第三节 跨学科实践：关注材料的应用（表格式教学设计）物理新教材北师大版（北京）九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦材料性能与微观结构的关系及应用，通过展示石器、青铜鼎到空间站的材料发展图片导入，联系学生已有密度、导电性等概念，以“需求-性能-材料”思维模型为支架，通过案例探究构建知识脉络。 特色在于跨学科融合与案例驱动，以高铁受电弓、高压输电线案例培养科学思维（工程权衡），实验对比与资料查阅落实科学探究，结合我国高铁成就渗透科学态度与责任，助力学生提升问题解决能力，为教师提供优质跨学科实践教学方案。

三、跨学科实践：关注材料的应用 （教学设计） 年级 九年级 学科 物理 课时数 教师 课题 三、跨学科实践：关注材料的应用 教学 目标 物理观念 认识材料的性能（如导电性、密度、强度、磁性）是由其微观结构决定的，理解通过改变微观结构可以设计和获得新材料。结合高压输电案例，理解材料导电性对电能传输效率的影响。 科学思维 建立“需求→功能→性能→材料选择（与设计）”的工程技术思维模型。认识到在实际工程中，材料的选择往往是多种性能要求（甚至经济性）之间综合权衡的结果，而非追求单一性能最优。 科学探究 能从实际情境中提出与材料应用相关的科学问题。能通过查阅资料、实验对比（如导电性、密度测量）获取证据，为材料选择提供依据。能清晰表达自己的观点，并与他人交流分享。 科学态度 与责任 深刻感受材料技术对社会发展、生活质量和环境保护的巨大推动作用，关注新材料进展。初步形成在技术应用中综合考虑性能、成本、环境影响的意识。了解我国在高铁、航天、新能源等领域材料应用的重大成就，增强民族自豪感和科技强国的责任感。 教材 分析 本节是典型的跨学科实践内容，它以物理学中的物质属性为核心，深度融合了化学（材料结构、性质）、工程技术（材料选择、设计）和STS（科学-技术-社会）教育。教材编排以“总（材料概览）—分（案例探究）—总（交流提升）”为逻辑：首先建立材料的基本概念和分类；然后通过三个递进的活动（“探秘高铁受电弓”、“为高压输电线选材”、“材料改变生活”分享会），引导学生应用知识解决实际问题；最后拓展到石墨烯、碳纤维、生态环境材料等前沿领域，展现材料的未来图景。本节课的核心在于思维方法的培养，而非知识的简单记忆。 学情分析 九年级学生已具备密度、导电性、磁性等基础物理概念；对生活中多种材料有感性认识。对高铁、新材料（如纳米、碳纤维）等科技前沿有浓厚兴趣。具备初步的信息检索、小组合作和实验探究能力。但 思维单一：容易孤立地看待材料的某个性能，缺乏“综合权衡”的工程思维。 认知脱节：难以将材料的宏观性能与其微观结构本质联系起来。 实践薄弱：将理论知识应用于解决实际问题的能力较弱，选题和研究方向易模糊。 教学重点 理解材料的性能决定其用途，并能根据具体需求分析和选择材料。 通过案例研究，体会“需求推动创新，材料引领发展”的互动关系。 教学难点 建立“微观结构→宏观性能→实际应用”的有机联系。 在解决实际问题时，形成“综合分析、权衡利弊”的工程思维习惯。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【问题情境】展示一组图片：原始石器、青铜鼎、现代飞机、智能手机、中国空间站。提问：从古至今，人类文明的每一次飞跃，都伴随着什么标志性的变化？（引导学生思考：材料的进步）指出：材料是社会发展的支柱。 观看图片，思考并回答。感受材料在人类文明发展中的基石作用。 学习新课 一、各种材料在生活中的应用 （一）概念建构，初识材料分类 1．简述材料的定义及其重要性。 材料是用于制造物品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。 人们把信息、材料和能源视为社会发展的支柱。 2．引导学生对材料进行分类： （1）材料按属性可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等； （2）按用途可分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。 （3）实际应用中，材料又常分为结构材料和功能材料。 结构材料是主要用来制造工程中的构件、机械中的零部件，以及工具、模具等的材料。对于结构材料，人们更关注其力学性质，用来制造以受力为主的构件，对其物理性质或化学性质也有要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化能力、抗腐蚀能力等。 功能材料在光、电、磁、声、热等方面具有特殊性质，或在其作用下表现出特殊的功能，如半导体材料、超导材料、光电子材料、磁性材料等。 3．点睛：所有性能，根源在于物质的微观结构。 【提个醒】物质微观结构的变化会引起物质性质的变化，使由物质构成的材料显现出新的性质，从而改变材料的功能，使其有新的用途。