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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
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。
从石英中提取的硅可用于电子(半导体)、能源(太阳能电池)、建筑(玻璃、水泥)、化工(硅胶)等领域，是现代工业和科技发展的关键材料之一。
碳化硅衬底
单晶硅
太阳能板
药用低硼硅玻璃管
液态硅胶
1.了解人类早期对材料的利用。
2.知道半导体、超导体、纳米材料等的主要特点。
3.了解新材料技术的研发与应用对社会发展的影响。
知识点一、人类早期对材料的利用
1. 旧石器时代和新石器时代
100 多万年以前，原始人就学会利用不同性能的天然材料了，如把木料、石头、动物的皮、骨等制成工具或用作生活用品。
这是原始人智力发展中迈出的重要一步。随着制造技能的不断提高，人类经历了旧石器和新石器时代。
原始人制造的工具
2. 青铜器时代
大约在 5000年前，人类学会了冶炼金属铜并用其来制造工具。我国有着举世闻名的青铜文化，如三星堆出土的青铜器文物，其造型、工艺以及蕴含的深意等让世界惊叹！
后来通过在冶炼铜时加入少量的锡，获得了比纯铜更坚硬、密度更小、强度更高的青铜。青铜的利用提高了社会生产力，人类从此进入了青铜器时代。
三星堆的文物
3. 高性能钢铁时代
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。
材料的发展促进了社会的发展，也为科学技术的发展提供了物质基础。同时，材料的发展及大量使用也带来了许多资源和环境问题。
炼铁车间
知识点二、导电性材料的利用与开发
（1）导体
材料的导电性能是由材料内部电子的运动状况决定的，金、银、铜、铁和铝等金属材料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。
（2）绝缘体
绝缘体的电阻很大，电流几乎不能通过，因此，类似橡胶那样的绝缘体常常被用来隔离带电物。
电缆内部的导线与绝缘材料
1. 导体、半导体和绝缘体
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。
（3）半导体
半导体材料的导电性能介于导体与绝缘体之间。具有一些特殊的物理性质，如材料硅、锗和砷化镓等都属于半导体。
半导体晶片
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
【二极管简介】
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。
【实验材料】
电源、灯泡、开关、导线、接线板、 接线柱、半导体二极管。
+
-
探究半导体二极管的单向导电特性
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）。
【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。
汞电阻随温度变化的图线
知识点三、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零，从而发现超导现象。
发生超导现象的材料叫超导材料。
为了制造物美价廉、性能更好的物品，人们正不断地研究性能更好、更有价值的新材料，如超导材料、纳米材料等。
（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）超导磁浮现象
1933年，迈斯纳和奥森菲尔德发现了超导磁浮现象。
超导磁浮现象
（4）超导材料的特性和应用前景
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。
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。
上海磁悬浮列车
③ 超导发电机、电动机
用超导材料做导线制作发电机 、电动机的线圈，线圈不会发热，可以大大提高发电机和电动机的效率。
④超导计算机
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）。
视频：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1～100nm范围内的材料，这大约相当于10～1000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。
（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）
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。
“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。目前科学家正在对这一材料的性能做进一步的应用性研究。
狗尾巴草须托起的气凝胶
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。
超轻固态材料气凝胶
事实上，纳米材料并不神秘，也不是人类的专利，纳米材料存在于自然界之中。例如，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。另外，许多昆虫的翅膀表面具有纳米粒子，只要一抖动翅膀就可将雨水和灰尘抖落，从而不影响飞行。
莲花
材料的疏水性
材料的开发和利用
①人类社会发展经历的材料时代：
旧石器和新石器时代→青铜器时代→高性能钢铁时代.
②材料与社会：促进社会的发展，也带来资源和环境问题.
①导电性：导体、半导体和绝缘体.
②半导体元件：二极管及单向导电性；三极管；集成电路.
③半导体的应用：自动控制系统、收音机、电视机、计算机.
①超导材料：温度降到某一值时，电阻变为零.
应用：输送电能、超导磁浮、电动机线圈.
②纳米材料：提高材料的强度和硬度，降低烧结温度，提高材料的磁性。应用：微小机器、计算机导线、量子磁盘等.
开发新
材料
材料的
导电性
材料与
社会
1.当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会变为零，这种物质叫超导体。假如有室温环境中的超导体，可用它来制作（　 ）
A．电饭煲的电热丝 B．白炽灯的灯丝
C．输电导线 D．滑动变阻器的电阻丝
C
2.华为智能手机所搭载的7纳米制造工艺麒麟980芯片，“在指甲盖大小的尺寸上塞进69亿个晶体管”，实现了性能与能效提升的新突破，这都得益于一种新型材料的研发。这种新型材料是（　　）
A．超导材料 B．磁性材料
C．纳米材料 D．绝缘材料
C

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