资源简介

调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用
教学设计
活动：调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用 课时 1 授课年级 初三
活动分析 本实践活动以我国航天科技领域为背景，聚焦新型材料和新型能源的应用。教材旨在引导学生将化学知识与航天科技紧密结合，拓宽学生的知识面和视野，使学生了解化学在航天领域的重要作用，体会化学学科的价值。通过对航天科技中新型材料和能源的探究，培养学生跨学科综合运用知识的能力，激发学生对科学技术的兴趣和创新意识，提升学生的科学素养和民族自豪感，同时也为学生提供了一个将理论知识应用于实际的平台，让学生在实践中深化对化学知识的理解。
学情分析 本次活动以我国航天科技为背景，结合新型材料和能源的应用，提供了一个将化学知识与实际应用相结合的学习平台。学生普遍对航天科技具有浓厚兴趣，这为活动的开展提供了良好的基础。然而，部分学生在将化学知识与航天领域具体应用联系起来时可能缺乏经验。 在这样的背景下，学生需要具备一定的化学基础知识，尤其是对材料性能和能源转化的理解。同时，活动要求学生跨学科整合知识，具备一定的综合分析能力和创新思维。 本活动旨在拓宽学生的视野，提升科学素养，并激发他们的创新意识，通过对新型材料和能源的探究，学生能够更深入地理解化学在航天科技中的重要作用。此外，活动为学生提供了一个理论联系实际的机会，有助于他们在实践中深化对化学知识的理解，培养民族自豪感。 学生在活动中可能会面临挑战，包括如何将理论知识应用于实际问题，以及在跨学科整合过程中需要的协作与沟通能力。因此，活动设计应注重引导和支持，帮助学生克服这些挑战，并在实践中取得更好的学习效果。
活动目标 1.了解新型材料和新型能源在我国航天科技领域中的应用，加深对物质的性质与应用、能量的转化和转移等的认识； 2.形成创新意识，进一步树立民族自豪感。
活动重、难点 重点：了解航天科技领域中新型材料和新型能源的种类性质及应用；理解物质的性质与应用、能量的转化与能源的使用之间的关系；掌握收集、分析和处理信息的方法。通过对航天科技中实际应用的案例分析，让学生深刻认识到材料和能源的选择是基于其特定的性质和功能，从而建立起性质决定用途的化学观念。。 难点：探究化学与材料开发、能源利用之间的内在联系；培养学生的创新思维和跨学科综合运用知识的能力；引导学生对航天科技未来发展中新型材料和能源的设想。由于涉及到多学科知识的融合和对前沿科技的理解，学生需要具备一定的知识储备和综合分析能力，同时创新思维的培养也需要教师的引导和启发。
核心素养 化学观念：通过探索航天科技中新型材料和能源的应用，学生能够理解化学在这些领域中的重要性和具体应用，深化对化学学科基本概念和原理的理解。 科学思维：活动鼓励学生跨学科综合运用知识，要求他们分析和解决复杂的问题，这有助于培养学生的逻辑推理能力和创新思维。 科学探究与实践：学生在活动中进行新型材料和能源的探究，通过实验和实践，提升动手能力和实验技能。这种实践活动为学生提供了将理论知识应用于实际问题的机会。 科学态度与责任：活动背景涉及我国航天科技的发展，这不仅激发了学生对科学技术的兴趣，还增强了他们的民族自豪感和社会责任感，培养了他们尊重科学、热爱科技的态度。
教学过程 活动引入 近年来，我国航天重大工程取得了一系列辉煌成就。“神舟”问天、“嫦娥”揽月、“北斗”指路、“祝融”探火、“羲和”逐日、“天和”遨游星辰、“悟空”“慧眼”探索宇宙奥秘……飞天逐梦变为现实，离不开对新型材料和新型能源的不断探索。 活动设计与实施 任务一：了解我国宇航产品的基本情况 科普视频：赴九天，问苍穹！中国航天历史年表，我们的征途是星辰大海！ 查阅资料，了解我国宇航产品的种类有哪些？其主要用途有哪些呢？ 卫星、运载火箭、载人航天器、航天探测器等 卫星 由人类制造并发射到地球轨道或其他天体轨道上的航天器。通常用于各种科学、军事和商业目的，如通信卫星（“天通一号”系列）、气象卫星（“风云”系列）、遥感卫星（“高分”系列）、导航卫星（北斗导航）等。 运载火箭 用于把人造地球卫星、载人飞船、航天站或行星际探测器等送入太空预定轨道的载具，如“长征”系列运载火箭。 