21.3 跨学科：材料的利用与开发 课件 2025-2026学年物理沪科版（2024）九年级全一册

记者近日从东华大学获悉，该校科研人员成功研发出集无线能量采集、信息感知与传输等功能于一体的新型智能纤维，尤其编织制成的纺织品无需依赖芯片和电池，便可实现发光、显示、触控等人机交互功能。该成果近日发表于国际学术期刊科学，被认为有望改变人与环境以及人与人之间的交互方式，对功能性纤维开发以及智能纺织品在不同领域的应用具有重要启发意义。当前，智能可穿戴设备已成为日常生活的一部分，并在健康监测、远程医疗、人机交互等领域发挥着重要作用。 液态水能像面包一样被切割，你能想象吗？将一滴水滴在塑料板的表面，用刀片朝着其中间切割，可以发现水珠竟然真的被一分为二切了开来。究其原理就是因为刀片以及塑料板的表面依据荷叶效应喷涂了一层超疏水纳米材料，使得固体表面被赋予了荷叶的排水性能。那么这种效应的物理本质是什么呢？那么是什么决定了荷叶的这一特性呢？德国的两位科学家在1997年利用扫描电镜观察荷叶表面的微观结构时，发现有许多乳突结构，乳突的平均直径为5到9微米，这些微米结构的乳突上以及乳突之间的表面上又分布着毛毛状的结构蜡质晶体，直径约为124纳米。纳米蜡质晶体是疏水的，再加上微纳二级粗糙结构，提高了表面与水接触时空气所占的分数，大大的降低了水与荷叶表面的实际接触面积，从而构成了荷叶表面的超疏水性能。超疏水涂料就是在此基础上研发生产的。对应固体涂膜与水的接触角大于150度时，具有荷叶的排水性能，也就产生了之前所看到的水被切割的实验效果。 水不能近身，火烧不穿，它到底有多神奇？你眼前这就是世界上最轻的固体，把它放在蒲公英的绒毛上也压不它它就是气凝胶。外观上看起来是不是如影似雾，非常清透，但其实它并不是什么特殊材料构成气凝胶的主要成分是二氧化硅，只是因为它其中80%以上都是空气，所以密度只有玻璃的1‰。如果你认为它只是清，那你就大错特错了，这么小小的一块气凝胶，看似轻薄易碎，但其实却十分坚硬。在液压机实验中，它能承受自身质量几千倍的压力，而且它的隔热效果俱佳，在温度达到1200摄氏度时才会融化。一寸厚的气凝胶相当于二三十块普通玻璃的隔热效果，把纱布大小的气凝胶固定在手上，哪怕用高压喷火器灼烧手也能毫发无损。使用薄薄的一层气凝胶覆盖在身体上时，即使你跳进泳池，起来后也是滴水不沾。而最新的气凝胶仅有0.16毫克每立方厘米，比空气密度略低。它除了材质轻盈，经过耐用隔热之外，它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。具备这些特性，可以说是集万千优点于一身，因此气凝胶便成为航天探测中不可替代的材料。 第3节 跨学科：材料的利用与开发 第二十一章 能源、材料与社会 课程讲授 新课导入 本课小结 我们一起来闯关 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。 01 梳理人类利用材料的历史和人类社会发展史，体会材料技术的研发与应用对社会发展的推动作用。 02 03 能感受到超导、纳米等新材料的神奇，能关注新材料研究的动向，能体会科技发展无止境。 素养目标 新课导入 看视频： 随着科学技术的日新月异，人们制造出了有很多神奇功能的新材料，这些材料又反过来促进了科学技术的发展。你知道有哪些神奇的材料，说出来分享给大家。 今天我们就来学习材料的知识。 一、人类早期对材料的利用 课程讲授 新课推进 新课推进 1.活动： （1）材料是用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。请学生举例说明我们周围有哪些物品？是由什么材料制成的？ （2）请逐一说出这些材料的来源。 （3）其中，能直接取自自然界的材料称为 ，如木材、棉花、陶土等，而由人工合成的材料称为 ，如塑料、合金等。 天然材料 人造材料 课程讲授 新课推进 新课推进 2. 人类对材料的认识、开发和利用历程 阅读课本P211“人类早期对材料的利用”部分，讨论总结人类使用材料的几个阶段。 （1）石器时代：有木料、石头、兽皮、兽骨等。 （2）青铜时代：能冶炼铜并能用来制作武器和工具。 （3）铁器时代：能冶炼铁并用来大规模制造机器。 课程讲授 新课推进 新课推进 3.材料使用跟社会发展的关系 200万年前 公元前 4000年 公元元年左右 原始群 原始社会 奴隶社会 封建社会 材料时代： 时间线： 社会阶段： 250万年前 1万年前 公元前 4000年 公元前 1000年 旧石器 新石器 青铜器 铁器时代 给生产带来革命性变革 生产力水平： 生产力水平低下，人们居无定所 开始定居，出现农业和畜牧业 促进农业、手工业发展 结论：一部人类社会发展史，就是一部人类开发、利用材料的历史。