资源简介

第三节 材料及其应用
教学课件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第二章 固体与液体
高中物理鲁科版（2019）选择性必修第三册
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素养目标
新课讲解
新课导入
经典例题
目录
CONTENTS
PART.2
PART.4
课堂练习
课堂小结
1.了解材料对人类社会的影响。
2.了解材料的种类。
3.了解半导体、纳米材料、石墨烯等几种新型材料的应用前景。
素养目标
新课讲解
New lesson explanation
新课讲解
一、材料对人类社会的影响
人类在不同时代对材料的开发与应用有所不同，每一种重要材料的开发和应用，都把人类文明推向一个新的阶段。
石器时代以石头为工具材料，虽硬但易断裂，加工困难。
这种材料限制了生产力发展，效率低下，社会进步缓慢。
石器时代
青铜是合金材料，制作成本较高。
但其出现给农业和手工业生产带来强大助力，推动社会进步。用于生产数量少。
青铜时代
铁作为工具材料，坚硬、韧性高、锋利，胜过石器和青铜器。
带来发达生产力，促进中华文明发展，推动社会变革。
铁器时代
新课讲解
半导体材料促进了计算机技术的发展
耐高温高强度的结构材料推动了航天技术的发展
低消耗的光导纤维引领了光纤通信技术的发展
信息时代
材料已经与信息、能源一起，被当今国际社会公认为现代文明的三大支柱。
新课讲解
二、材料的种类
1、按照材料的特性，可将材料分为结构材料和功能材料两类。
①结构材料主要利用材料的力学特性
②功能材料主要利用材料的声、光、热、电、磁等特性。
2、按照材料的应用领域，又可将材料分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。
3、习惯上，人们把材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。
新课讲解
(1)金属材料
金属材料一般包括金属与合金。合金是由两种或两种以上的金属,或者金属与非金属结合而成的具有金属特性的材料。
例如，钢是铁和碳的合金，再加上铬就成了不锈钢，不锈钢具有很强的耐腐蚀，广泛用于制造餐具、外科手术器械及化工设备等。
新课讲解
(2)无机非金属材料:主要有陶瓷和玻璃等。
传统的陶瓷材料主要用于制造碗、碟、卫生洁具等日常生活用品。如今，陶瓷新材料有惊人的耐腐蚀性能,能耐受强碱氢氧化钠、几乎所有的无机酸及有机酸的腐蚀,同时它又是一种高性能的电绝缘材料,在现代工业和航空航天领域得到了广泛的应用。
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(3)有机高分子材料
是由含碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素的有机化合物构成的材料。塑料、合成纤维和合成橡胶这三大合成高分子材料,已经成为生产和生活中必不可少的重要材料。
例如，人工合成的有机玻璃不但具有玻璃的各种优点，而且非常坚韧，即使受到猛烈撞击也不易破碎，可用于制造飞机的座舱盖及汽车的挡风玻璃，还可用于制造文具、乐器（图2-30）和工艺品等。
新课讲解
（4）复合材料
复合材料是由以上几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既能保留原组成材料的主要优点，又能通过复合效应获得原组合成分所不具备的性能，还可通过材料设计使各组合成分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。
例如，玻璃钢、碳纤维和陶瓷复合材等新型复合材料具有强度高、耐腐蚀、刚性好、质量轻等优良特性，在许多方面都得到了应用（图2-31）。
新课讲解
三、材料的应用
1.半导体
（1）半导体是具有优异特性的微电子材料。从导电性能上看，半导体的电阻率介于金属导体（电阻率＜10-3Ω·m）和绝缘体（电阻率＞10Ω·m）之间。
