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第三节 跨学科：材料的利用与开发
第二十一章 能源、材料与社会
学习目标
课时讲解
1
课时流程
2
人类早期对材料的利用
导电性材料的利用与开发
开发新材料
逐点
导讲练
课堂小结
作业提升
知1－讲
感悟新知
知识点
人类早期对材料的利用
1
1.人类使用材料的历史
发展阶段 对社会的影响 图示
石器时代 人类主要以石头、骨头、木料制作简单的工具，陶器的出现是人类跨入新石器时代的重要标志之一
青铜时代 大量使用金属铜作为第一种合金做工具，后来在冶炼铜时加入少量锡，获得了比纯铜更坚硬的青铜 铁器时代 人类使用铁来制造工具和武器
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2.材料发展与环境的关系
社会发展带动了材料的研发，新材料的出现又促进了社会的发展，但材料的大量使用也带来了不少资源浪费和环境污染问题。
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知1－讲
知识拓展
铁器时代是以使用铁器为标志的人类物质文化发展阶段的最初时期。这一时代约开始于公元前 1500年 ~ 公元前 1000 年。由于铁比青铜坚硬，铁器的使用增强了人类改造自然的能力。自然界中铁矿分布远比铜矿普遍，铁器发明后，较短时期内便淘 汰 掉 青 铜 器 和 石器，社会生产获得了巨大发展，人类历史产生了深刻变化。
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知2－讲
知识点
导电性材料的利用与开发
2
1.导体、半导体及绝缘体
导体 绝缘体 半导体
概念 容易导电的物体 不容易导电的物体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物体
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导体 绝缘体 半导体
常见物体 各种金属、酸碱盐的水溶液、石墨、人体、大地等 玻璃、橡胶、塑料、油、纯净的水、空气、陶瓷等 硅、锗、砷化镓等
应用
知2－讲
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知识点拨
材料的导电性能是由材料内部电子的运动状况决定的。如金属中含有大量的自由电子，故容易导电，而大多数非金属由于含有的自由电子数很少，故不容易导电。电解质导电是因为离子化合物溶解时产生了阴、阳离子从而具有导电性。
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2.半导体材料
(1) 半导体材料可以制成二极管、三极管等半导体元件和集成电路。半导体二极管具有单向导电性，半导体三极管可以用来放大电信号。
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(2) 探究半导体二极管的单向导电特性
实验过程 如图，让电流从二极管的正极流入 如图，让电流从二极管的负极流入
实验现象 灯泡发光 灯泡不发光
实验结论 从以上的实验现象可以看出，二极管只允许电流由一个方向通过元件，这种性质叫做二极管的单向导电性
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知识点拨
发 光 二 极 管：LED 是建立在半导体晶体管上的半导体发光二极管，采用 LED技术。半导体光源体积小，可以实现平面封装，工作时发热量低、节能高效、产品寿命长、反应速度快，而 且 绿 色 环 保 无 污染，还能开发成轻薄短小的产品，一经问世，就迅速普及，成为新一代的优质照明光源。
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小凝同学将电源、一个玻璃珠、小灯泡、开关用导线
连接成了如图 1 甲所示的电路，闭合开关后，发现小灯泡不发光，说明，此时的玻璃珠是 _____体。接着如图乙所示，她用酒精灯给玻璃珠加热到红炽状态时，发现小灯泡发光，此时小 灯 泡 中 的 电 流 方 向 是_______ (填“向 右”或“向 左”)的。这时的玻璃珠是____ 体。这个实验说明 __________________________
_____________。
例1
绝缘
向右
导
在一定条件下，导体和绝缘体
可以相互转化
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解析： 图甲电路中小灯泡不发光，说明电路不通，无电流，说明玻璃珠在常温下是绝缘体；当玻璃珠加热到红炽状态时发现小灯泡发光，说明此时电路是通路，说明玻璃珠在红炽状态下是导体；此时小灯泡中的电流方向是向右的；根据实验现象可得出的结论为：当条件改变时，绝缘体可以变成导体，即导体和绝缘体没有绝对的界限，在一定条件下，导体和绝缘体可以相互转化。
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方法点拨
类比理解二极管的单向导电性：
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思路点拨
