20.3 材料的开发和利用（教学课件）-【上好课】九年级物理全一册同步高效课堂（沪科版）

第二十章 能源、材料与社会 上海科学技术出版社 义务教育物理课程标准实验教科书编写组  编著 材料的开发和利用 第二十章 能源、材料与社会 第三节 学习目标 1. 知道材料对人类社会发展的促进作用。知道新材料的发展为科学技术发展提供物质基础的同时，也造成了资源的浪费和环境的污染。（物理观念、科学态度和责任） 2. 知道身边形形色色的材料中按导电性不同可分为导体、半导体、绝缘体三大类，并了解导体、半导体、绝缘体的应用。（物理观念、科学思维） 3. 通过观察和实验初步了解半导体的一些特点。（科学思维、科学探究） 4. 知道除“电阻为零”是超导材料的特性外，超导磁浮现象是它的另一重要特性。（物理观念） 5. 收集有关信息，初步了解纳米材料的有关知识。（物理观念） 课堂总结 02 课后作业全解 03 学习新课 01 综合提升训练 04 目录导航 导入新课 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 学习新课 01 第三节 材料的开发和利用 知识一、材料与社会 1. 人类社会发展经历的材料时代 （1）旧石器时代和新石器时代 100 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。 原始人类用石材制造的工具 知识一、材料与社会 （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。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。 铸钟——我国是世界上最早掌握青铜冶炼技术的国家之一 知识一、材料与社会 （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。 2. 材料与社会的关系 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 【例题1】下列物品主要从“硬度”这一物理属性考虑选材的是 （ ） A . 锯铁条的钢锯条 B . 包装盒内的泡沫塑料 C. 扎头发的橡皮筋 D. 教室窗户上的玻璃 A．锯铁条的钢锯条需要硬度较大，故A符合题意； B．包装盒内的泡沫塑料比较软，可以减震，故B不符合题意； C．扎头发的橡皮筋需要有弹性，故C不符合题意； D．教室窗户上的玻璃需要透明，故D不符合题意。 A 知识一、材料与社会 故选A。 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。 知识二、材料的导电性 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。 知识二、材料的导电性 【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。 知识二、材料的导电性 （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。 知识二、材料的导电性 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 知识二、材料的导电性 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 知识二、材料的导电性 （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）. 知识二、材料的导电性 + + 知识二、材料的导电性 （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。 【例题2】如图所示，先后将不同材料接在电路的A、B两点间，闭合开关，能使小灯泡发光的是（ ） A．干木条 B．铜丝 C．塑料棒 D．陶瓷棒 A. 干木条属于绝缘体，所以，不能使小灯泡发光，故A错误； B. 铜丝是导电，能使小灯泡发光，故B正确； C. 塑料袋不易导电，属于绝缘体，不能使小灯泡发光，故C错误； D. 陶瓷棒不易导电，属于绝缘体，不能使小灯泡发光，故D错误． B 故选B。 知识二、材料的导电性 【例题3】LED灯是一种新型的高效节能光源，不仅在保证亮度的基础上节能90%左右，它的核心元件是发光二极管，二极管由下列哪种材料制成（　　） A．半导体材料 B．金属材料 C．陶瓷材料 D．超导体材料 LED灯的核心元件是发光二极管，发光二极管的主要材料是半导体材料。 A 故选A。 知识二、材料的导电性 知识三、开发新材料 1. 超导材料 （1）超导现象 1911年，昂内斯（H. K. Onnes）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。 汞电阻随温度变化的图线 （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。 