温度、压强的变化或掺入杂质等都可以改变物质的微观结构。 4．【举例】教室的黑板、空中的飞行器，可能是由什么材料制成的？ 教室里黑板的主要功能是让粉笔通过摩擦在上面留下痕迹，辅助教师向学生传递信息。老式黑板可在木板上直接刷黑色油漆制成，用的材料主要是木板。现在使用的黑板大多具有用磁扣张贴挂图的功能，由此我们可以分析出制作黑板的材料中必定包含磁性材料。表层耐磨、深色，光洁平整；内层薄铁板，有利于磁吸。 飞行器需要选用密度小、强度大、耐腐蚀的轻质材料，以增加有效载荷和续航距离，提高机动性能，降低燃料或推进剂消耗等。 （二）案例探究一（工程思维训练）探秘高铁受电弓 【活动目的】 1．了解我国铁路运输发展的趋势、现状和成就。知道“弓网系统”是电气化列车运行的主要动力来源，主要由接触网和受电弓（图19.3-2）两部分构成。 2．知道电力机车从接触线获取电能的滑板，其材料经历了漫长而复杂的发展过程。了解几代滑板所使用的材料，它们分别改善了滑板的哪些性能。 3．感悟“应用需求推动材料创新，材料创新推动社会发展”的互动关系。 【活动内容】 1．通过查阅资料、参观展览，了解我国铁路运输发展的历史，特别是在高铁建设方面取得的成就。 2．查阅高铁受电弓滑板材料发展变迁的资料，与同学交流以下问题。 （1）受电弓滑板的主要功能是什么？实现这种功能所使用的材料应具有怎样的物理属性？ （2）受电弓滑板在使用过程中会出现哪些问题？这些问题对材料的物理属性提出了怎样的要求？ （3）了解受电弓滑板材料的迭代升级后，你有哪些想法和感悟？ 【补充资料】 阶段/类别 具体内容 起步与探索阶段（1881年-1949年） 1881年，中国自主修建的首条铁路唐胥铁路建成，拉开中国铁路建设序幕。此阶段因半殖民地半封建社会性质，铁路建设缓慢，多被外国列强控制，技术装备落后、路网布局不合理，主要集中在东北和沿海地区。至1949年新中国成立，全国铁路里程约2.18万公里，且许多线路破损、运输能力低。 自主发展与初步建设阶段（1949年-1978年） 新中国成立后，国家重视铁路建设，成立铁道部统一规划管理全国铁路。集中修复被战争破坏的干线，并新建铁路，先后建成成渝、宝成、鹰厦等干线，改变西南、福建等地不通铁路的历史。同时改造旧有铁路，实现蒸汽机车国产化，铁路里程增长，到1978年达5.17万公里，初步形成全国铁路网骨架，为国民经济恢复发展提供支撑。 改革开放后的快速发展阶段（1978年-21世纪初） 改革开放为铁路发展注入新活力，铁路建设进入快速发展期。一方面，加大新线建设，大秦、京九、南昆等重大工程通车，改善路网结构；另一方面，推进技术改造与现代化建设，实施大提速，淘汰蒸汽机车，推广内燃与电力机车，提升运输效率与服务质量。到21世纪初，全国铁路里程突破7万公里，铁路运输在国民经济中地位更突出。 高铁建设成就 - 技术自主创新实现重大突破 我国高铁从引进消化吸收再创新到全面自主创新，掌握高速列车、牵引供电等核心关键技术，形成具完全自主知识产权的技术体系。自主研发的“和谐号”“复兴号”高速动车组在多方面达世界先进水平，“复兴号”实现时速350公里商业运营，标志我国高铁技术走在世界前列。 高铁建设成就 - 高铁网络规模世界领先 经过多年快速建设，我国建成世界最大、最广的高速铁路网。截至2024年底，全国高铁营业里程领跑全球，形成“八纵八横”主通道格局，连接大部分大中城市，实现相邻大中城市1 - 4小时、城市群内0.5 - 2小时交通圈，大幅缩短城市间时空距离。 高铁建设成就 - 建设速度和质量彰显中国实力 我国高铁建设速度快、质量高，令世界惊叹。建设中攻克高寒、高原等复杂地质和气候条件下的难题，建成京沪、京广等一大批有世界影响力的高铁工程。这些线路质量过硬、建设周期短，体现了中国高铁建设的强大实力和技术优势。 高铁建设成就 - 推动区域经济社会发展作用显著 高铁开通运营促进人员、物资、信息快速流动，加强区域经济联系与合作，推动沿线城市经济发展和城镇化进程。沿线涌现高铁新城和产业园区，带动旅游、房地产、现代服务业等相关产业发展，为区域经济社会发展注入动力。同时，方便群众出行，提升群众幸福感与获得感。 高铁建设成就 - 高铁“走出去”迈出坚实步伐 我国高铁不仅在国内广泛应用，还走向世界，在海外多国和地区参与高铁项目建设，如雅万高铁、中老铁路，输出技术和标准，展示良好形象与国际竞争力，成为中国对外开放的亮丽名片。 2．查阅高铁受电弓滑板材料发展变迁的资料，与同学交流以下问题。 （1）受电弓滑板的主要功能是什么？实现这种功能所使用的材料应具有怎样的物理属性？ 受电弓滑板的主要功能是从接触网导线上可靠地获取电能，并将其传递给列车，为列车提供持续的动力来源。