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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
初中物理沪科版（2024）九年级全一册
1
能结合实例了解一些新材料的特点及其应用。
2
了解半导体、超导体、纳米等材料的主要特点。
3
能体会新材料技术的研发与应用对社会发展的影响。
学习目标
1.电炉通电后，电炉丝热得发红，而与电炉丝相连的导线却不怎么热，对于这种现象，它们各自进行了解释，其中观点正确的是(　　)
A.导线说：“因为我的电阻小”
B.电炉丝说：“因为我的电阻小”
C.导线说：“因为通过我的电流小”
D.电炉丝说：“因为通过我的电流大”
A
温故知新
2.自从扫描隧道显微镜发明后，世界上就诞生了一门以0.1~100纳米这样的单位为研究对象的前沿科学，这就是纳米技术。它以空前的分辨率为人类揭开了更加广阔的微观世界，这里所说的纳米是指(　　)
A.长度单位 B.面积单位
C.体积单位 D.温度单位
A
书本、课桌、黑板，道路、高楼、桥梁，手机、彩电、冰箱……我们周围大大小小的物品都是由各种材料制成的。
正如人类开发和利用能源那样，人类社会的发展与人们对材料的认识、开发和利用密切相关。
集成电路生产线
情景引入
活动1　阅读教材第211~212页中“人类早期对材料的利用”标题下的内容并解决以下问题。
1.请将以下材料归类到天然材料和人造材料对应的横线上：
木材、塑料、棉花、玻璃、石头、陶瓷、动物皮、金属合金
天然材料：__________________________。
人造材料：__________________________。
木材、棉花、石头、动物皮
塑料、玻璃、陶瓷、金属合金
合作探究
一、人类早期对材料的利用
时间 主要使用材料 标志性事件或特点
100多万年前 石器 人类开始制造和使用简单的____工具
约5 000年前 陶器 人类掌握了烧制陶器的技术，用于储存和烹饪等
铜加入锡后 青铜 _________出现
铁被广泛利用后 铁制工具和器具 生产力大幅提高
石器
青铜合金
原始人制造的工具
三星堆的文物
2.根据所学内容，完善以下关于人造材料利用发展的时间线表格。
中国古代发明了造纸术，纸张在书写和传播文化方面发挥了重要作用。从材料分类看，纸张属于　　　　(选填“天然材料”或“人造材料”)，在造纸过程中，将树皮等原料进行蒸煮、舂捣等处理，从物理角度看，舂捣过程改变了原料的　　　　(选填“形状”“质量”或“密度”)。
人造材料
解析　纸张是通过人工对树皮等原料进行一系列加工制成的，并非直接取自自然界，属于人造材料。舂捣过程是通过外力对原料进行处理，使其变得更细碎，改变的是原料的形状，在不考虑舂捣过程中损失微小碎屑的情况下，质量不变，物质种类不变则密度也不变。
形状
学以致用
用导线将一只灯泡连接到电源两端，闭合开关，灯泡发光。这说明电流通过导线经过了灯泡，因此我们知道导线是可以导电的。那么，导电性是否仅存在于导线中？其他材料(如塑料、玻璃)能否导电？
材料的导电性是物理学研究的一个重要方面。根据材料导电性能的不同可以把材料分为导体、半导体、绝缘体三类。
合作探究
二、导电性材料的利用与开发
【设计并进行实验】设计如图所示的电路，分别将硬币、铅笔芯、橡皮、塑料尺接入电路A、B之间，观察灯泡是否发光。
【实验现象及分析】
观察到当硬币和铅笔芯接入电路后灯泡发光，说明硬币和铅笔芯可以导电。当橡皮和塑料尺接入电路后灯泡不发光，说明橡皮和塑料尺不容易导电。
【探究结论】不同材料的导电能力一般是不同的。
实验探究：不同材料的导电性有何不同
【提出问题】硬币、铅笔芯、橡皮、塑料尺等材料，它们的导电性能相同吗
如图所示是常温下一些材料的导电性能和绝缘性能的排列顺序。从左到右，绝缘能力越来越强；从右到左，导电能力越来越强。
类别 导电性能 常见材料举例 应用场景
导体 ______导电 铜、铝、银等金属 电线电缆、电器元件等
半导体 导电性能介___ ___和_____之间 硅、锗等 二极管、三极管、集成电路等