知识三、开发新材料 （3）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。 超导磁浮现象 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）。 知识三、开发新材料 视频讲解——《超导》 知识三、开发新材料 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， 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。 知识三、开发新材料 （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） 【例题4】石墨烯是一种高分子构成的片状结构材料，这种材料在一定条件下电阻可以降为零，它是由我国少年科学家曹原发现的，这一特点可以在生活中用于______________（选填“电饭锅发热丝”、“电动机线圈”或“小灯泡的灯丝”）。 石墨烯在一定条件下电阻可以降为零，这样的材料叫做超导体；超导体的电阻为0，电饭煲发热丝、小灯泡的灯丝都是利用电流热效应工作的，它们不能使用超导体；电动机线圈与电流的热效应无关，可以使用超导体，降低电流通过线圈产生的热量。 电动机线圈 知识三、开发新材料 【例题5】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 由“在指甲盖大小的尺寸上塞进69亿个晶体管”知，这些零件所占空间体积极小，空间尺度在纳米级，所以属于纳米材料。 C 故选C. 知识三、开发新材料 02 课堂总结 第三节 材料的开发和利用 课堂总结 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、电脑. 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 03 课后作业全解 第三节 材料的开发和利用 1．收集有关超导材料、纳米材料的一些资料。 超导材料‌ 定义：超导材料是在一定温度条件下电阻为零且能完全抗磁性的材料。其特性包括零电阻效应和完全抗磁性。 ‌发展历史‌：超导现象自1911年被发现以来，科学家们不断探索新材料，如铌锗合金、钡-钇-铜氧化物等，不断提高临界温度。 ‌应用‌：超导材料在电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输等领域有广泛应用，能显著减少能量损耗。 课后作业全解 纳米材料‌ ‌定义‌：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。 ‌特性‌：纳米材料具有独特的物理、化学和机械性质，如量子尺寸效应、表面效应等。 ‌应用‌：纳米材料在医学、能源、环保、电子信息等领域有广泛应用，如药物输送、太阳能电池、污水处理等。 2．写一篇小论文，谈谈你对利用某些材料的性能来改进人们生活的设想与建议。 利用新材料改进人们生活的设想主要集中在提高生活质量、促进健康、增强安全性以及推动环保等方面。以下是一些具体的设想和建议： ‌提高生活质量‌：通过使用高性能纤维复合材料，可以制造更轻便、耐用的家具和电子产品，提高使用的舒适度和耐用性。例如，碳纤维复合材料可以用于制造更轻便的自行车和运动器材，提高运动体验‌。 ‌促进健康‌：在医疗领域，使用生物可降解材料可以减少对环境的污染，同时这些材料在医疗器械和药物载体中的应用，能够提高医疗技术的安全性和有效性。例如，生物可降解材料可以用于手术缝合线，避免二次手术取出。‌ 课后作业全解 课后作业全解 1. 可以用纳米材料制造进入人体内，吃掉病毒的机器人吗？ 答：可以用纳米材料制造进入人体内，吃掉病毒的机器人。‌纳米材料制成的机器人体积很小，可以进入人体内，并且具有吃掉病毒的能力‌。 纳米材料在医学领域有着广泛的应用。例如，纳米机器人可以用于药物传递、生物成像、催化剂等领域。它们可以到达人体内的特定目标，如病毒、细菌等，并进行有效的治疗或清除。‌ 课后作业全解 答：‌‌目前还没有开发出能够完全吸收电磁波的新材料。‌尽管科学家们一直在努力研发高性能的吸波材料，但这些材料通常只能在一定程度上吸收电磁波，而无法完全吸收所有频率的电磁波。例如，碳纳米管、铁氧体、金属复合材料等都是常见的电磁波吸收材料，但它们都有一定的局限性‌。 2. 示例：人类能否开发一种新材料，使这种材料能够完全吸收电磁波? 04 综合提升训练 第三节 材料的开发和利用 1. 太空中的温度能达到−270℃左右，我国科技人员研制了一种卫星保暖用的特殊材料，将这种材料制成我们可以穿着的衣服，与同款羽绒服相比，质量可以减轻 ，保暖性可以提高，且机洗后不易变形。关于该材料的特性，以下说法中错误的是（　　） A．密度大 B．弹性好 C．耐低温 D．隔热性好 A．由题意可知，质量可以减轻40%，即密度小，故A错误，符合题意； B．机洗后不易变形，即弹性好，故B正确，不符合题意； CD．保暖性可以提高 30% ，能在太空 −270℃环境中使用，即隔热性好，能耐低温，故CD正确，不符合题意。 A 综合提升训练 故选A。 