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（教学课件）-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）

教师：XXX 第十一单元  化学与社会 跨学科实践活动（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 了解新型材料和新型能源在我国航天科技领域中的应用，加深对物质的性质与应用、能量的转化和转移等的认识。 形成创新意识，进一步树立民族自豪感。 活动目标 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 院士：中国近30年土壤酸化堪比过去1000年！到底发生了什么？ 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 航天黑科技 【探访神秘工厂一见“氢”心】？ 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 随着科技的不断进步，航空航天和国防科技领域也在不断涌现出新型的材料。这些新型材料不仅在航空航天和国防领域的应用中具有巨大的潜力，同时也极大地推动了这些领域的研究和发展。新能源材料在航空航天等领域的应用有可能取得重大突破，引发新能源科技革命，推动人类的生产生活方式发生深刻变革。 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务一 了解我国宇航产品的基本情况 一、发展历程 ‌1.基础建设阶段（1970年代起）‌ 1970年“长征一号”运载火箭成功发射我国首颗人造卫星“东方红一号”，标志着我国航天事业的起步‌。 2003年“神舟五号”实现首次载人航天飞行，成为全球第三个独立掌握载人航天技术的国家‌。 ‌2.深空探测与空间站建设（2004年起）‌ 2004年启动“嫦娥工程”，陆续发射嫦娥系列月球探测器，实现绕月、着陆和采样返回任务‌。 2021年“天宫”空间站核心舱“天和”入轨，开启长期载人空间实验的新阶段‌。 ‌3.运载能力提升‌ 长征系列运载火箭不断升级，覆盖低轨道至深空探测的全域发射需求，例如长征五号支持重型载荷发射‌。 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务一 了解我国宇航产品的基本情况 二、主要种类及用途 ‌1.航天器‌ ‌载人飞船‌（如神舟系列）：用于航天员天地往返及短期空间实验，具备三舱设计（返回舱、轨道舱、推进舱）‌。 ‌空间站‌（如天宫系列）：支持长期在轨驻留和复杂科研任务，包含核心舱、实验舱等模块‌。 ‌货运飞船‌（如天舟系列）：为空间站运输物资、推进剂，并处理废弃物‌。 ‌空间探测器‌（如嫦娥、天问系列）：执行月球、火星等深空探测任务，获取地质、环境数据‌。 ‌人造卫星‌： ‌通信卫星‌（如北斗）：提供定位、导航与通信服务‌； ‌气象卫星‌（如风云系列）：监测天气与气候变化‌； ‌遥感卫星‌：用于资源勘探、环境监测等‌。 ‌ 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务一 了解我国宇航产品的基本情况 二、主要种类及用途 ‌‌2.运载工具‌ ‌长征系列火箭‌：承担卫星、载人飞船、探测器等发射任务，覆盖近地轨道至地月转移轨道‌。 ‌3.其他产品‌ 导弹武器系统‌：包括地地导弹等，服务于国防与军事领域‌； ‌航天服、空间实验设备‌：保障航天员生存及科研需求‌。 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务二 了解宇航产品的材料选择 宇航产品所使用的材料及其特点 一、主体结构材料 ‌金属材料‌ ‌铝合金/镁合金‌：用于舱段框架、蒙皮等基础结构，具有低密度、高比强度的特性，可减轻整体重量‌。 ‌钛合金‌：用于高应力零部件（如连接框、转接件），强度优于铝合金，且耐腐蚀性优异‌。 ‌复合材料‌ ‌石墨纤维复合材料‌：应用于推进系统等关键部件，兼具轻量化和高强度特点，提升整体安全性‌。 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务二 了解宇航产品的材料选择 宇航产品所使用的材料及其特点 二、外部涂层材料 ‌耐高温材料‌ ‌镍基合金/铍板‌：覆盖航天器表面，耐高温性能突出，可抵御大气层摩擦产生的极端热量‌。 ‌玻璃钢‌：用于整流罩等部件，属于复合材料，具备密度小、硬度大的特点‌。 ‌防护涂层‌ ‌多层镀铝聚酯薄膜‌：作为真空屏蔽隔热层（如航天服外防护层），通过反射辐射实现高效隔热。 火箭隔热材料 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务二 了解宇航产品的材料选择 宇航产品所使用的材料及其特点 三、功能部件材料 ‌结构增强材料‌ ‌碳纤维/芳纶纤维‌：用于限制层或承力部件，抗辐射且耐磨损，可承受真空环境下的压差膨胀‌。 ‌涤纶织物‌：作为航天服限制层材料，强度高且能有效约束气密层形变‌。 ‌热防护材料‌ ‌气凝胶‌：用于飞船隔热层或宇航服真空屏蔽层，几乎无热传导性，可应对极端温差‌。 ‌橡胶质气密层‌：航天服的主气密层采用防漏气橡胶材料，确保内部压力稳定‌。 ‌特种功能材料‌ ‌石墨烯‌：增强运动部件性能，具备高导电性和抗辐射能力‌。 ‌涂氯丁尼龙胶布‌：用于航天服气密层，气密性极佳且柔韧耐用‌。 芳纶纤维 气凝胶 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务三 了解宇航产品的能源选择 一、火箭的推进剂及其特点 一、液体推进剂 ‌常温液体推进剂‌ ‌四氧化二氮/偏二甲肼组合‌： ‌特点‌：可在室温下储存，技术成熟，可靠性高；但燃烧效率较低，毒性大且污染环境‌。 ‌应用‌：我国早期长征系列火箭一级、二级发动机常用（如长征三号甲系列）‌。 ‌液氧/煤油组合‌： ‌特点‌：无毒、安全性高，价格低廉；但能量密度低于液氢/液氧组合‌。 ‌低温液体推进剂‌ ‌液氢/液氧组合‌： ‌特点‌：比冲最高（真空比冲达455秒），无毒环保；但储存条件苛刻（需-200℃以下低温环境），成本高昂‌。 ‌应用‌：高能末级火箭（如长征五号第三级）及深空探测任务‌。 ‌肼类燃料（如混肼-50）‌： ‌特点‌：高能量密度，可室温储存；但毒性强，需严格安全防护‌。 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务三 了解宇航产品的能源选择 一、火箭的推进剂及其特点 二、固体推进剂 ‌双基推进剂（火药类）‌ ‌特点‌：燃烧速度快，易燃易爆，制作简单且成本低；但能量较低，主要用于小型火箭或导弹‌。 ‌应用‌：传统火箭弹、多管火箭炮（如“卡秋莎”）‌。 ‌复合固体推进剂‌ ‌特点‌：由高分子材料与金属粉末混合固化而成，能量密度高，可长期储存；但推力调节困难，无法重复点火‌。 ‌应用‌：战略导弹（如东风-21D、东风-26）及大型运载火箭助推器‌。 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务三 了解宇航产品的能源选择 二、航天器所使用的能源种类及其特点 一、人造卫星 ‌主要能源类型‌ ‌太阳能电池‌： ‌特点‌：清洁、持续性强，依赖太阳光照稳定运行，但进入地球阴影区时需切换备用电源‌。 ‌化学电池（如锂离子电池）‌： ‌特点‌：用于阴影期或应急供电，能量密度较高但容量有限，需定期充放电维护‌。 ‌ 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务三 了解宇航产品的能源选择 二、航天器所使用的能源种类及其特点 二、宇宙飞船 ‌短期任务能源‌ ‌燃料电池（如氢氧燃料电池）‌： ‌特点‌：高效供能并生成水，适合载人任务中短期电力与生命支持需求‌。 ‌化学电池‌： ‌特点‌：结构简单、可靠性高，适用于紧急备用或辅助系统供电‌。 ‌长期任务能源‌ ‌太阳能电池‌： ‌特点‌：与空间站类似，需配合储能设备应对光照间歇性不足‌。 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务三 了解宇航产品的能源选择 二、航天器所使用的能源种类及其特点 三、空间探测器 ‌深空探测器（如旅行者号）‌ ‌核电池（放射性同位素热电发生器）‌： ‌特点‌：不受太阳光照限制，长期稳定供能，适合远离太阳的深空任务‌。 ‌近太阳探测器（如火星车）‌ ‌太阳能电池‌： ‌特点‌：依赖天体表面光照，需设计防尘、耐极端温度结构‌。 