载人航天器 是指用于载人航天的，在绕地球轨道或外层空间按受控飞行路线运行的飞行器，包括载人飞船、货运飞船、空间实验室、空间站等。航天员出舱活动穿着的舱外航天服也是一种微型航天器。如“神州”系列载人飞船、“天宫”空间站等。 航天探测器 是对月球和月球以远的天体和空间进行探测的无人航天器和空间探测的主要工具。如“嫦娥”系列，主要用于月球探测和科学研究；“天问一号”，用于探测火星及其环境。 查阅资料，了解我国宇航产品的发展、种类和主要用途，尝试绘制包含这些信息的示意图。 任务二：了解宇航产品的材料选择 1.查阅资料，结合金属材料、高分子材料等知识，了解并分析宇航产品的主体结构、外部涂层、功能部件等所使用的材料及其特点。 火箭 火箭有什么结构？每部分结构有什么作用？ 科普视频：宇航员课堂——火箭的结构 运载火箭主体结构所使用的材料及其特点 运载火箭主体结构使用的材料通常在强度、重量和耐高温等方面具有特殊要求。以下是一些常用的材料及其特点： 铝合金(常用于火箭壳体和燃料箱等结构) 特点：①轻量化，相比于钢，铝合金更加轻便，能够降低火箭整体重量；②高强度，在一定厚度下，铝合金具有良好的强度，适合承受高压；③良好的抗腐蚀性，铝合金在空气中形成一层氧化膜，能够抵抗一定程度的腐蚀。 钛合金(常用于发动机、分离装置和其他高负荷部件) 特点：①耐高温，适合用于发动机部件； ②高强度，比铝合金强度更高，能够承受更大的压力和温度； ③低密度，它的强度与钢材相当，但其重量仅为钢材的57%。 资料卡片：发射火箭时，火箭外壳与大气摩擦将会产生上千度的高温，因此外部涂层的选择至关重要。RZ-1轻质防热涂料这种复合材料具有轻质、防隔热性能优异、粘接性能高、环境友好、工艺性好等优点，是我国首款用于运载火箭卫星整流罩热防护的防热涂料，2023年，RZ-1轻质防热涂料及关键技术在我国新一代运载火箭中应用占比已达76.9%。 什么是复合材料，复合材料有什么优点 复合材料：人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料，往往综合了各组分性能的优点 复合材料热防护板(常用于火箭的热防护系统) 特点：①耐高温，能够承受极高的温度，通常用于高热负荷的部位； ②轻量化，相对于传统材料，更轻，有助于减轻整体结构重量 航天服的组成 航天压力服装各层材料及作用 2.根据调查的材料信息完善示意图。 任务三：了解宇航产品的能源选择 1.火箭的能源。查阅资料，结合燃烧、能量等知识，了解并分析火箭的推进剂，说明不同推进剂的特点。 科普视频：火箭发动机试车现场 能量角度：化学能转化为内能，内能再转化为机械能 燃烧角度： 目前常见的推进剂种类： 科普视频：你知道当今主流火箭都用什么作为燃料嘛 总结各类推进剂的优缺点： 2.航天器开展工作的能源。查阅资料，了解并分析人造卫星、宇宙飞船、空间探测器、空间站等航天器在开展工作时所使用的能源种类及其特点。 资料卡片：①中国天宫空间站主要依靠太阳能作为能源，配备了砷化镓太阳能电池和锂电池。展开后的太阳能电池板能够在太空中持续高效工作，具备优异的能量转换效率，保证了空间站长期运行和科学实验的用电需求。同时，空间站还配置了锂电池，以满足在阴影区域的用电需求。 ②对于远离太阳的探测器，如“嫦娥四号”月球探测器号，通常使用核能提供电力。 太阳能、锂离子电池、核能的特点 太阳能 ①清洁可再生：太阳能是一种清洁且可再生的能源来源，只要太阳能板处于阳光照射下，就可以不断获得能量； ②高效率：现代太阳能电池板具有较高的能量转换效率，且在太空中太阳光不会被大气减弱，也不受季节、昼夜变化影响； ③适用性广：适合用于近地轨道的卫星和空间站，但在深空探测（如远离太阳的任务）中效率会降低。 锂离子电池 ①存储能源：锂离子电池用于储存电能，优化能源使用，确保在阴影区域或太阳光不足时仍能供电； ②充电和放电循环：能够进行多次充电和放电，但存在使用寿命限制，随着循环次数增加，性能会衰退； ③广泛应用：几乎所有航天器都配备锂离子电池以确保能源供应的可靠性。 核能 ①长效稳定：核能（尤其是放射性同位素热电发生器）能够提供长期而稳定的电力，适合远离太阳的深空探测任务； ②能量密度高：核能源具有极高的能量密度，可以在小体积内提供大量能量，适合对重量和体积要求严格的航天器； ③安全性和管理：虽然提供稳定的能源，但核能的使用需要严格的安全管理和后勤支持，以防止辐射泄漏等风险。 