2. 以下说法正确的是（ ） A．半导体具有良好的导电性能 B．超导体是一种电阻很大的材料 C．纳米技术是大尺度范围内的科学技术 D．超导材料用于输送电力可以降低电能损耗 D A．半导体的导电性能比导体的导电性能要差，但它有一些特殊的电学性质，故A不符合题意； B．超导材料是一种电阻为零的材料，故B不符合题意； C．纳米技术是小尺度范围内的科学技术，故C不符合题意； D．用超导体做输电导线，可以减小由电能转化为内能的损耗，提高传输效率，故D符合题意。 所以选D. 综合提升训练 综合提升训练 3．关于新材料的说法，正确的是（　　） A．纳米材料只是缩小了物体的尺寸，在其他方面没有特殊的性能 B．利用超导体可制成发热效率更高的电热器 C．发光二极管的核心材料是由半导体制成的 D．冶炼合金是为了提高金属的密度、硬度及强度 A．纳米材料能缩小物体的尺寸，在其他方面也有特殊的性能，故A错误； B．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B错误； C．常用的发光二极管是由半导体材料制成的，故C正确； D．合金可以提高金属的密度、硬度及强度，也可以降低金属的密度、硬度和强度，不同的合金有不同的用途，故D错误。 C 故选C。 综合提升训练 4. 气凝胶是一种多孔状类似海绵结构的硅元素固体，是目前世界上密度最小的固体。密度只有每立方厘米 毫克，作为“世界上密度最低的固体”入选《吉尼斯世界纪录》。这种新材料具有耐高温、隔热、绝缘能力强、坚固耐用、弹性好等特点。这种材料不适合制作（　　） A．用电器绝缘外壳 B．导线 C．宇航服 D．网球拍 B A．用电器绝缘外壳要用绝缘能力强、坚固耐用的材料制成，气凝胶符合要求，故A不符合题意； B．导线是用导电能力强的材料制成的，而气凝胶的绝缘能力强，即导电能力差，所以不能用来制作导线，故B符合题意； C．宇航服需要用隔热能力强的材料制成，气凝胶符合要求，故C不符合题意； D．网球拍需要用弹性好的的材料制成，气凝胶符合要求，故D不符合题意。 所以选B。 综合提升训练 5．如图所示是常温下各种物质的导电能力的排列顺序，常用导线有内外层之分，外层一般用________（选填“橡胶”或“碳”）材料制成，起到绝缘作用；不考虑温度对电阻的影响，长度、横截面积相同的铜线和铝线，铜线的电阻较______（选填“大”或“小”）。 橡胶 小 综合提升训练 容易导电的物体叫导体，不容易导电的物体叫绝缘体。由上图可知，越靠左的物质导电性能越好，越靠右的物质导电性能越差。常用导线具有内外层，外层由不容易导电的橡胶料制成，起到绝缘作用。 用电阻表示导体对电流的阻碍作用的大小。绝缘体对电流的阻碍作用大，导体对电流的阻碍作用小。电阻是导体本身的一种性质，它由导体的材料、长度、横截面积决定，不考虑温度对电阻的影响，结合上图知，长度、横截面积相同的铜线和铝线，铜的导电性能比铝好，故铜线的电阻较小。 综合提升训练 6. 近年来，国家大力提倡使用LED灯，它的主要部分是高亮度白色发光二极管，这种发光二极管主要由硅、砷等半导体材料制成，具有光效高、耗电少，寿命长、易控制、免维护、安全环保等优点。LED灯是新一代固体冷光源，可以直接把电能转换成光能的器件，因而其发光效率较高。 利用图甲所示电路可以研究发光二极管的工作特性：把一个额定（正常发光）电压为3V的LED接入电源电压恒为4.5V的电路，闭合开关S，LED即处于导通状态，调节变阻器滑片，改变LED两端的电压和电路中电流，记录多组电压、电流数据，得到电压表与电流表示数关系，如图乙所示图像，然后断开开关，改变电源正负极再闭合开关，LED处于断电状态。 综合提升训练 （1）LED灯主要由_________（导体/半导体/超导体）材料制成；它之所以节能，被称为冷光源，是因为电热转换损耗的能量较白炽灯_____（高/低）； （2）在图甲中，闭合S，调节滑动变阻器，使LED正常发光；断开S，改变电源的正负极后再闭合S，LED______（能/不能）发光；此时两电表的示数为 ____ A．4.5V 20mA B．3V 20mA C．4.5V 0mA D．3V 0mA （3）如图丙电路，闭合开关_______ 可以使绿光LED发光。 半导体 低 C 不能 S1 S4 （1）由材料可知，LED灯主要由硅、砷等半导体材料制成。 LED灯是新一代固体冷光源，可以直接把电能转换成光能的器件，因而其发光效率较高，所以电热转换损耗的能量较低。 （2）LED灯是高亮度白色发光二极管，发光二极管具有单向导电的性质，所以在电路图甲中，闭合S，调节滑动变阻器，能使LED正常发光，LED即处于导通状态，如果改变改变电源的正负极后再闭合S，LED处于断电状态，所以LED不能发光。 此时电压表与滑动变阻器、电流表串联，根据串联电路有分压的作用，而且由于电压表的电阻非常大，所以电压表的示数为电源电压，电路中的电流非常小，电流表的示数几乎为0，故选C。 （3）发光二极管具有单向导电的性质，由图丙可知，电流必须从发绿光的二极管右边流进去，二极管才能发光，故应该闭合开关S1、S4。 综合提升训练 Lavf59.27.100 $$