四、空间站 ‌核心能源‌ ‌大型太阳能电池阵‌： ‌特点‌：通过大面积光伏板获取充足电力，可调节角度最大化光照效率‌。 ‌化学电池储能系统‌： ‌特点‌：储存阴影期所需能源，支持空间站连续运行。‌ 核电池 天问二号小天体探测器采用圆形柔性太阳翼 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务四 设想航天科技领域中未来的新型材料和能源 一、目前正处于试验阶段的新型材料和新型能源 一、‌新型材料‌ ‌钍基熔盐堆用氟盐合金‌ ‌特点‌：用于第四代核反应堆（钍基熔盐堆）的冷却剂与燃料载体，耐高温、抗辐射性能优异，但需解决高温熔盐对材料的腐蚀问题‌。 ‌进展‌：中国甘肃武威实验堆（TMSR-LF1）已进入技术验证阶段，计划2025年启动商用堆建设‌。 ‌超高温陶瓷基复合材料‌ ‌特点‌：耐温超过2000℃，用于航天器热防护系统（如返回舱防热层），兼具轻量化与高强度特性，但成本高昂且大规模生产工艺尚未成熟‌。 ‌智能自修复材料‌ ‌特点‌：通过微胶囊或形状记忆聚合物实现受损部位自动修复，可延长航天器寿命，目前处于实验室原型测试阶段，需优化修复效率与可靠性‌。 钍基熔盐堆 碳化硅陶瓷基复合材料 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务四 设想航天科技领域中未来的新型材料和能源 一、目前正处于试验阶段的新型材料和新型能源 二、‌新型能源‌ ‌可控核聚变能‌ ‌特点‌：以氘氚为燃料，释放能量远超核裂变，无放射性废料，但需突破超高温等离子体稳定约束技术‌14。 ‌进展‌：中国“人造太阳”（EAST）已实现1亿℃等离子体运行百秒，国际热核聚变实验堆（ITER）预计2035年验证可行性。 ‌钍基熔盐核能‌ ‌特点‌：以钍为燃料，液态熔盐为介质，具有固有安全性与核废料毒性低等优势，但燃料循环与熔盐在线处理技术仍需优化‌。 ‌应用‌：甘肃武威实验堆已获运行许可，计划2029年建成首座钍基熔盐核电站‌。 ‌氢能储存与运输技术‌ ‌特点‌：包括固态储氢（金属氢化物）与液态有机储氢（LOHC），目标解决氢能高密度储存难题，但材料循环寿命与成本仍需提升‌。 ‌ 中国环流三号 高压力纯氢管道 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 任务四 设想航天科技领域中未来的新型材料和能源 二、设想一款未来的宇航产品 名称‌：星际隼X1 ‌用途‌：星际隼X1是一款专为深空探索设计的多功能无人机，旨在执行远程侦察、样本采集、环境监测及初步科研实验等任务。 ‌‌‌材料‌： ‌主体结构材料‌：碳纤维复合材料。 ‌表面涂层材料‌：抗辐射陶瓷涂层。 ‌翼板材料‌：柔性太阳能电池材料。 ‌能源‌： ‌主要能源‌：太阳能与核电池结合。 ‌储能系统‌：高性能锂离子电池组。 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 1．化学促进科技发展，推动社会进步。 2022年6月5日神舟十四号载人飞船成功发射，沈阳航天新光集团有限公司承制生产的连接分离机构再次为发射任务保驾护航。 ①载人飞船的制造使用了大量合金，合金的硬度一般比各成分金属_______。 ②航天员穿着的航天服使用了多种合成纤维，合成纤维属于_______ (填字母序号)。 A．无机材料 B．合成材料 C．复合材料 【答案】大 B 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 2．长征七号遥七运载火箭采用液氧和煤油作为推进剂，下列说法不正确的是 A．液氧中氧元素的化合价为-2价 B．将氧气压缩为液氧，氧分子间隔减小 C．该推进剂中液氧作为助燃剂 D．该推进剂中煤油作为燃料 【答案】A 02活动设计与实施 03活动小结 04当堂检测 01活动引入 3．2024年4月25日，搭载神舟十八号载人飞船的火箭成功发射。下列材料用途的对应性质解释不合理的是（ ） A．偏二甲肼作火箭燃料——可燃性 B．铝合金作火箭的骨架——密度大 C．碳纤维复合材料作飞船外壳——耐高温 D．特种橡胶制成太空服加压层——弹性好 【答案】B Have a rest Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$