跨学科实践活动10 调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用（活动设计）-2024-2025学年九年级化学跨学科实践活动教学课件+设计（人教版2024）

跨学科实践活动10 调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用 活动设计 活动：调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用 课时 4 授课年级 九年级 主题分析 本实践活动以我国航天科技领域为背景，聚焦新型材料和新型能源的应用。教材旨在引导学生将化学知识与航天科技紧密结合，拓宽学生的知识面和视野，使学生了解化学在航天领域的重要作用，体会化学学科的价值。通过对航天科技中新型材料和能源的探究，培养学生跨学科综合运用知识的能力，激发学生对科学技术的兴趣和创新意识，提升学生的科学素养和民族自豪感，同时也为学生提供了一个将理论知识应用于实际的平台，让学生在实践中深化对化学知识的理解。 教学目标 （一）化学观念 学生能够清晰阐述常见航天新型材料（铝合金、钛合金、碳纤维陶瓷材料、聚酰亚胺等）的组成、结构与性能特点，深刻理解材料的性质决定其在航天领域应用的化学观念。 理解不同类型的化学能源（固体推进剂、液体推进剂、化学电池等）和新型能源（太阳能、核能等）在航天领域的应用原理，掌握能量转化和守恒的化学观念，明白能源选择与航天器任务需求之间的关联 。 （二）科学思维 通过对航天新型材料和能源相关资料的收集、整理和分析，培养学生的逻辑思维能力，学会从纷繁复杂的信息中提取关键要点，归纳总结出材料和能源的特点与应用规律。 引导学生运用类比、推理等科学思维方法，对比不同材料和能源在航天领域与日常生活中的应用差异，预测未来新型材料和能源的发展趋势，提升学生的科学预测和批判性思维能力 。 （三）科学探究与实践 组织学生开展小组合作探究活动，制定调查计划，明确分工，通过查阅书籍、网络搜索、观看纪录片等多种途径收集资料，培养学生的科学探究能力和实践操作能力。 鼓励学生在调查过程中提出问题、设计解决方案，并尝试与团队成员共同解决问题，提高学生解决实际问题的能力和团队协作能力 。 （四）科学态度与责任 在调查我国航天科技成就的过程中，激发学生对我国航天事业的自豪感和民族自信心，培养学生的爱国情怀和民族精神。 引导学生认识到航天科技发展对人类社会进步的重要意义，增强学生对科学技术的敬畏之心和对未来科技发展的责任感，树立为科学事业努力奋斗的远大理想 。 教学重难点 教学重点：了解航天科技领域中新型材料和新型能源的种类、性质及应用；理解物质的性质与应用、能量的转化与能源的使用之间的关系；掌握收集、分析和处理信息的方法。通过对航天科技中实际应用的案例分析，让学生深刻认识到材料和能源的选择是基于其特定的性质和功能，从而建立起性质决定用途的化学观念。 教学难点：探究化学与材料开发、能源利用之间的内在联系；培养学生的创新思维和跨学科综合运用知识的能力；引导学生对航天科技未来发展中新型材料和能源的设想。由于涉及到多学科知识的融合和对前沿科技的理解，学生需要具备一定的知识储备和综合分析能力，同时创新思维的培养也需要教师的引导和启发。 学情分析 从化学学科内部来看，此实践活动与之前所学的金属材料、高分子材料、化学燃料等知识紧密相连。学生需要运用材料的性质、分类等知识去分析航天材料的特点和优势，借助化学反应中的能量变化原理来理解新型能源的工作机制。