实现这种功能所使用的材料首先应具备良好的导电性能，以减少电流传输过程中的能量损耗，确保电能高效传递；其次，需要有较高的耐磨性，因为滑板在与接触网导线长期动态接触摩擦过程中，会不断受到磨损，耐磨性能差会导致滑板使用寿命缩短，增加更换频率和维护成本；同时，还应具有一定的强度和韧性，以承受列车运行过程中的振动、冲击以及接触压力等复杂外力作用，避免材料在使用过程中发生断裂或损坏；此外，材料的摩擦系数也需要适中，过小可能导致接触不良，影响导电效果，过大则会加剧导线和滑板的磨损，影响接触网系统的稳定性和使用寿命。 （2）受电弓滑板在使用过程中会出现哪些问题？这些问题对材料的物理属性提出了怎样的要求？ 在实际运行中，受电弓滑板面临诸多问题。因接触网导线高度差、硬点及列车速度变化，滑板不同区域受力有差异，部分区域磨损快，影响其使用寿命与导电稳定性。列车启动、制动或过道岔时，滑板与导线间冲击载荷大，若材料韧性不足，反复冲击会致微裂纹扩展、断裂。滑板与导线接触不良会产生电弧，高温使表面材料熔化、汽化，形成烧蚀坑，影响导电与平整度。 这些问题对材料属性要求更细致：针对磨损不均，材料需摩擦磨损性能稳定，保证各部分均匀磨损；针对裂纹和断裂，材料要韧性和抗疲劳强度高，抵抗损伤积累；针对电弧烧蚀，材料需耐高温、抗氧化，有抗电弧侵蚀能力，减少材料损耗。 （3）了解受电弓滑板材料的迭代升级后，你有哪些想法和感悟？ 受电弓滑板材料迭代升级不仅是技术突破，更体现工业发展对细节与可靠性的追求。从纯金属到复合材料，每次升级都精准回应实际运行问题，遵循“问题导向”研发逻辑。这表明材料科学进步与工程实践痛点紧密相关，深入一线了解需求才能推动技术实用、耐用发展。同时，滑板材料演变反映多学科融合趋势，需多领域知识协同平衡多种性能指标，为解决复杂工程问题提供启示。此外，轨道交通高速化、智能化发展将提升对滑板材料的要求，激励科研人员持续创新，探索更优材料配方和制备工艺以应对未来交通挑战。 【引导与深化】 1．介绍受电弓的功能及“弓网系统”的重要性。 2．提出核心问题链： （1）滑板的核心功能是什么？ 导电、摩擦 （2）需要什么性能？ 良好导电性、耐磨性 （3）使用中会遇到什么问题？ 振动、电弧、磨损 （4）对材料提出哪些新要求？ 强度、耐高温、自润滑 （5）材料是如何迭代升级的？ 从纯金属到粉末冶金再到碳基复合材料 3． 总结升华：引导学生感悟“应用需求提出挑战 → 推动材料科技创新 → 解决问题并提升整体性能”的闭环。 通过以上活动可以发现：在选择材料解决实际问题时，可以从对产品的功能要求出发，选择具有相应物理属性的材料。 （三）案例探究二（综合权衡实践）为高压输电线选材 【活动目的】 1．分析高压输电线对材料性能的多重要求。 2．通过比较物质的密度、导电性等，选出适合制作高压线的材料。 3．体会材料的物理性质对产品功能的决定性作用。 【活动器材】 铜丝、铁丝、铝丝、天平、学生电源、电流表、电压表、导线等。 【活动内容】 1．观察户外的高压输电线，思考并与同学讨论：用来制作高压输电线的材料应该满足哪些要求？用物理语言如何描述？ 首先，从安全性看，材料需有良好绝缘性能，防止电流泄漏引发安全事故；其次，导电性是关键，优秀导电性能可减少输电能量损耗、提高效率；再者，因高压输电线架设在户外，要经受自然环境考验，材料应具备较强抗腐蚀能力和一定机械强度，确保长期使用不易损坏断裂；另外，输电线架设跨度大，材料密度不宜过大，以免增加架设难度和成本，对杆塔承重要求过高；最后，从经济性考虑，需在满足性能要求的前提下，选择性价比更高的材料。 2．根据高压输电线“电阻小”且“质量轻”两方面的要求，比较铜和铝两种材料的导电性与密度，作出选择。 首先，通过实验测铜和铝的电阻率。用学生电源、电流表、电压表和导线组成电路，分别接入长度、横截面积相同的铜丝和铝丝，记录电压和电流数据，根据公式计算电阻率。结果显示铜的电阻率小于铝，表明相同条件下铜导电性更优、电阻更小。接着，用天平测相同体积的铜块和铝块质量，根据密度公式得出铜的密度大于铝，即铝质量更轻。综合来看，虽铜导电性更好，但铝密度小、质量轻，用于高压输电可降低杆塔承重和架设成本，且其导电性也能满足需求，因此选铝作高压输电线材料更合适。 3．为满足高压输电线“不易被拉断”的要求，探索解决方案。 首先，要分析材料力学性能，关键是抗拉强度，其决定材料受拉力时的抗断裂能力，数值越高越不易拉断。可通过拉伸试验，用万能材料试验机测标准试样，记录断裂最大拉力并结合横截面积计算。同时，材料延伸率也重要，较高延伸率意味着材料断裂前有塑性变形能力，能缓解应力集中，提高抗断裂性能。实际选择需综合考虑抗拉强度和延伸率。此外，可从加工工艺入手，如对材料进行热处理改善力学性能，或采用复合材料技术提升整体抗拉能力，如铝合金经热处理可提高抗拉强度且保持较轻质量。输电线结构设计也影响抗拉性能，多股绞合结构比单股线柔韧性和抗拉伸能力更好，能分散拉力、降低断裂风险。设计时需根据架设跨度、自然环境计算拉力，确保所选材料和结构在最不利工况下安全运行。 5．交流、总结实践活动带给自己的收获。 在这次实践活动中，我深化了对材料力学性能与输电线设计关联的理解，掌握了将理论知识用于实际问题分析的方法。