材料的发展也为科学技术的发展提供了物质基础。 课程讲授 新课推进 新课推进 二、导电性材料的利用与开发 1.设计实验，检验常见材料的导电性。 （1）组装如图所示电路： （2）将要测试的材料物品，如塑料尺子、铅笔芯、橡皮、纸张、纯净水、盐水等接入两个导线夹之间，观察灯泡发光情况确定其导电性能。这种研究问题的方法是 。当接入材料后灯泡较亮，说明其导电性能较 。 （3）你所测得的导电性能较好的材料有： 。 导电性能不好的材料有： 。 转换法 好 课程讲授 新课推进 新课推进 2.导体和绝缘体的相对性 一根玻璃棒，它是导体还是绝缘体？ （1）目的：演示玻璃在高温下变成导体。 （2）器材：废灯泡内的玻璃支杆（制取时应确保导线引出线完好）、电流表（10～30mA)、发光二极管、导线若干、电源、酒精灯等。 （3）操作步骤： ①将电源、玻璃支杆的两导线、LED灯珠组成一个串联电路。 课程讲授 新课推进 新课推进 、 ③用酒精灯对玻璃杆加热，随着玻璃杆温度的升高，发光二极管也发光，说明烧红的玻璃已变成了导体。 ④停止加热，温度下降，玻璃又会变成绝缘体，灯珠又不发光了。 （4）结论：玻璃在常温下导电能力很弱，是绝缘体，而在高温下的红炽状态时导电能力变强，成为导体。说明导体和绝缘体没有绝对的界限。 ②由于玻璃是绝缘体，可以观察到发光二极管不发光。说明玻璃在常温下是绝缘体。 课程讲授 新课推进 新课推进 、 3.探究二极管的单向导电性 （1）观察老师拿出一些二极发光管（其“+”、“-”标志已刮去）。 猜猜它是导体还是绝缘体？ （2）我们发现有的小组接入后灯泡发光，说明它是导体，而有的小组接入后灯泡不发光，说明它又是绝缘体。问题出在哪儿呢？ （3）把接入的这个二极管两个接线柱对调，再接入原电路进行观察。奇迹出现了，原来不发光的现在发光了，原来发光的接线柱对调之后不发光了，原来它有时是导体，有时是绝缘体。 课程讲授 新课推进 新课推进 、 （4）是不是更换接线后改变了二极管的电阻呢？我们加深探究： 我们拿一个普通的电阻放在电路中量两导线夹中间，观察小灯泡的亮度，然后将电阻两接线柱对调或将电源正负极对调，接通电路后再观察灯泡的亮度，发现灯泡的亮度不变。 （5）强调：这个二极管是由半导体材料制成的，半导体的导电能力介于导体和半导体之间。刚才我们就探究了二极管具有 的特性，即仅允许电流由一个方向通过元件。 结论：电阻跟电流的方向无关，而半导体二极管的导电性却与电流方向有关。 （6）当电流从二极管的正极流入，负极流出时，允许电流通过，反过来不允许电流通过。请你利用手中的器材探究一下二极管的正负极吧。 单向导电 课程讲授 新课推进 新课推进 、 4. 材料分类：根据材料的导电性能，材料可分为 、 及 三大类。金、银、铜、铁和铝等金属材料是导电性能较好的良导体，而橡胶、塑料等，它们的电阻很大，电流几乎不能通过，是绝缘体。而半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，它们具有一些特殊的物理性质，如材料 等都属于半导体。 5.思考问题：有人认为导体可以用来导电为我们服务，那绝缘体不导电，半导体有时导电有时不导电，在日常生活中用处就不大了，这种说法对吗？ 导体 半导体 绝缘体 硅、锗、砷化镓 好的绝缘体可以用来隔离带电物体，半导体材料更是具有很多特殊的用途，如半导体二极管具有 ，半导体三极管可以 ，所以他们在电学中同样重要。 单向导电性 放大电信号 6. 思考问题：你知道半导体材料在生活中都有哪些应用？ 太阳能电池、条形码扫描器、微处理器、机器人等。 课程讲授 新课推进 新课推进 三、开发新材料 1.观看下列视频：感受超导材料、纳米材料的特性。 点击链接观看纳米材料科普视频：https://m.toutiao.com/is/2woN35pqoME/ 2.阅读课本P213—215“开发新材料”部分。 （1）超导材料 问题1：什么现象叫超导现象？谁发现的？什么材料叫超导材料？ 1911年昂内斯发现的；有些材料当温度降低到某一温度时，材料的电阻突然变为零的现象叫超导现象；能够发生超导现象的材料叫超导材料。 课程讲授 新课推进 新课推进 问题2：什么是超导磁悬浮现象？谁发现的？ 问题3：超导材料有哪些应用呢？ 1933年迈斯纳和奥森菲尔德发现了超导磁悬浮现象。 （2）纳米材料 问题1：什么是纳米材料？纳米材料的特性及应用？ 问题2：人们正在研制纳米尺度的微小机器；由纳米材料制成的导线将大大提高计算机的性能，并缩小计算机芯片的体积。