3.根据调查的能源信息进一步完善示意图。 任务四：设想航天科技领域中未来的新型材料和能源 查阅资料，了解目前正处于试验阶段的新型材料和新型能源。 新型材料 1. 高抗疲劳3D打印钛合金 通过热处理工艺窗口处理，制备出几乎无气孔的钛合金材料，相对于传统3D打印材料具有天然超高抗疲劳性能和韧性，未来有望在航空航天领域发挥作用。 2. 空间站太阳翼伸展机构润滑薄膜 这种薄膜材料具备优异的耐湿热、抗氧化、抗辐照等性能。该薄膜为我国未来的滨海发射、海上发射环境以及长寿命航天器(如深空探测、探月、探火、星链卫星等)所需的新一代空间功能涂层提供了技术基础。 新型能源 1. 钙钛矿太阳能电池 2024年5月31日酒泉卫星发射中心成功将光因科技钙钛矿组件发射到太空，开启绕地轨道运行测试，向进一步探索钙钛矿太阳能电池在未来太空事业中的应用潜力迈出了重要一步。 钙钛矿太阳能电池具备效率高、质量轻、成本低的三大优点，它的柔性特质还能适应不同的弯曲弧度。 2.斯特林热电转换技术 该技术采用闭式循环往复活塞式斯特林发动机将热能转换为动能，再通过耦合线性交流发电机将动能转换为电能。具有结构简单、效率高、质量轻、启动快、振动小及噪声低等优点，能减少对传统太阳能的依赖，在未来载人月球及深空探测等空间任务中具有广阔应用前景。 设想一款未来的宇航产品，绘制出它的外观，并将其用途、所使用的材料、能源等标注在图中。 展示与交流 展示最终形成的示意图，交流并尝试总结宇航产品在材料和能源选择时的一般思路。 介绍你设想的未来的宇航产品，说明设计思路，并讨论未来航天科技领域新型材料和能源可能的发展方向。 练习与应用 1.硼纤维有较好的耐热性，不与氯气和水反应，可与某些金属制成新型材料，在1200℃时氯化硼(BCl3)蒸气与干燥纯净的氢气反应可制得硼和氯化氢。下列说法不正确的是（ ） A.该反应中只有两种物质为气态 B.氯化硼可能会与水反应 C.含硼纤维的材料有耐热性 D.该反应需要在隔绝空气的条件下进行 【答案】A 2.“信息”“材料”利“能源”被称为新科技革命的三大支柱。下列叙述不正确的是（ ） A.核能、太阳能、氢能等具有广阔的开发前景 B.制造“神舟六号”宇宙飞船，使用了大量新型材料 C.有机高分子材料的广泛应用“有百利而无一害” D.人类应与环境和谐相处，要合理开发和利用化石燃料等矿物资源 【答案】C
活动总结
板书 设计 跨学科实践活动10 调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用 任务一：了解我国宇航产品的基本情况 任务二：了解宇航产品的材料选择 任务三：了解宇航产品的能源选择 任务四：设想航天科技领域中未来的新型材料和能源
教学 反思 亮点：通过展示我国航天科技的辉煌成就和相关视频资料，成功吸引学生注意力，激发了他们对航天科技中新型材料和新型能源的兴趣，并在查阅资料、小组讨论、实地调查等过程中提升了自主学习、合作探究和实践操作能力，同时增强了解决实际问题和运用化学知识的能力。在此过程中，学生不仅全面发展，还深刻体会到我国航天科技的成就与化学的关键作用，进一步增强了民族自豪感、学科热爱和对科学技术的敬畏之情。 不足：学生在知识储备和学习能力上存在差异，部分学生对复杂概念的理解较为困难，影响了小组合作中的参与度，这需要在今后教学中加强个性化指导；另外，展示和交流环节因学生热情较高导致时间超出预期，课堂总结显得仓促，需进一步优化时间安排以确保各环节顺利推进；此外，受限于教学条件和时间，实践活动的深度不足，学生对新型材料和能源的理解多停留在理论层面，未来应拓展实践渠道，让学生获得更多深入探究的机会。 教学建议：针对学生差异，提供分层教学和个性化指导，帮助学习薄弱的学生更好地参与；合理规划教学时间，控制讨论和展示环节时长，确保课堂总结充分和全面；拓展实践渠道，通过校企合作、实验室开放或虚拟仿真实验等方式，增加学生对新型材料和能源的深入体验和探究机会。

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