资源简介

(共46张PPT)
跨学科：材料的利用与开发
第三节
第二十一章能源、材料与社会
（沪科版）九年级
全
01
课标解读
02
学习目标
03
激趣导入
04
新知探究
05
实验探究
06
归纳总结
07
拓展延伸
10
作业布置
09
课堂小结
08
练习与应用
课标解读
结合2022版初中物理新课标内容，其对跨学科材料的利用与开发的具体要求：
1.贴合固定主题框架：要围绕“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”3个二级主题及下设的9个三级主题。
2 聚焦多学科融合：打破学科壁垒，关联多学科知识。能结合实例了解一些新材料的特点及其应用，了解半导体、超导体、纳米材料等的主要特点。
3. 立足真实实践场景：材料要紧扣生活实际、工程应用和社会热点。
学习目标
1.能结合实例了解一些新材料的特点及其应用，了解半导体、超导体、纳米材料等的主要特点；
2.能体会新材料技术的研发与应用对社会发展的影响；
3.能感受到超导、纳米等新材料的神奇，能体会科技发展无止境，人类的探索将不断深入。
激趣导入
科学技术的发展离不开材料的开发，科学技术的进步伴随着新材料的出现。那么，材料在人类社会发展中，开发和利用情况又是怎样的呢？
超导磁浮现象
新知探究
一、人类早期对材料的利用
1.天然材料和人造材料
（1）天然材料：把直接取自自然界的材料称为天然材料，如木材、棉花和陶土等；
新知探究
(2)人造材料:由人工合成的材料称为人造材料，如塑料与合金等。
塑料树脂
合金
新知探究
2.石器时代、青铜时代和钢铁材料时代
（1）石器时代
100多万年前，原始人把不同性能的天然材料制成工具或生活用品。
原始人制造的工具
新知探究
（2）青铜时代
三星堆遗址出土的青铜面具，距今已有3000余年的历史，通过在冶炼铜时加入少量的锡，人们获得了比纯铜更坚硬、密度更小、强度更高的青铜。
三星堆的文物
新知探究
（3）钢铁材料时代
铁的利用为人类大规模制造机器提供了材料基础，开创了人类历史的又一个新纪元。以铁为主发展出的高性能钢铁材料，如今已经成为材料家族的主体。
新知探究
二、导电性材料的利用与开发
1.根据材料的导电性能，材料可分为导体、半导体及绝缘体三大类。
导线
半导体芯片
橡胶
新知探究
（1）导体：容易导电的材料，内部存在大量可自由移动的电荷。
金属中的自由电子
电解质溶液中的离子
新知探究
金、银、铜、铁和铝等金属材料以及酸/碱/盐的水溶液。都是导电性能较好的导体，如铜、铝等常被用来制成传导电流的导线。
铜线 铝线
新知探究
（2）绝缘体：不容易导电的材料，内部几乎没有可自由移动的电荷，电流难以通过，绝缘体常常被用来隔离带电物体。
常见的绝缘体橡胶、玻璃、塑料、干燥的木材。
新知探究
电缆内部的导线与绝缘材料
导线
绝缘材料
注意：导体与绝缘体并没有绝对界限，绝缘体在一定条件下可以变成导体。
新知探究
（3）半导体材料：导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，例如：硅、锗、砷化镓等。
半导体材料可制成二极管、三极管等半导体元件和集成电路。
新知探究
在收音机、录音机、电视机、计算机等常用电器的内部，都可找到大量的半导体元件。
常用电器中的半导体元件
新知探究
半导体元件具有许多独特的功能。半导体二极管具有单向导电性，即仅允许电流由一个方向通过元件。半导体三极管可用来放大电 信号。
实验探究
探究半导体二极管的单向导电特性
（1）实验器材：电源、灯泡、开关、导线、接线板、 接线柱、半导体二极管。
二极管有两个引脚，长脚为正极，短脚为负极。
正极
负极
迷你实验室
符号:
_
+
实验探究
（2）实验步骤
①正向连接电路 ： 按照电池正极→开关→二极管正极→二极管负极→小灯泡→电池负极的顺序连接电路。
②闭合开关，观察小灯泡的发光情况。
③反向连接电路 ：保持其他器材连接不变，调换二极管的两个引脚。
④闭合开关，观察小灯泡的发光情况。
实验探究
视频：探究半导体二极管的单向导电特性
实验探究
归纳总结
开关闭合后二极管发光
开关闭合后二极管不发光
实验结论：二极管仅允许电流从一个方向通过（单向导电性）。
（3）实验现象以及实验结论
新知探究
三、开发新材料
1. 超导体材料
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 4.2K（-268.8℃）时汞的电阻值突然降低到几乎为零，从而发现超导现象。
温度T/K
4.2
电阻
R/Ω
O
汞电阻随温度变化的图像
新知探究
（1）超导现象：当温度降低到绝对零度附近时，某些材料的电阻率突然变为零的现象叫做超导现象。