绝缘体 ________导电 橡胶、塑料、陶瓷等 电线外皮、电器外壳等
容易
导
体
绝缘体
不容易
电缆内部的导线用来传导电流，外部的绝缘材料用来隔离带电物体。
活动2　阅读教材第212~213页中“导电性材料的利用与开发”标题下的内容并完成表格。
【实验材料】电源、灯泡、开关、导线、接线板、 接线柱、半导体二极管。
【设计并进行实验】
实验探究 将二极管连入电路，使电流从二极管的正极流入，从负极流出； 将二极管连入电路，使电流从二极管的负极流入，从正极流出。
实验现象 灯泡发光 灯泡不发光
实验结论 +
-
二极管仅允许电流从一个方向通过(单向导电性)
活动3　探究二极管的导电性
1.如图所示，将二极管接入甲、乙电路，画出探究二极管的单向导电性的电路图。
答案　
2.结合上图，二极管的C端接电源负极时，二极管相当于______；二极管的D端接电源负极时，二极管相当于______。这说明二极管具有_______
______。
通路
断路
单向导
电性
1.(2024·大同新荣区期末)目前在汽车上搭载的芯片越来越多，从动力系统，到车机系统，再到安全系统，都能看到芯片的大量应用。制造芯片的核心材料是(　　)
A.导体 B.半导体
C.绝缘体 D.超导体
B
学以致用
2.发光二极管是由　　　　材料制成。两只水果点亮了一只发光二极管(如图)，两水果之间　　　 (选填“串联”或“并联”)。现将二极管正负极接线对调，二极管不发光，此时水果电池的正负极之间_____(选填“有”或“没有”)电压。
半导体
串联
有
自主阅读课本213~215页，“开发新材料”部分的内容，并思考以下问题：
1.超导现象是如何发现的？临界温度指什么？
2.超导材料有哪些独特优势？
3.超导磁悬浮现象原理及应用？
4.纳米材料的定义是什么？
5.纳米材料在力、热、声、光、电、磁等方面表现出哪些特殊性能？
6.纳米材料有哪些应用实例？
合作探究
三、开发新材料
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 4.2K(-268.8℃)时汞的电阻值突然降低到几乎为 ，从而发现超导现象。发生超导现象的材料叫超导材料。
汞电阻随温度变化的图线
零
(2)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。
(3)超导材料的特性和应用前景
①利用超导体的_______特性超导输电：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。
②超导 ：用超导磁浮特性(完全抗磁性)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。
零电阻
磁浮
超导磁浮现象
视频讲解——《超导》
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__________范围内的材料，这大约相当于_________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， 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。
1~100 nm
10~1 000
(3)应用
①研制纳米尺度的微小机器；
②用纳米材料制作的导线能大大提高计算机的性能，缩小计算机芯片的体积；
③用纳米技术做成的所谓量子磁盘能増大存储容量。
一种纳米尺度机器的局部
计算机芯片中一种直径为纳米级的导线(蓝色)
(2024·宝鸡金台区期中)2024年9月13日，赵忠贤被授予“人民科学家”国家荣誉称号。他带领团队将(Ba.K.)FeAs的电阻接近于零的临界温度提高到50 K以上，并创造了55 K转变温度纪录。赵忠贤用实际行动撰写了中国人以铁杵磨成针的精神，为国家崛起而奋斗的壮丽诗篇。温度达到50 K的(Ba.K.)FeAs是(　　)
A.绝缘体 B.超导体
C.半导体 D.以上说法都不对
B
解析　由题意可知，温度达到50 K的(Ba.K.)FeAs的电阻接近于零，是超导体，故B符合题意。
学以致用
1.(2025·南宁青秀区模拟)某品牌手机是世界首款三折叠手机，在功能上实现了前所未有的突破，它的折叠屏由柔性发光二极管制成，其中制成发光二极管核心的材料是(　　)
A.导体 B.半导体
C.绝缘体 D.超导体
B
解析　柔性发光二极管是由硅和锗等材料制作成，硅和锗是半导体材料，所以柔性发光二极管是用半导体材料制成的，B符合题意。
当堂检测
2.(2025·济宁一模)人工智能(AI)的核心部件离不开半导体材料。关于半导体材料，下列说法正确的是(　　)
A.在任何情况下都能导电
B.电阻值不随温度变化而变化
C.可以制作具有单向导电性的二极管，在智能机器人电路中控制电流方向
D.导电性能介于导体和绝缘体之间，在智能机器人的电路中作为绝缘体
　来防止漏电
C
解析　半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，其在一定条件下才能导电，且电阻会随温度发生变化。由于半导体具有独特的物理性质，可用来制作具有单向导电性的二极管，这种二极管能够在智能机器人电路中起到控制电流方向的作用；同时，半导体并非作为绝缘体防止漏电，而是作为重要的元器件芯片的主要材料应用于智能机器人的电路中，所以关于半导体材料说法正确的是C选项。
3.(2025·枣庄滕州市模拟)当温度降低到一定程度时，某些材料的电阻会突然变为零，这种现象称为超导现象，这种材料称为超导材料。超导材料的应用前景十分诱人，假如科学家研制出室温下的超导材料，它可以应用在图中的(　　)
D
解析　如果用超导材料来制作发热元件，它不会发热。白炽灯的灯丝、电饭锅的发热体、电烤箱的电热丝都不能用超导材料来制作，故A、B、C不符合题意；
电动机主要把电能转化为机械能，如果用超导材料来制作电动机的线圈，线圈就不会发热，可以大大提高电动机的效率，故D符合题意。
4.(2024·盐城滨海县模拟)如图所示，是我国自主研发制造时速可达620千米/小时的世界首台高温超导高速磁悬浮工程化样车，下列有关说法正确的是(　　)
A.超导体是一种电阻很大的材料
B
B.磁悬浮列车与轨道相分离，使得磁悬浮列车与轨道之间摩擦力几乎为零
C.通过异名磁极相互排斥将磁悬浮列车托举起来
D.利用超导材料可制成发热效率更高的电热器
解析　超导现象是指某些导体在低温时电阻几乎变为零的现象，所以超导体是一种电阻很小的材料，故A错误；
磁悬浮列车与轨道分离，是通过使接触面分离的方法减少摩擦的，因为两个面之间不接触，所以其摩擦力几乎为零，故B正确；
磁悬浮列车能悬浮起来，是利用磁极之间的相互作用来工作的，有的是利用同名磁极相互排斥，有的是利用异名磁极相互吸引，故C错误；
超导体是零电阻，所有利用电流热效应工作的电器设备都不能用超导材料制作，所以超导体不能应用在电热器上，故D错误。
5.(2024·恩施州期末)如图所示，碳纳米管是一种具有特殊结构的材料。碳纳米管表现出良好的导电性，也有良好的导热性能，被巨大的压力压扁后，撤去压力，碳纳米管能立即恢复原状。根据上述信息判断，碳纳米管可以制作(　　)
A.电线的外皮 B.潜艇外壳
C.高铁的减震装置 D.消防外套
C
解析　碳纳米管表现出良好的导电性，制作电线的外皮必须是绝缘体，故A错误；
碳纳米管被巨大的压力压扁后，撤去压力，碳纳米管能立即恢复原状，其弹性很好，所以可以制作高铁的减震装置，潜艇外壳需要硬度大的材料，不能具有弹性，所以不能制作潜艇外壳，故B错误，C正确；
碳纳米管有良好的导热性能，消防外套需要隔热性好的材料，所以不能制作消防外套，故D错误。
课堂小结
人类早期对材料的利用
分类:导体、半导体、绝缘体
半导体材料的应用:电视机、电脑等
导电性材料的利用与开发
材料的利用与开发
半导体元件:二极管、三极管等
开发新材料
超导材料
定义
特性:超导磁浮现象和零电阻性
应用
纳米材料
定义
特性
应用
谢谢

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