参与拉伸试验的数据记录与计算，让我认识到实验操作需严谨，误差会影响结果准确性。探讨加工工艺对材料性能的影响时，我学会多角度思考，如热处理参数对材料结构和力学特性的作用，这种思维有助于今后解决复杂工程问题。输电线结构设计讨论让我明白工程设计要综合考量多种因素，权衡技术指标与实际应用场景，这是宝贵经验。与团队成员交流观点时，我发现大家切入点不同，思想碰撞拓宽了我的思路，让我学会有效表达和倾听，提升了团队协作能力。这些收获是我未来学习和工作的财富，激励我在工程领域探索进步。 6． 揭示解决方案：介绍钢芯铝绞线——一种典型的复合材料，完美体现了权衡与集成的工程智慧。 它以铝作为导电主体，利用铝材质轻、导电性能良好的特点降低线路整体重量并减少电能损耗，同时在铝绞线中心设置高强度钢芯，通过钢的高抗拉强度来承担线路所受的大部分拉力，有效弥补了纯铝绞线抗拉性能不足的缺陷。这种结构设计将两种材料的优势有机结合，既满足了输电线对导电效率和轻量化的基本要求，又显著提升了其在长距离架设和复杂环境下的抗拉承载能力，成为电力传输领域中解决材料性能与结构强度矛盾的经典方案。 了解材料的基本概念。 学习从不同角度对材料进行分类。 在笔记本上构建材料分类的知识框架 基于课前或课上的资料查阅，小组汇报受电弓滑板材料的发展历程。 查阅资料，了解我国铁路建设历程，高铁发展成就。 讨论，理解材料性能与工程需求之间的紧密联系。 体会技术进步的内在动力。 讨论并明确高压线的性能要求。 分组实验，测量并比较不同金属丝的导电性和密度。 陷入“两难”选择，产生思维碰撞。 了解钢芯铝绞线的结构，深刻理解“综合权衡”的必要性。 学习新课 二、视野拓展和成果展示 （一）视野拓展，聚焦前沿与责任 【相关链接】石墨烯和碳纤维 石墨烯和碳纤维互为同素异形体，构成两种物质的碳原子的排列方式不同，导致二者的物理性质和功能差异巨大。 常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层石墨片就是石墨烯，石墨烯的结构如图19.3-4所示。石墨烯只有一层原子，电子在其中的运动速度远远超过了电子在一般导体中的运动速度，因此其导电性、导热性都非常好。石墨烯的热传导能力是金刚石的2倍以上，机械强度比钢铁强200倍，导电性比银、铜还强，在航空航天、新能源、轨道交通、环境净化、生物医药、智能穿戴、电子信息等领域应用广泛。 碳纤维被誉为“黑色黄金”（图19.3-5）,是含碳量高于95%的无机高分子纤维，是由有机纤维经碳化、石墨化处理得到的微晶石墨材料，也称石墨纤维。碳纤维兼具碳材料的高强度和纤维纺织材料的柔软可加工性。手指粗的一束高强度碳纤维可以拉动飞机。碳纤维还可以编织成纤维布，根据需要裁剪成特定形状，经树脂固化变成比高强钢强度更高的材料。因为拥有多种优异特性，碳纤维应用广泛，成为航空航天、电力、交通运输等高端装备、重大基础工程、新能源等领域的重要支撑性材料。 【展示与引领】 1． 前沿材料：介绍“新材料之王”石墨烯和“黑色黄金”碳纤维，强调其优异性能源于独特的碳原子排列（链接微观结构）。 2． 社会责任：介绍生态环境材料（如聚乳酸）和绿色冬奥中的发电玻璃，引导学生思考材料发展的可持续性和环境协调性。 （二）成果展示，“材料改变生活”分享会 【活动目的】 1．了解身边的生活用品所使用的材料及其性能。 2．感悟材料的研发与应用对日常生活和社会发展的影响。 【活动内容】 1．查阅资料，了解新物品带来新功能的背后是否有新材料的支撑。 （1）家中新安装的净水装置，其核心技术是什么？使用的是什么材料？ 答：家中新安装的净水装置，核心技术涉及多层过滤体系，关键过滤靠特种膜材料，如反渗透膜或超滤膜。这些膜有精细孔径，能截留杂质、细菌、重金属离子等有害物质，让水分子通过以净化水质。反渗透膜多采用芳香族聚酰胺复合膜，化学稳定性和机械强度好，能在高压下高效过滤；超滤膜常用聚乙烯、聚丙烯腈等高分子材料，经制膜工艺形成多孔膜丝，可去除胶体、悬浮物和大分子有机物等。 （2）妈妈新买了保暖衣，据说又轻柔又保暖，使用了什么新材料？ 答：妈妈新买的保暖衣轻柔又保暖，可能用了中空纤维、气凝胶等新型保暖材料。中空纤维内有多个封闭空气腔，空气是热的不良导体，能阻隔热量流失，且质地轻盈，不增加衣物厚重感；气凝胶有纳米多孔结构，密度低、保温好，制成保暖层加入衣物，可轻薄高效保暖，还能让衣物有良好柔韧性和舒适性。此外，有些保暖衣可能采用吸湿发热纤维，吸收人体湿气转化为热量，提升保暖效果，面料多为柔软亲肤混纺材质，穿着更舒适。 （3）爷爷奶奶修补牙齿，选用的材料有什么特点？ 答：爷爷奶奶修补牙齿选用的材料通常需有良好生物相容性，不会刺激或引发过敏，可安全留于口腔。同时，要有足够强度和硬度，承受咀嚼压力，不易磨损、断裂或变形，保障咀嚼功能。此外，应具较好美观性，颜色与自然牙协调，前牙修复要外观逼真。而且，需有一定粘结性，牢固结合牙齿组织，防止修复体脱落，且操作简便，便于塑形和固化。