同时，它也为后续更深入地学习材料科学、能源化学等知识埋下伏笔，激发学生进一步探索化学世界的兴趣。从跨学科角度而言，它与物理学科中的力学、热学、电学等知识相互关联，例航天器在飞行过程中的能量转化、材料的力学性能等都涉及物理原理；与信息技术学科相关联，学生需要通过网络、数据库等信息技术手段来收集和整理航天领域的资料 。 教学过程 任务一：了解我国宇航产品的基本情况 【教师活动】播放一段精彩的航天发射视频，激发学生兴趣，引出本节课主题—我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用。随后，教师介绍本次实践活动的任务流程与要求，组织学生分组，每组推选一名组长负责组织协调工作。 【学生活动】小组内成员分工协作，对收集到的信息进行整理与初步分析。在资料收集与整理完成后，尝试共同绘制我国宇航产品信息示意图，以时间轴为脉络展示宇航产品的发展进程，在相应节点标注产品种类、外形轮廓及主要用途简介，要求示意图简洁明了、信息准确。 任务二：了解宇航产品的材料选择 【教师活动】回顾金属材料（如铝合金、钛合金的强度、密度特性）、高分子材料（如碳纤维复合材料的耐高温、高强度性能）等基础知识，讲解这些材料在航天领域应用的特殊要求，如轻质、高强度、耐高温、抗辐射等，引导学生思考如何将材料特性与宇航产品的不同部位需求相匹配。 【学生活动】学生根据教师提示，进一步查阅资料，深入分析宇航产品的主体结构（如航天器框架常用铝合金以减轻重量并保证强度）、外部涂层（如航天飞机的隔热陶瓷涂层可抵御高温）、功能部件（如太阳能电池板采用硅材料利用光电效应）等所使用的材料及其独特的物理、化学性质。各小组将分析结果进行汇总，讨论材料选择与宇航产品性能提升之间的关系，并将材料信息详细标注在之前绘制的示意图上，用不同颜色的笔区分不同部位的材料，同时附上材料特性的简要说明。 任务三：了解宇航产品的能源选择 【教师活动】介绍火箭推进剂的基本原理与分类，如化学推进剂（包括固体推进剂、液体推进剂）的燃烧反应过程以及产生推力的机制，对比不同推进剂（如液氢液氧推进剂燃烧效率高、产物无污染，固体推进剂结构简单、储存方便）的特点与适用场景。 【学生活动】学生分组查阅资料，了解人造卫星、宇宙飞船、空间探测器、空间站等航天器在执行不同任务时所使用的能源种类（如卫星主要依靠太阳能电池提供电能，空间站可能还会配备燃料电池作为备用电源）及其工作原理与特点。分析不同能源选择的依据，如能源的稳定性、能量密度、可获取性等因素。各小组将调研所得的能源信息补充到示意图中，在对应的宇航产品旁边标注能源类型、能源转化原理及主要优势。 任务四：设想航天科技领域中未来的新型材料和能源 【教师活动】展示一些目前国内外正在试验阶段的航天新型材料（如纳米材料在提高材料强度和韧性方面的潜在应用）与新型能源（如可控核聚变能源的巨大潜力）的科研成果报道或科普视频，激发学生的创新思维，鼓励他们大胆想象未来航天科技的发展方向。 【学生活动】学生在充分了解现有航天材料与能源的基础上，结合所查阅的新型材料与能源信息，发挥想象力，设想一款未来的宇航产品。可以从产品的功能需求出发，反推所需的材料与能源支持。学生用绘图工具绘制出未来宇航产品的外观设计图，在图上清晰标注产品的用途、所采用的新型材料名称及特性、能源类型及供应方式等信息，并撰写一份简短的设计说明，阐述设计理念与创新点。各小组在内部交流展示后，推选一名代表准备在全班进行汇报展示。 【展示交流】 1.展示最终形成的示意图，交流并尝试总结宇航产品在材料和能源选择时的一般思路。 2.