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第二十一章 能源、材料与社会
第3节 跨学科：材料的利用与开发
1.能结合实例了解一些新材料的特点及其应用，知道材料对人类社会发展的促进作用。
2.梳理人类利用材料的历史和人类社会发展史，知道材料技术的研发与应用对社会发展的推动作用。
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
观察思考
人类使用材料的历史已经历了以下几个时代：为石器时代、青铜器时代、铁器时代。
1.石器时代
人类主要以石头、骨头、木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 。
知识点一、人类早期对材料的利用
2.青铜时代
大量使用青铜作为第一种合金做工具、青铜礼器的时期 。
3.铁器时代
人类使用铁来制造工具和武器 。
材料的导电性是物理学研究的一个重要方面。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。
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，是不是所有的材料都可以导电呢
1. 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
【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。
知识点二、导电性材料的利用与开发
【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能导电。
【探究结论】不同材料的导电能力一般是不同的。
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。
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。
（1）基本概念
①导体
容易导电的物体，内部有大量可自由移动的电荷。金、银、铜、铁等金属材料是导电性能较好的良导体，导体，通常被用来制成传导电流的导线。
②绝缘体
不容易导电的物体，内部几乎没有能自由移动的电荷。一般情况下，玻璃和橡胶等材料都是绝缘体，常用来隔离带电体。
电缆内部的导线用来传导电流，外部的绝缘材料则用来绝缘
2. 导体、半导体和绝缘体
材料的导电性能是由材料内部电子的运动状况决定的。
③半导体
导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。自由电荷数量受光、温度、压强等因素的影响。 硅、锗、砷化镓等是常用到的半导体材料，由于其特殊性被广泛应用在现代电子科技产品中。
硅材料常用于
制造半导体元件
2. 半导体元件
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。
从常用的电器，如收音机、录音机、电视机、 电脑等中，都可以找到大量的半导体元件。
半导体元件—三极管
集成电路
常用电器中的半导体元件
（1）二极管
外形及电路图中的符号：有两根引线，如图甲所示，一根是正极，一根是负极；二极管在电路图中的符号如图乙所示。
（2）二极管的单向导电性
【实验材料】电源、灯泡、开关、导线、接线板、 接线柱、半导体二极管。
+
-
实验探究
实验现象
实验结论 【设计并进行实验】
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。
灯泡发光
灯泡不发光
二极管仅允许电流从一个方向通过（单向导电性）
+
+
（3）发光二极管
发光二极管（简称为LED）在导电时发光，它的外形和普通二极管有所不同，在电路中的符号如图所示。
①一般发光二极管的正常工作电流约为10mA，但在3 mA左右时就能发光，而一般小灯泡、氖灯要几百毫安才能发光，这比使用小灯泡要省电，而且更灵敏。
②不同的发光二极管可以发出不同颜色的光，这主要与构成发光二极管的材料有关。有的城市街道上的红绿灯就是用发光二极管制作的。在大型平板上嵌入许许多多发光二极管可以制成大屏幕，用来显示图像和文字。
1.超导材料
什么是超导现象？
什么是超导材料？
材料温度降低到一定时，电阻降低到几乎为零的现象叫超导现象，发生超导现象的材料叫超导材料。
超导磁浮现象
知识点三、开发新材料
超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。
利用超导体做输电线实现远距离输电有什么好处？
可以实现远距离大功率输电，因为超导输电线可以无损耗地输送极大的电流。
利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体制成的超导发电机，可以将发电机的磁场强度提高到5—6万高斯，而且几乎没有能量损失，与常规发电机相比，超导发电机的单机容量提高5—10倍，发电效率提高50%；
超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户，超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。
迈斯纳和奥林菲尔德发现的超导磁浮现象有什么重大意义？
用超导体可以实现交通工具的无摩擦运行，大大提高交通工具的运行速度。
超导输电线路
超导计算机
超导材料是一种电阻为零的材料。
(1)超导现象：一些材料，当温度降到某一值时，电阻变为零的现象。
(2)超导体：能够发生超导现象的物质。
小 结
什么是纳米材料？
纳米材料有哪些特殊性能？
合成材料的基本单元大小限制在1—100nm范围内的材料是纳米材料，其基本单元的尺度小，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。
取向碳纳米管材料
2.纳米材料
纳米机器人
纳米导线
(1)“纳米”是长度单位，1nm = 10-9m。
(2)纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在 1~100nm范围的材料。
(3)特性：特殊的力学性质、热学性质、光学性质和磁学性质等。
(4)应用：大大提高材料的强度、硬度，降低烧结温度，提高材料的磁性等。
小 结
跨学科
：材料的利用与开发
人类早期对材料的利用
导体
半导体
开发新材料
超导材料
纳米材料
导电性材料的利用与开发
绝缘体
1．在人类发展的历程中，青铜发挥重要作用。青铜比纯铜更适合制造工具的主要原因是( )
A．更轻便、易加工
B．更坚硬、强度更高
C．颜色更美观
D．导电性更好
B
2．关于半导体材料的说法正确的是( )
A．电阻极大，电流无法通过
B．导电性介于导体和绝缘体之间
C．只能用于制作导线
D．温度升高时导电性变差
B
3．自动驾驶技术将成为未来汽车的主流配置。自动驾驶需要强大的AI芯片支持，制作芯片的主要材料是( )
A．半导体 B．超导体
C．绝缘体 D．导体
A
4．下列关于材料发展的说法正确的是( )
A．青铜是纯铜，因其强度高被广泛使用
B．铁器的使用标志着人类进入青铜器时代
C．纳米材料的基本单元尺度通常在1～100 mm范围内
D．超导材料在特定温度下电阻趋近于零
D
5．高压输电的过程中由于电流的 ，高压线总要向空气中散热。陆着科技的发展， (选填“纳米材料”“半导体材料”或“超导材料”)的出现，为我们将来利用其零电阻特性实现远距离大功率输电提供了可能。
热效应
超导材料

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