部分材料还可能耐磨、耐腐蚀，抵抗口腔侵蚀，延长修复体寿命。 2．聚焦某种新材料，通过查阅资料回答下列问题：这种新材料有什么特点？在解决什么问题中发挥了怎样的作用？科研人员在研发过程中有什么曲折的经历？通过照片、实物等形式向同学展示。 比如有同学选择可降解塑料，其能在自然环境中被微生物分解为无害物质，减少传统塑料造成的白色污染。在解决环境污染问题上，它替代部分一次性塑料袋、餐具等，从源头降低塑料垃圾长期留存。科研人员研发时，起初面临材料成本高、降解速度难控问题，经无数次调整配方、测试不同环境下降解效果，最终实现性能与成本平衡。展示环节，该同学带来可降解塑料制成的水杯和包装袋，通过对比实验照片，直观呈现其与普通塑料在土壤中三个月后的降解差异。 3．在全班进行交流：围绕某种新材料的特点、研发历程、应用前景、对社会发展的影响等话题，发表自己的看法和见解；针对报告内容、形式、表达等方面展开互评。 交流中，同学们结合所选新材料案例，阐述其物理化学特性或功能优势，如高强度、耐腐蚀、节能环保等。接着分享科研人员研发时遇到的困难，如技术瓶颈、资金短缺、市场质疑等，以及他们如何克服，让大家体会科技研发的艰辛。探讨应用前景时，从当下应用领域延伸至未来方向，分析其推动产业升级、改善生活质量的潜力。讨论对社会发展的影响，既要看到积极作用，如促进绿色经济、提升科技竞争力，也要思考潜在问题，如资源消耗、伦理争议。互评环节，同学们要客观公正，肯定亮点，如内容准确、形式创新、表达清晰，也指出不足并提建议，如数据引用不权威、展示不直观。通过互动交流，加深对新材料知识的理解，提升表达、批判性思维和团队协作能力。 【搭建平台与评价】 1．组织学生以小组为单位，围绕课前准备的“一种改变生活的新材料”进行汇报展示（如：防割手套材料、手机屏幕玻璃、记忆海绵等）。 每个小组通过PPT演示、实物展示或情景模拟等多样化形式，生动呈现新材料的发现历程、核心特性及实际应用场景。展示过程中，要求小组成员分工明确，既有主讲人系统阐述，也有其他成员补充细节并回应提问，确保汇报内容的完整性和互动性。教师则在各小组展示后，结合同学们的交流讨论情况，从资料收集的全面性、分析视角的独特性、团队协作的默契度等维度进行综合点评，引导学生进一步思考材料创新与社会需求的深层联系，同时记录各小组的表现亮点与改进方向，为后续的综合评价提供依据。 2．要求汇报内容涵盖：材料特点、解决的问题、研发故事、社会影响等。 其中，材料特点需具体说明其物理化学性质、结构优势或技术突破点，如是否具备高强度、耐极端环境、生物相容性等独特属性；解决的问题要结合实际生活场景，清晰阐述该材料如何弥补传统材料的不足，例如提升产品安全性、降低能源消耗或改善使用体验；研发故事可包括科学家在探索过程中遇到的技术瓶颈、实验中的关键转折点以及团队协作中的创新思路，展现科研工作的艰辛与智慧；社会影响则需从经济、环境、文化等多层面展开，分析其对相关产业发展的推动作用、对可持续发展目标的贡献以及可能引发的生活方式变革等，引导学生从微观技术细节延伸至宏观社会价值的思考。 3．组织学生进行互动提问和评价。 鼓励各小组针对其他小组的汇报内容提出疑问或补充见解，例如就材料研发过程中的技术可行性、实际应用场景的局限性等展开深入探讨。同时引导学生从汇报逻辑的清晰度、论据支撑的充分性、创新点的突出程度等方面对其他小组的表现进行客观评价，使学生在思维碰撞中深化对材料创新的理解，培养批判性思维和团队互评能力。在此过程中，教师需及时把控讨论方向，确保互动环节围绕材料创新主题有序进行，避免话题偏离，同时记录学生提出的有价值观点和典型问题，作为后续教学改进的参考。 【展示与交流】 1．小组代表进行限时汇报，展示研究成果。 2．其他小组倾听、提问、评价。 3．在交流碰撞中深化认识，共享学习成果。 （三）阅读拓展，“生态环境材料及其应用” 生态环境材料是在人类认识到生态环境保护的重要战略意义背景下提出的新概念，是指具有良好的使用性能和环境协调性的材料。使用性能是材料的基础功能。环境协调性要求产品在制造、使用、废弃到再生的整个生命周期中与生态环境相协调，并且具备净化和修复环境的功能。 聚乳酸材料是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源如玉米、秸秆等，通过现代加工工艺制成。聚乳酸材料生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，可以制成可降解的购物袋、餐具，替代造成环境污染的塑料制品。制成的服装可以防虫、抗螨，具有阻燃性和抗紫外线的特性。如图19.3-6所示，人们将沙子装入聚乳酸沙袋中用于治沙，沙袋在自然环境条件下，先经过简单的水解，再经过微生物的作用，可以完全降解为二氧化碳和水。 2022年我国成功举办北京冬奥会，在绿色冬奥的理念下，大量科技创新融入其中。由我国科研人员自主研发的碲化镉发电玻璃应用于国家速滑馆和张家口冬奥会配套设施改造项目。