介绍你设想的未来的宇航产品，说明设计思路，并讨论未来航天科技领域新型材料和能源可能的发展方向。 作业设计 1．火箭推进剂在火箭发动机中快速燃烧，为火箭飞行提供能量，液氢-液氧、液态甲烷-液氧都是优良的运载火箭推进剂。下列说法错误的是 A．液氢、液氧都是单质，液态甲烷是化合物 B．火箭推进剂气化时，分子间距离大大增加 C．制造火箭发动机需用多种金属、合金以及复合材料 D．等质量的氢气、甲烷完全燃烧，氢气消耗氧气更少 【答案】D 【解析】A、单质是由同种元素组成的纯净物，则液氢、液氧都属于单质，化合物是由不同种元素组成的纯净物，则液态甲烷属于化合物，故选项说法正确； B、火箭推进剂气化时，由液态变成气态，分子间距离大大增加，故选项说法正确； C、制造火箭发动机需要使用多种金属、合金以及复合材料。如镍基合金、钛合金、铝合金等金属材料因其高强度、耐高温和抗腐蚀性能被广泛应用于火箭发动机的涡轮、燃烧室和喷管等部件。复合材料如碳纤维增强复合材料、陶瓷基复合材料和树脂基复合材料也因其轻质、高强度和耐高温特性，在火箭发动机中发挥重要作用，故选项说法正确； D、由反应的质量关系、可知，等质量的氢气、甲烷完全燃烧，氢气消耗氧气更多，故选项说法不正确。 故选D。 2．我国新一代运载火箭采用的是低温推进剂——液氢、液氧，如长征五号火箭。下列说法中属于液氢的化学性质的是 A．液氢可燃，燃烧后生成水 B．液氢是密度最小的液体 C．液氢的沸点极低（） D．液氢是透明、无色的 【答案】A 【解析】A、液氢可燃，燃烧后生成水，经过化学变化才能体现出来，属于化学性质，故选项正确； B、液氢是密度最小的液体（0.071g•cm-3），密度属于物理性质，故选项错误； C、液氢的沸点极低（-252.8℃），沸点属于物理性质，故选项错误； D、液氢是透明、无色的，颜色属于物理性质，故选项错误。 故选A。 3． 2024年4月25日，“神舟十八号”太空飞船成功发射，标志着我国载人航天进入新的发展阶段。 （1）航天员舱外航天服使用的聚氨酯橡胶是 （填“隔热”或“导热”）材料； （2）太阳能电池板工作时可将太阳能转化为 能； （3）航天食品中包含牛肉和蔬菜，其中主要为航天员提供维生素C的食品是 ； （4）长征2F型火箭使用的推进剂为偏二甲肼和四氧化二氮。偏二甲肼与四氧化二氮反应过程中 （填“吸收”或“放出”）热量； （5）太空舱使用锂电池。Li可以通过Al与Li2O在高温下发生置换反应得到，该反应的化学方程式为 。 【答案】（1）隔热 （2）电 （3）蔬菜 （4）放出 （5） 【解析】（1）航天员舱外航天服使用的聚氨酯橡胶是隔热材料； （2）太阳能电池板工作时可将太阳能转化为电能； （3）牛肉中富含蛋白质，蔬菜中富含维生素，故主要为航天员提供维生素C的食品是蔬菜； （4）长征2F型火箭使用的推进剂为偏二甲肼和四氧化二氮，则偏二甲肼与四氧化二氮反应过程中放出热量； （5）Li可以通过Al与Li2O在高温下发生置换反应得到，则发生的反应是铝与Li2O在高温条件下反应生成锂和氧化铝，化学方程式为。 4．2024年4月25日“神舟十八号”太空飞船成功发射，标志着我国载人航天进入新的发展阶段。 Ⅰ．航天材料 （1）航天员舱外航天服使用的聚氨酯橡胶是 (填“隔热”或“导热”)材料。 （2）太阳能电池板基板材料是玻璃纤维，玻璃纤维属于 材料。 （3）钛铝合金是制造高推重比航空发动机极具潜力的高温结构材料，该合金可能具有的特性有 (写两条)。 Ⅱ．生命保障 （4）航天食品中包含牛肉和蔬菜，其中主要为航天员提供维生素C的食品是 。 （5）太空舱的氧气主要来自水的电解，在电源的 (填“正”或“负”)极产生氧气 Ⅲ．能源系统 （6）长征2F型火箭使用的推进剂为偏二甲肼和四氧化二氮。 ①四氧化二氮()中，氮元素的化合价为 。 ②偏二甲肼与四氧化二氮反应过程中 (填“吸收”或“放出”)热量。 （7）2024年6月25日，嫦娥六号实现世界首次月球背面取样返回，其返回舱所用燃料是液氧和煤油，其中液氧的作用是 。发动机点火后煤油燃烧，从燃烧条件的角度分析，点火的作用是 。 （8）太空舱使用锂电池。Li可以通过Al与在高温下发生置换反应得到，该反应的化学方程式为 。 【答案】（1）隔热 （2）无机非金属 （3）质量轻、耐高温(或密度小、硬度大等，合理即可) （4）蔬菜 （5）正 （6）+4 放出 （7）助燃(合理即可) 使温度达到可燃物的着火点 （8） 【解析】（1）舱外环境温度变化很大，则聚氨酯橡胶是隔热材料。 （2）玻璃纤维以玻璃为原料经高温熔制、拉丝、纺纱、织布等工艺制造而成的，属于无机非金属材料。 （3）钛铝合金是制造高推重比航空发动机极具潜力的高温结构材料，则说明其耐高温、质量轻、硬度大。 （4）牛肉中富含蛋白质，蔬菜中富含维生素，则主要为航天员提供维生素C的食品是蔬菜。 （5）电解水时，正极产生氧气，负极产生氢气。 （6）①四氧化二氮中，氧元素化合价为-2价，设氮元素化合价为x，根据“化合物中各元素化合价代数和为零”，则2x+（-2）×4=0，解得x=+4。 ②火箭使用的推进剂为偏二甲肼和四氧化二氮，则说明偏二甲肼与四氧化二氮反应过程中放出热量。 （7）液氧为助燃剂； 点火能使可燃物温度达到着火点以上。 （8）Al和Li2O在高温条件下反应生成氧化铝和锂，反应的化学方程式为：。 教学反思 成功之处 激发学习兴趣：通过展示我国航天科技的辉煌成就和相关视频资料，如火箭发射、空间站建设等，成功地吸引了学生的注意力，激发了他们对航天科技领域中新型材料和新型能源应用的浓厚兴趣，使学生在整个实践活动中保持积极主动的学习态度。 培养综合能力：实践活动的设计注重学生综合能力的培养，学生在查阅资料、小组讨论、实地调查、分析总结等过程中，不仅提高了自主学习能力、合作探究能力和实践操作能力，还锻炼了观察、分析和解决问题的能力，以及运用化学知识解释实际现象的能力，有效地促进了学生的全面发展。 增强民族自豪感：在活动过程中，学生深入了解到我国在航天科技领域取得的巨大成就，以及化学在其中发挥的重要作用，这使学生的民族自豪感和自信心得到了极大的增强，同时也培养了学生对化学学科的热爱和对科学技术的敬畏之情。 不足之处 学生知识储备差异：学生在知识储备和学习能力方面存在一定的差异，部分学生在理解一些复杂的新型材料和能源的原理及应用时感到困难，在小组合作中参与度不高，需要在今后的教学中更加关注学生的个体差异，提供更多的个性化指导和帮助。 时间把控不够精准：在学生展示和交流环节，由于学生的热情较高，讨论和发言时间超出了预期，导致课堂总结环节有些仓促，未能充分对学生的表现和实践活动的成果进行全面的评价和总结，需要在今后的教学中更加合理地安排教学时间，确保各个教学环节的顺利进行。 实践活动深度不够：受教学条件和时间的限制，学生的实地调查和实践操作相对有限，对于一些新型材料和能源的实际应用只能停留在表面的了解和理论的分析上，缺乏更深入的探究和体验，需要在今后的教学中进一步拓展实践活动的渠道和方式，为学生提供更多深入实践的机会。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$