你还知道纳米材料有哪些神奇的应用？请分享给大家。 运用电阻为零的特性制作电动机线圈、输电导线等，可减少电能损失，提高电能利用率；运用磁悬浮的特性制造磁悬浮列车、超导船等。 纳米材料统指全成材料的基本单元大小限制在1～100nm范围的材料。纳米技术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． 课程讲授 新课推进 新课推进 3. 课后调研：请课后查阅资料，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。 课堂小结 材料 导电性能 导体 绝缘体 半导体 新材料 超导材料 纳米材料 发展阶段： 石器时代→青铜器时代→铁器时代 电阻为零 超导磁悬浮 我们一起来闯关 1．关于导体与绝缘体，下列说法正确的是（　 　） A．一般情况下，金属、大地、陶瓷是导体 B．绝缘体不容易导电，是因为在绝缘体中没有电荷 C．导体容易导电，是因为导体中有大量的自由电荷 D．超导是指特定条件下电阻为0，若用该材料制成电热丝，其工作效率可达100% 2．如图所示，下列说法中，错误的是（   ） A．甲图，给灯丝加热，电路中的灯泡L慢慢变暗 B．乙图，给玻璃加热，当玻璃变成红炽状态后，灯泡L开始发光，且慢慢变亮 C．甲图的实验现象说明温度升高，导体的电阻变大 D．乙图的实验现象说明温度升高，玻璃中从没有自由电荷到有自由电荷 C C 我们一起来闯关 3．当温度降到很低时，某些金属导体的电阻会突然消失，这种现象称为超导现象，假如所有导体都没有了电阻，使用下列用电器时，下列说法正确的是（ ） A．白炽灯仍然能发光 B．电动机仍然能转动 C．电饭锅仍然能煮饭 D．电热壶仍然能烧开水 4．如图所示，西安交通大学研究团队研制出一种柔而强的陶瓷气凝胶，它弹性好、韧性好、不易断裂、绝缘性好、隔热性好、耐高温。这种材料不宜用来制作（   ） A．高压锅内胆 B．防火涂料 C．消防服 D．飞机舱门 B A 我们一起来闯关 5.酸甜多汁的水果不仅可以为我们身体提供能量，还可以发电。如图所示是某实验小组利用铜片、锌片、水果和二极管组成的电路。 (1)在这个简单电路中水果相当于 ，水果电池是将 转化为电能； (2)图中的发光二极管的两根引脚中，较长的为二极管的 极，此时二极管能发光，说明水果电池的正极是 （选填“铜片”或“锌片”）一端。 电源 化学 正 铜片 我们一起来闯关 6.纳米技术及其应用。 “纳米（nm）”是长度的度量单位，假设一根头发的直径是0.05mm，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度大约就是一纳米。0.05mm= nm。纳米技术，是研究结构尺寸在1纳米的材料，强度和硬度大大高于原来的材料，且有良好的韧性。如图是纳米陶瓷刀、合金钢刀、普通菜刀磨损程度随时间变化的曲线，其中反映纳米陶瓷刀磨损特点的是曲线 （选填字母“a”或“b”或“c”）；由于纳米尺度的特殊性，则纳米粒子进入人体的途径可能是 。（选填字母“A”“B”或“C”“D”）①皮肤直接接触纳米粒子②呼吸时把纳米粒子吸入肺部③进食含有纳米粒子的食物 A．只有①和② B．只有①和③ C．只有②和③ D．①、②和③ 5×10-4 c D $$室温超导对月薪3800的我们都有哪些影响？最近韩国室温超导事件成为全球的热门话题。室温超导是什么？这很好理解。室温超导是指在我们平常生活的环境或者更低一点的温度下，出现了一种能够超级导电的材料，就是电流在这些材料内部流动时不会遇到有障碍，也就是零电阻。通俗点讲，比如这条4平方的导电线，它的安全功率上限是7000瓦的，如果流过它的电流功率超过7000瓦，它的温度就会上升甚至烧坏。就是因为普通的导电材料内部有电阻，电子在其内部是杂乱的，期间的碰撞摩擦会导致能量损耗转化为温度上升。如果是在超导体中，电子的运动是整齐有序的，没有碰撞摩擦就避免了能量损耗产生的温度上升。就是说我这条电线如果用的是超导体的材料，它可以承受原来功率的几百倍甚至上千倍，如果电力传送采用的是超导材料，就能大大减少电能在传输过程中的损耗，那电费是不是会更加低了？此外，超导材料具有很强的磁场特性。咱们国家一直在研发的磁悬浮列车之所以一直没有全面普及，就是因为它需要用到超导材料才能产生强大的磁场让列车悬浮起来。普通的导电材料想要达到超导状态，必须在极低温度下，所以磁悬浮列车每一个超导体都需要浸泡在-196度的液氮当中，这样高昂的制造成本就已经受限了它的普及性。还有医院用的核磁共振仪也是把超导体浸泡在液氮中，这也是用一次核磁共振仪费用高昂的原因。