国家速滑馆曲面玻璃幕墙（图19.3-7）由1.2万块宝蓝色的碲化镉发电玻璃拼接而成，不仅展现了灵动的现代建筑之美，还兼具高效的发电性能。碲化镉发电玻璃具有弱光性能好、抗衰减等特点，是适用于光伏建筑一体化的理想材料。 【实践与探索】 1．写一篇学习收获小结，梳理自己获得的关于新材料及其应用的知识，并谈谈自己的学习体会。 在学习新材料及其应用的过程中，我系统了解到聚乳酸材料凭借优异的生物相容性、可降解性等特性，在环保包装、服装及生态治理等领域展现出巨大潜力，比如可降解购物袋、餐具对传统塑料制品的替代，以及聚乳酸沙袋在治沙中的创新应用，其完全降解为二氧化碳和水的过程真正实现了环境友好。同时，碲化镉发电玻璃作为光伏建筑一体化的理想材料，在绿色冬奥中的成功应用让我印象深刻，它不仅兼具建筑美学与发电性能，弱光性能好、抗衰减等特点更是拓展了新能源材料的应用场景。这些新材料的研发与应用，让我深刻认识到科技创新是推动可持续发展的核心动力，也让我对材料科学领域产生了浓厚兴趣，未来希望能进一步学习相关知识，为新材料的探索贡献自己的力量。 2．与同学一起策划有关新材料的科普宣传活动，将课内交流的内容转化为科普宣传作品。 我们计划通过制作图文并茂的科普手册、设计互动性强的线上知识问答，以及组织校园新材料展示角等形式，让更多人直观了解聚乳酸、碲化镉发电玻璃等材料的特性与应用价值。比如在科普手册中，我们会用生动的案例对比传统材料与新材料的环保效益，在线上问答环节设置材料降解过程模拟、发电效率小实验等趣味内容，而展示角则会陈列可降解产品实物与发电玻璃样品，配合同学现场讲解，让抽象的材料知识变得通俗易懂，激发大家对新材料领域的关注和探索热情。 了解石墨烯和碳纤维 小组互动，分享学习收获和感悟。 讨论交流，观点碰撞。 拓展延伸，了解生态环境材料在环境保护和可持续发展方面的重要意义和价值。 课外实践，完成探究报告。 课 堂 练 习 1．我国高铁技术处于世界先进水平，如图所示是为高铁提供电能的“弓网系统”，它是由高压线和与之接触的受电弓组成。则受电弓与高压线接触面的材料一般应选用（     ） A．塑料 B．橡胶 C．陶瓷 D．石墨 【答案】D 【详解】受电弓是高铁从高压线取得电能的电气设备，因此受电弓与高压线接触面上的材料导电性能要好，橡胶、陶瓷和塑料是绝缘体，石墨是导体，所以受电弓与高压线接触面上的材料选用较为合适的是石墨，故D符合题意，ABC不符合题意。 故选D。 2．结合表格数据进行分析，高压输电的导线通常使用铝线而非铜线，主要是因为铝的（    ） 金属 导电性（以银的导电性为100作标准） 密度 熔点/℃ 硬度（以金刚石的硬度为10作标准） 铜 99 8.9 1083 3 铝 61 2.7 660 2.7 A．导电性更好 B．硬度更大 C．密度更小 D．熔点更高 【答案】C 【详解】由表可知，与铜相比，铝的导电性较差、密度较小、熔点较低、硬度较小，所以高压输电的导线通常使用铝线而非铜线，主要是因为铝的密度更小，故C符合题意，ABD不符合题意。 故选C。 3．石墨烯是一种具有多种优异特性的新型材料，其硬度高于钻石，柔韧度、导电性和热传导性能也非常出色。根据石墨烯的性质，你认为石墨烯不能用来制成（　　） A．熔断器中的保险丝 B．折叠屏手机的屏幕 C．高压输电用的导线 D．隧道据进机的钻头 【答案】A 【详解】A．石墨烯的导电性好，则相同条件下电阻较小，而保险丝要选用电阻较大的材料来制成，所以石墨烯不能做保险丝，故A符合题意； B．石墨烯硬度高于钻石，柔韧度也非常出色，可以做折叠屏手机的屏幕，故B不符合题意； C．石墨烯具有优良的导电性，所以可以用来制成高压输电用的导线，故C不符合题意； D．石墨烯是目前世界上最薄、最坚硬的纳米材料，所以可以做隧道掘进机的钻头，故D不符合题意。 故选A。 4．各种新材料的应用正在改变我们的生活，石墨烯就是其中的一种。石墨烯质地坚硬，并有着出色的导电性和导热性，下列物体中不适合使用石墨烯制作的是（　　） A．高压输电导线 B．隔热手套 C．防弹衣 D．电子元件 【答案】B 【详解】A.石墨烯具有出色的导电性，用其制作高压输电导线可以减少输电过程中的电能损耗，适合使用，故A不符合题意； B.隔热手套需要材料具有良好的隔热性能，而石墨烯的导热性非常好，无法起到隔热保暖的作用，不适合制作隔热手套，故B符合题意； C.石墨烯质地坚硬，强度高，是目前已知强度最高的材料之一，可用于制作防弹衣，能够有效抵御子弹的冲击，故C不符合题意； D.石墨烯具有出色的导电性，非常适合用于制造电子元件，可以提高电子元件的性能和运行速度，故D不符合题意。 故选B。 5．如图甲，受电弓安装在高铁车箱的顶部，受电弓的碳钢滑板与供电线接触。如果碳钢滑板的同一位置与供电线持续摩擦，会缩短碳钢滑板的使用寿命，更会影响动车组的运行安全，那么图 （填“乙”或“丙”）的设计能使碳钢滑板的磨损均匀化。 