微电子工业中使用的半导体材料主要是硅和砷化镓。硅的机械强度高，结晶性好，在自然界中储量丰富，成本低，是制造晶体管和集成电路的主要材料。在微电子工业中，集成块是利用集成工艺将晶体管、电阻、电容及它们之间的连线集成在一块半导体芯片上制成的（图2-32）。集成电路是电子设备最重要的元件之一。
新课讲解
(2)微电子工业中使用的半导体材料主要是硅和砷化镓。硅的机械强度高,结晶性好,在自然界中储量丰富,成本低,是制造晶体管和集成电路的主要材料。
随着半导体器件的特性尺寸越来越接近原子极限，越来越多的新器件概念被提出，如自旋器件、铁磁存储器、量子晶体管等。
半导体是电子信息产业的基础，是许多工业整机设备的核心，作为芯片、存储器等应用在计算机、通信、军事、工业医疗等各个领域。半导体技术在各个领域的应用大大提高了生产效率，为人们带来各种便利，同时极大地推动着社会的文明和进步
新课讲解
2.纳米材料
纳米是长度单位，1nm＝10-9m。粒度在1～100nm的材料称为纳米材料。
人们发现，当材料小到纳米尺度时，其力、热、声、光、磁等方面的某些性能会突变。碳纳米管（图2-34）是目前纳米材料研究领域的热点之一。碳纳米管是由碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几纳米到几十纳米，管壁厚度仅为几纳米，五万根碳纳米管集中起来也只有人的一根头发丝粗。它的成分和石墨一样，但韧性很高，导电性极强，兼具金属和半导体的特性。
新课讲解
纳米材料在短短的十几年中发展十分迅速，填补了一个曾被忽略了的小尺度材料科学研究的空白，使人们对物质世界的认识又向前迈进了一大步；同时，它也为新型材料的发明开辟了一个崭新的天地，显示出强大的生命力。纳米材料的应用范围十分广泛，如在文物保护方面，利用溶胶与凝胶相结合的方法，把新研制的纳米材料制成一种透明的胶体，涂在文物表面，可形成一种“无机膜”，使文物完全与外界隔离，有利于文物的长期保护。
新课讲解
3.石墨烯
(1)石墨烯:由单层原子构成的材料,碳原子之间相互连接成六角网格。
(2)石墨烯的特性:优异的光学、电学、力学特性,是已知强度最高的材料之一,并且能弯曲,有很好的韧性。
(3)用途:①制作传感器;②制作晶体管;③作为柔性显示屏的基础材料。
课堂练习
Classroom Practice
课堂练习
1.(多选)按照材料的应用领域,可把材料分为（ ）
A.信息材料 B.金属材料
C.建筑材料 D.航空航天材料
ACD
课堂练习
2.关于材料的分类，以下说法不正确的是(　　)
A.按照材料的特性，可以把材料分为结构材料和功能材料
B.功能材料主要是利用材料的力学性质来分类的
C.按照材料的应用领域可以把材料分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等
D.根据不同的分类方法，同一种材料可以同属于多种类型材料
课堂练习
解析：按照材料的特性，可以把材料分为结构材料和功能材料，A正确；功能材料主要是利用材料的声、光、热、电、磁等特性来分类的，B错误；按照材料的应用领域可以把材料分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等，C正确；根据不同的分类方法，同一种材料可以同属于多种类型材料，例如，铝既属于金属材料，又属于导电性很强的功能材料，还属于航空航天材料，D正确。
课堂练习
3.(多选)下列关于材料的说法正确的是 （ ）
A.金属材料是指金属及其合金,通常合金的性能优于纯金属
B.合成橡胶、合金都属于复合材料
C.塑料属于有机高分子材料
D.玻璃是无机非金属材料
ACD
课堂练习
4.如图所示为石墨、石墨烯的微观结构,石墨烯是单层的石墨,可以通过剥离石墨而获得,是现有材料中厚度最薄、强度最高、导热性最好的新型材料。下列说法正确的是 （ ）
A.单层石墨烯的厚度约在厘米数量级
B.石墨烯可以通过物理方法获得
C.石墨和石墨烯中的碳原子都固定在六边形
的顶点不动
D.石墨烯熔化过程中吸热,碳原子的平均动能增加
B
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