常温下小灯泡不发光
玻璃珠是绝缘体
在一定条件下，导体和绝缘体可以相互转化
玻璃珠加热到红炽状态下小灯泡发光
玻璃珠是导体
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知识点
开发新材料
3
1.超导材料
(1) 超导现象 1911 年，昂内斯在研究汞电阻随温度的变化时，观察到在温度降低到 4.2 K 时汞的电阻值突然降低到几乎为零。这种现象称为超导现象。
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知识拓展
超导输电： 由超导材料制作的超导电线和超导变压器，可以把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，用铜或铝导线输电，约有 15% 的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电 力 损 失 即 达 1 000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。
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(2) 超导材料 发生超导现象的材料称为超导材料。
(3) 超导材料的性质及应用
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零电阻 实现远距离大功率输电，是因为超导输电线可以无损耗地输送极大的电流。这意味着用细电线就可以输送强电流
超导磁浮现象 利用超导体来实现交通工具的无摩擦运行，这将会大大提高交通工具的运行速度
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2.纳米材料
(1) 纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在 1~100 nm范围内的材料，这大约相当于 10~1 000 个原子紧密排列在一起的尺度。
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(2) 纳米材料特性及应用
知3－讲
特性 应用
基本单元的尺度小 研制纳米尺度的微小机器、纳米尺度的导线、量子磁盘。用纳米技术做成的所谓量子磁盘，每平方厘米的面积内可以贮存 3 万部《红楼梦》
在力、热、声、光、电、磁等方面有特殊性能 普通陶瓷很脆，而纳米陶瓷材料具有良好的韧性；发动机缸体要承受的温度很高，用纳米陶瓷粉制成的陶瓷具有一定的耐高温性，能用来制造发动机的缸体；纳米材料还能降低烧结温度，提高材料的磁性等
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(3) 纳米材料应用前景
专家预言，借助纳米技术，未来我们有可能用基因芯片、蛋白 质芯 片组 装成“纳 米机 器人”，通 过血 管送 入人体去侦察疾病；携带 DNA 去更换或修复有缺陷的基因片段。 有 可 能 用 纳 米 药 物 来 阻 断 血 管“饿 死”癌 细 胞。 使用纳米诊断仪只需检测微量血液就可以从蛋白质和 DNA上诊断出各种疾病。利用碳纳米管，我们可以搭建强度比钢高一百倍，但重量只有钢的六分之一的新型建筑，摩天大楼将建得更高。而用碳纳米材料替代硅芯片，将引发电脑行业的革命……
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知3－讲
延伸拓展
“纳米家电”真 “纳米”吗？
并 不 是， 如 纳米冰箱，通常是添加了氧化钛的纳米无机物，具备了一定的抗菌性能；所谓纳米洗衣机，也只能说是添加了纳米材料的洗衣机，而且纳米材料还只是应用在滚筒洗衣机外桶的内壁上，对于最容易产生污垢的内桶的外壁还没有很好的解决办法。
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超导体若能应用到社会生活中，会给人类带来很大
的好处。各国科学家一直在努力寻找能够在室温下工作的超导材料。假如科学家已研制出室温下的超导材料，你认为它可以用来做(　　)
A. 电炉中的电阻丝 B. 白炽灯泡的灯丝
C. 保险丝 D. 远距离输电线
例2
知3－练
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解析： 电炉中的电阻丝、白炽灯泡的灯丝和保险丝都是利用电流的热效应来工作的，而超导材料的电阻为零，所以电流在通过超导材料时，不会产生热量；进行远距离输电时，由于输电线有电阻，所以电流在通过输电线时会产生热量，会消耗掉一部分能量，如果用超导材料做输电线，在输电线上不会消耗能量，故超导材料可以用来做远距离输电线。
答案：D
知3－练
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思路点拨
电阻丝
灯丝
保险丝
超导
材料
电流热
效应
Q=I2Rt
超导
材料
不能
做电
热材料
电阻
R=0
跨学科：材料的利用与开发
超导材料
纳米材料
材料的利
用与开发
材料的
导电性
开发新
材料
导体
半导体
绝缘体

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