甲 乙 丙 【答案】丙 【详解】如果碳钢滑板的同一位置与供电线持续摩擦，会缩短碳钢滑板的使用寿命，更会影响动车组的运行安全，需要尽量每个位置都能摩擦，故图e的设计能使碳钢滑板的磨损均匀化。 6．目前远距离输电主要采取高压输电的方式来实施。在保证输送功率不变的情况下，采用提高电压的方法减少线路上电能的损失。如图1所示是陕西榆林某风力发电场，主要为西安某工业园区供电。已知该电场远距离输电时，输出功率P0＝1.0×108W，输电线路总电阻为10Ω。 （1）风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，从而带动风机内的发电机发电。发电机利用 原理发电，高压输电线路的电能损耗主要是电流的 效应。 （2）若输电线路的电流为1250A，则输电电压是多少 kV？ （3）若从榆林到西安的输电效率为90%，输电线上的电流大小为多少 A？ （4）在实际传输电能的过程中，输出电功率一定，将输电电压提高为原来的2倍，则输电线上损失的功率将变为原来的 倍；在高压输电时常用到如图2所示装置，该装置是导体，这是为 （选填“增大”或“减小”）输电线上电能的损失。 【答案】（1）电磁感应；热；（2）80kV；（3）1000A；（4） ；减小。 【详解】（1）[1]发电机是利用电磁感应原理来工作的。 [2]高压输电的电能损失是由于导线发热散失到空气中，这是电流的热效应。 （2）根据P＝UI得到：输电电压为 （3）若从榆林到西安的输电效率为90%，即输电线上损失的功率为 输电线上的电流大小 （4）[1]根据P＝UI，输出电功率一定，将输电电压提高为原来的2倍，则输电线上中的电流为原来的一半，根据焦耳定律Q＝I2Rt可以算出损失的电能，输电线上损失的功率将变为原来的。 [2]在高压输电时常用到如图2所示装置，该装置是导体，相当于增大了导体的横截面积，减小了输电线的电阻，从而减小输电线上电能的损失。 7．某公司想为一款新型无人机选择机身材料，要求重量极轻、强度高、且具有一定的耐高温性。请你参考碳纤维的特性，说明推荐使用碳纤维的理由。 【解答】碳纤维具有密度小的特性，能满足无人机重量极轻的要求，便于无人机实现灵活飞行和长时间续航；其强度高，可保证无人机机身在飞行过程中承受各种应力而不易损坏，提升机身结构的稳定性和安全性；同时，碳纤维还具备较好的耐高温性能，能够适应无人机在飞行中因空气摩擦等产生的一定温度环境，确保机身材料在使用过程中性能稳定，不会因高温而发生形变或损坏，因此碳纤维是该新型无人机机身材料的理想选择。 8．为什么日常生活中的导线大多用铜制造，而远距离高压输电线却常用铝制导线？请从物理属性和经济性角度简要分析。 【解答】铜的导电性能优良，电阻率小，在日常生活中，导线传输距离较短，使用铜导线能有效减少电能在传输过程中的损耗，保证用电设备的正常高效运行；同时铜质地较软，易于加工成各种规格的导线，且具有较好的延展性和机械强度，能满足日常使用中对导线柔韧性和耐用性的要求。而远距离高压输电线在选择材料时，除了考虑导电性能，经济性和架设成本也是重要因素。铝的密度小于铜，在相同导电能力的情况下，铝导线的重量更轻，这大大降低了架设过程中的难度和成本，减少了对输电杆塔承重能力的要求；此外，铝的储量相对丰富，开采和冶炼成本较低，使得铝导线在大规模远距离输电工程中的综合造价更具优势，虽然铝的导电性能略逊于铜，但在高压输电中，通过增大导线横截面积等方式可以弥补这一差异，从而在保证输电效率的同时降低整体成本。因此，日常生活中的导线多用铜制造，而远距离高压输电线常用铝制导线。 9．阅读短文，回答问题： 聚乳酸是一种以可再生植物资源（如玉米、甘蔗等）中提取的淀粉为原料，经发酵转化为乳酸，再通过化学合成聚合而成的生物基可降解高分子材料。它具有以下显著特性：首先，聚乳酸具有良好的生物相容性和可降解性，在自然环境中，可在微生物的作用下分解为二氧化碳和水，不会对环境造成持久性污染，有效缓解了传统塑料带来的“白色污染”问题。 其次，聚乳酸材料拥有与某些传统塑料（如聚丙烯）相近的物理机械性能，具备较高的强度、刚度和透明度，同时还具有一定的耐热性和耐水性，能够满足多种加工工艺的要求，如注塑、挤出、吹塑等。此外，作为生物基材料，聚乳酸的生产原料来源于可再生资源，减少了对石油等不可再生化石资源的依赖，有助于降低碳排放，符合可持续发展的理念。 基于这些优异特性，聚乳酸的应用领域十分广泛。在包装领域，聚乳酸可用于生产各类食品包装膜、包装袋、一次性餐具（如餐盘、水杯、餐勺等），其良好的透明度和阻隔性能够有效保护食品，且使用后可自然降解。在医疗健康领域，由于其出色的生物相容性和可降解性，聚乳酸被广泛应用于制作手术缝合线、骨固定材料、组织工程支架等，手术缝合线在伤口愈合后可自行降解吸收，无需二次手术拆除；骨固定材料在骨骼愈合过程中能逐渐降解，避免了二次手术取出的痛苦。在纺织领域，聚乳酸纤维可用于制作服装面料、家纺用品等，这种纤维具有良好的透气性、吸湿性和抑菌性，穿着舒适，且废弃后可生物降解，有利于环境保护。