒精灯对玻璃杆加热，随着玻璃杆温度的升高，发光二极管也发光，说明烧红的玻璃已变成了导体。
④停止加热，温度下降，玻璃又会变成绝缘体，灯珠又不发光了。
（4）结论：玻璃在常温下导电能力很弱，是绝缘体，而在高温下的红炽状态时导电能力变强，成为导体。说明导体和绝缘体没有绝对的界限。
②由于玻璃是绝缘体，可以观察到发光二极管不发光。说明玻璃在常温下是绝缘体。
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、
3.探究二极管的单向导电性
（1）观察老师拿出一些二极发光管（其“+”、“-”标志已刮去）。
猜猜它是导体还是绝缘体？
（2）我们发现有的小组接入后灯泡发光，说明它是导体，而有的小组接入后灯泡不发光，说明它又是绝缘体。问题出在哪儿呢？
（3）把接入的这个二极管两个接线柱对调，再接入原电路进行观察。奇迹出现了，原来不发光的现在发光了，原来发光的接线柱对调之后不发光了，原来它有时是导体，有时是绝缘体。
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、
（4）是不是更换接线后改变了二极管的电阻呢？我们加深探究：
我们拿一个普通的电阻放在电路中量两导线夹中间，观察小灯泡的亮度，然后将电阻两接线柱对调或将电源正负极对调，接通电路后再观察灯泡的亮度，发现灯泡的亮度不变。
（5）强调：这个二极管是由半导体材料制成的，半导体的导电能力介于导体和半导体之间。刚才我们就探究了二极管具有 的特性，即仅允许电流由一个方向通过元件。
结论：电阻跟电流的方向无关，而半导体二极管的导电性却与电流方向有关。
（6）当电流从二极管的正极流入，负极流出时，允许电流通过，反过来不允许电流通过。请你利用手中的器材探究一下二极管的正负极吧。
单向导电
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、
4. 材料分类：根据材料的导电性能，材料可分为 、 及 三大类。金、银、铜、铁和铝等金属材料是导电性能较好的良导体，而橡胶、塑料等，它们的电阻很大，电流几乎不能通过，是绝缘体。而半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，它们具有一些特殊的物理性质，如材料 等都属于半导体。
5.思考问题：有人认为导体可以用来导电为我们服务，那绝缘体不导电，半导体有时导电有时不导电，在日常生活中用处就不大了，这种说法对吗？
导体
半导体
绝缘体
硅、锗、砷化镓
好的绝缘体可以用来隔离带电物体，半导体材料更是具有很多特殊的用途，如半导体二极管具有 ，半导体三极管可以 ，所以他们在电学中同样重要。
单向导电性
放大电信号
6. 思考问题：你知道半导体材料在生活中都有哪些应用？
太阳能电池、条形码扫描器、微处理器、机器人等。
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三、开发新材料
1.观看下列视频：感受超导材料、纳米材料的特性。
点击链接观看纳米材料科普视频：https://m./is/2woN35pqoME/
2.阅读课本P213—215“开发新材料”部分。
（1）超导材料
问题1：什么现象叫超导现象？谁发现的？什么材料叫超导材料？
1911年昂内斯发现的；有些材料当温度降低到某一温度时，材料的电阻突然变为零的现象叫超导现象；能够发生超导现象的材料叫超导材料。
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问题2：什么是超导磁悬浮现象？谁发现的？
问题3：超导材料有哪些应用呢？
1933年迈斯纳和奥森菲尔德发现了超导磁悬浮现象。
（2）纳米材料
问题1：什么是纳米材料？纳米材料的特性及应用？
问题2：人们正在研制纳米尺度的微小机器；由纳米材料制成的导线将大大提高计算机的性能，并缩小计算机芯片的体积。你还知道纳米材料有哪些神奇的应用？请分享给大家。
运用电阻为零的特性制作电动机线圈、输电导线等，可减少电能损失，提高电能利用率；运用磁悬浮的特性制造磁悬浮列车、超导船等。
纳米材料统指全成材料的基本单元大小限制在1～100nm范围的材料。纳米技术可以大大提高材料的强度和硬度，降低烧结温度，提高材料的磁性等．
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3. 课后调研：请课后查阅资料，从跨学科视角综合了解气凝胶的物质结构及应用前景，写一篇相关的小论文。
课堂小结
材料
导电性能
导体
绝缘体
半导体
新材料
超导材料
纳米材料
发展阶段：
石器时代→青铜器时代→铁器时代
电阻为零
超导磁悬浮
我们一起来闯关
1．关于导体与绝缘体，下列说法正确的是（　 　）
A．一般情况下，金属、大地、陶瓷是导体
B．绝缘体不容易导电，是因为在绝缘体中没有电荷
C．导体容易导电，是因为导体中有大量的自由电荷
D．超导是指特定条件下电阻为0，若用该材料制成电热丝，其工作效率可达100%
2．如图所示，下列说法中，错误的是（ ）
A．甲图，给灯丝加热，电路中的灯泡L慢慢变暗
B．乙图，给玻璃加热，当玻璃变成红炽状态后，灯泡L开始发光，且慢慢变亮
C．甲图的实验现象说明温度升高，导体的电阻变大
D．乙图的实验现象说明温度升高，玻璃中从没有自由电荷到有自由电荷
C
C
我们一起来闯关
3．当温度降到很低时，某些金属导体的电阻会突然消失，这种现象称为超导现象，假如所有导体都没有了电阻，使用下列用电器时，下列说法正确的是（ ）
A．白炽灯仍然能发光 B．电动机仍然能转动
C．电饭锅仍然能煮饭 D．电热壶仍然能烧开水
4．如图所示，西安交通大学研究团队研制出一种柔而强的陶瓷气凝胶，它弹性好、韧性好、不易断裂、绝缘性好、隔热性好、耐高温。这种材料不宜用来制作（ ）
A．高压锅内胆 B．防火涂料 C．消防服 D．飞机舱门
B
A
我们一起来闯关
5.酸甜多汁的水果不仅可以为我们身体提供能量，还可以发电。如图所示是某实验小组利用铜片、锌片、水果和二极管组成的电路。
(1)在这个简单电路中水果相当于 ，水果电池是将 转化为电能；
(2)图中的发光二极管的两根引脚中，较长的为二极管的 极，此时二极管能发光，说明水果电池的正极是 （选填“铜片”或“锌片”）一端。
电源
化学
正
铜片
我们一起来闯关
6.纳米技术及其应用。
“纳米（nm）”是长度的度量单位，假设一根头发的直径是0.05mm，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度大约就是一纳米。0.05mm= nm。纳米技术，是研究结构尺寸在1纳米的材料，强度和硬度大大高于原来的材料，且有良好的韧性。如图是纳米陶瓷刀、合金钢刀、普通菜刀磨损程度随时间变化的曲线，其中反映纳米陶瓷刀磨损特点的是曲线 （选填字母“a”或“b”或“c”）；由于纳米尺度的特殊性，则纳米粒子进入人体的途径可能是 。（选填字母“A”“B”或“C”“D”）①皮肤直接接触纳米粒子②呼吸时把纳米粒子吸入肺部③进食含有纳米粒子的食物
A．只有①和② B．只有①和③
C．只有②和③ D．①、②和③
5×10-4
c
D

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