（2）发生超导现象的材料叫超导材料。
（3）超导临界温度
物质的电阻变为零时的温度叫做这种物质的超导转变温度或超导临界温度。不同物质的超导临界温度不同。
1933年，迈斯纳和奥森菲尔德发现了超导磁浮现象。
（4）超导磁浮现象
超导磁浮现象
新知探究
（5）超导材料的应用
① 超导输电：超导材料处于超导状态时电阻为零，能够无损耗地传输电能，这意味着用细电线就可以输送极大的电流。
新知探究
② 超导磁浮：用超导磁浮特性可以实现交通工具的无摩擦运行，可以大大提高交通工具的运行速度。
超导计算机
新知探究
将超导体应用于电子工业，在低温环境中大大减小这些电子元件的体积和能耗（因不必考虑散热问题，超导电子元件可以做得很小）。
新知探究
视频：超导材料的应用
新知探究
2.纳米材料
（1）概念
纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在1～100nm 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。
（2）特性
纳米材料除了其基本单元的尺度小以外，在力、 热、声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的性能。例如它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。
如图是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。
一种纳米尺度机器的局部
新知探究
纳米机器人
纳米电线
新知探究
知识拓展
学 科 综 合
超轻固态材料气凝胶
气凝胶是由石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水溶液在低温环境下经冻干、去除水分、保留骨架而制成的，它是一种超轻的固态材料。
将一个马克杯大小的气凝胶放在狗尾草上，纤细的草须也不会被压弯狗。
“全碳气凝胶”的结构韧性也十分出色，在数千次被压缩至原体积的 20% 之后也能迅速复原。它还是吸油能力最强的材料之一，吸收量可高达自身质量的 900 倍。
知识拓展
视频：超轻固态材料气凝胶
知识拓展
材料的疏水性
知识拓展
科学书屋
1.阅读课文材料的疏水性，说一说莲花为什么能出淤泥而不染？
莲花之所以能出淤泥而不染，是因为莲叶表面结构与粗糙程度皆为纳米尺度，使其能够达到不沾水的状态，灰尘和泥巴也就无法吸附在其上了。
2.你知道有哪些昆虫翅膀带有纳米结构？
知识拓展
蜻蜓：其翅膀表面布满高度约200纳米、间距约100纳米的纳米级柱状突起，这种结构让翅膀具备极佳疏水性。
知识拓展
蝴蝶 ：翅膀覆盖着排列整齐的微小鳞片，鳞片表面有纳米级的沟壑与脊脉。这种结构让翅膀具备极佳疏水性。
知识拓展
蝉：翅膀上布满蜡质的纳米柱结构。晨露等水分落在翅膀上会聚集形成水珠，水珠相互融合变大后，会顺着这些纳米结构滚落，同时带走灰尘，蝉抖动翅膀还能加速水珠滚落，保障飞行不受影响。
练习与应用
1.近年来，我国航天事业取得了辉煌成就。为了让航天器更轻巧，部分构件采用碳纤维复合材料。由此可知，碳纤维复合材料具有的特性是（ ）
A．质量小
B．密度小
C．弹性强
D．硬度高
B
练习与应用
2. 2025年诺贝尔物理学奖颁给约翰 克拉克、米歇尔 德沃雷特、约翰 马丁尼斯，他们利用超导体构建了电路，实现不同量子态之间的隧穿，超导体在临界温度时 （　　）
A．电流很小
B．硬度很高
C．电压很高
D．电阻为零
D
练习与应用
3.信息技术给人类带来了巨大的影响；集成了成千上万个电子元件的芯片，既小又轻，连蚂蚁都能搬动，芯片主要是由_______材料制成的；超导技术有着广泛的应用前景，人们正在进行深入探索，请你列举一个适合应用超导材料的实例________________ 。
半导体
超导输电线
课堂小结
跨学科：材料的利用与开发
人类早期对材料的利用
根据材料的导电性能分类:导体、半导体、绝缘体
半导体元件:二极管、三极管等
超导材料
特性:超导磁浮现象和零电阻性
超导材料的应用
纳米材料
定义
特性
应用
导电性材料的利用与开发
开发新材料
半导体二极管具有单向导电性，半导体三极管可用来放大电信号
作业布置
1.完成课后巩固练习。
2.请查阅资料，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。
3.查阅资料，了解人类对超导材料、纳米材料的利用与开发的新动态，完成一篇相关的科普报道，与大家分享。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

展开更多......

收起↑