此外，聚乳酸还在农业领域（如可降解地膜）、3D打印材料等方面展现出良好的应用前景。随着技术的不断进步和成本的降低，聚乳酸有望在更多领域替代传统塑料，为构建绿色低碳的可持续社会发挥重要作用。 （1）聚乳酸在自然环境中可分解为_________和__________； 【答案】二氧化碳；水。 【详解】聚乳酸在自然环境中可在微生物的作用下分解为二氧化碳和水。这一特性使得聚乳酸不会对环境造成持久性污染，有效缓解了传统塑料带来的“白色污染”问题。 （2）聚乳酸是一种以_________（可/不可）再生植物资源中提取的_________为原料，经发酵转化为_________，再通过化学合成聚合而成的生物基可_________高分子材料。 【答案】可；淀粉；乳酸；降解。 【详解】聚乳酸的生产原料来源于可再生植物资源（如玉米、甘蔗等）中提取的淀粉。且自身可降解，这种原料特点减少了对石油等不可再生化石资源的依赖，有助于降低碳排放，符合可持续发展的理念。 （3）聚乳酸具备的物理属性有__________、__________、__________、__________等。 【答案】高强度；刚度；透明度；耐热性；耐水性等。 【详解】聚乳酸具有较高的强度和刚度，能够满足日常使用对材料力学性能的基本要求，比如在包装材料和日用品制作中表现出良好的结构稳定性。同时，它还拥有出色的透明度，可与传统的透明塑料相媲美，这使得其在食品包装、医疗器械外壳等需要清晰展示内部物品的领域具有广泛应用前景。此外，聚乳酸具备一定的耐热性，能够在较高温度环境下保持形态稳定，适合用于一些对温度有一定要求的场景，例如盛装热饮的杯子等。而且，经过适当的改性处理，聚乳酸的耐水性也能得到提升，进一步拓展了其在潮湿环境中的应用范围，如户外用品和农业薄膜等领域。这些物理属性的综合作用，使得聚乳酸在众多领域展现出替代传统石油基塑料的潜力。 （4）聚乳酸应用场景广泛，如_________领域、_________领域、_________领域、_________领域等，称为塑料的替代品。 【答案】包装；医疗健康；纺织；农业领域；3D打印材料等。 【详解】在包装领域，聚乳酸可用于制作食品包装袋、一次性餐具等，其良好的透明度和可降解性能够减少对环境的污染；医疗健康领域中，聚乳酸可以用来生产手术缝合线、骨固定材料等医疗器械，生物相容性好且能在人体内逐步降解吸收；纺织领域里，聚乳酸纤维制成的衣物具有良好的透气性和舒适性，符合可持续发展的趋势；农业领域中，聚乳酸可作为农业薄膜使用，在农作物生长过程中起到保温保湿的作用，使用后能自然降解，不会对土壤造成污染；3D打印材料领域，聚乳酸凭借其良好的成型性能，能够打印出各种复杂结构的产品，满足不同行业的个性化需求。 （5）聚乳酸（PLA）作为一种生态环境材料，它在哪些方面体现了“环境协调性”？请举例说明。 【解答】聚乳酸（PLA）环境协调性佳。一是原料来源可持续，主要以玉米、甘蔗等可再生生物质资源为原料，非依赖不可再生石油。这些植物生长时通过光合作用吸收二氧化碳，减少化石能源消耗与碳排放。如以玉米为原料生产PLA，种植可持续利用土地，秸秆等副产品可循环利用。二是废弃阶段生物降解性好，在自然环境中能被微生物分解为二氧化碳和水，不会形成“白色污染”。如PLA一次性餐具丢弃后几个月到一年可完全降解，普通聚乙烯塑料餐具则需数百年且可能释放有害物质。三是生产和加工过程环保，与传统石油基塑料相比，消耗能源少、排放温室气体低。数据显示，PLA生产比PET塑料减少约50%化石能源消耗和30%以上二氧化碳排放，利于应对气候变化、推动低碳经济。四是具有可回收性，未降解的PLA制品可通过化学或物理回收处理，重新加工成新材料或化学品。如PLA薄膜制品使用后可经物理回收工艺制成新包装材料等，实现循环利用、避免资源浪费。 板 书 设 计 三、跨学科实践：关注材料的应用 一、材料：材料是用于制造物品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。 人们把信息、材料和能源视为社会发展的支柱。 分类： 按属性：金属、无机非金属、有机高分子、复合材料 按功能： 结构材料（力学性能） 功能材料（光、电、磁、声、热） 二、核心思维：“需求-性能-材料”闭环 应用需求 → 提出性能要求 → 选择/研发材料 → 解决问题/推动发展 （导电、密度、强度、耐腐……） 三、案例探究中的智慧 高铁受电弓滑板：需求推动迭代（纯金属 → 复合材料） 高压输电线：权衡与集成（钢芯铝绞线） 关键：微观结构决定宏观性能 四、前沿与责任 前沿：石墨烯、碳纤维 → 性能突破 责任：生态环境材料（聚乳酸） → 可持续发展 课 堂 小 结 三、跨学科实践：关注材料的应用 作业布置 1．教材本节末“实践与探索” 2．配套同步“导学案”。 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $