第三节 跨学科：材料的利用与开发（教学课件）物理新教材沪科版九年级全一册

该初中物理课件聚焦材料的利用与开发，涵盖人类早期材料发展、导电性材料分类及新材料特性。从生活物品导入，连接能源与材料发展脉络，通过例题和实验搭建学习支架，帮助学生构建知识体系。 特色在于融合跨学科视角，以二极管实验培养科学探究能力，结合超导、纳米材料实例深化物理观念，设气凝胶小论文任务渗透科学态度与责任。含《超导》视频辅助理解，例题与训练联系实际，助力学生建立物理观念，教师可高效教学。

义务教育教科书 第二十一章 能源、材料与社会 第三节 跨学科：材料的利用与开发 上海科学技术出版社 思考： 地球上的能源是取之不尽、用之不竭的吗? 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，科学技术的发展离不开材料的开发，科学技术的进步伴随着新材料的出现。 集成电路生产线 用物理学的视角，看一看材料的利用与开发. 学习目标 能结合实例了解一些新材料的特点及其应用， 了解半导体、超导体、纳米材料等的主要特点；能体会新材料技术的研发与应用对社会发展的影响。 1. 人类早期对材料的利用 2. 导电性材料的利用与开发 3. 开发新材料 4. 课堂总结 5. 综合提升训练 目录导航 一、人类早期对材料的利用 第三节 跨学科：材料的利用与开发 一、人类早期对材料的利用 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。 原始人制造的工具 一、人类早期对材料的利用 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。我国有着举世闻名的青铜文化，如三星堆出土的青铜器文物，其造型、工艺以及蕴含的深意等让世界惊叹！ 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。 三星堆的文物 一、人类早期对材料的利用 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。 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 一、人类早期对材料的利用 【例题1】数千年来，寻找和开发新材料造福社会是人类的核心追求之一、半导体材料的应用促进科技日新月异的发展，这意味着人类已经步入了（　　） A．石器时代 B．青铜器时代 C．铁器时代 D．“硅器”时代 A．石器时代表示当时人们是使用石器为主，故A不符合题意； B．青铜器时代表示人们是使用青铜器为标志，故B不符合题意； C．铁器时代表示人们是使用铁器为标志，故C不符合题意； D．“硅器”时代，指的是人们使用半导体材料为标志，故D符合题意。 D 故选D。 二、导电性材料的利用与开发 第三节 跨学科：材料的利用与开发 二、导电性材料的利用与开发 （1）导体 材料的导电性能是由材料内部电子的运动状况决定的，金、银、铜、铁和铝等金属材料是导电性能较好的导体，如铜、铝等常被用来制成传导电流的导线。 （2）绝缘体 绝缘体的电阻很大，电流几乎不能通过，因此，类似橡胶那样的绝缘体常常被用来隔离带电物。 电缆内部的导线与绝缘材料 1. 导体、半导体和绝缘体 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。 二、导电性材料的利用与开发 （3）半导体 半导体材料的导电性能介于导体与绝缘体之间。具有一些特殊的物理性质，如材料硅、锗和砷化镓等都属于半导体。 半导体晶片 二、导电性材料的利用与开发 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 二、导电性材料的利用与开发 【二极管简介】 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。 【实验材料】 电源、灯泡、开关、导线、接线板、 接线柱、半导体二极管。 + - 探究半导体二极管的单向导电特性 二、导电性材料的利用与开发 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）. 二、导电性材料的利用与开发 【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。 二、导电性材料的利用与开发 【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。 三、开发新材料 第三节 跨学科：材料的利用与开发 汞电阻随温度变化的图线 三、开发新材料 1. 超导材料 （1）超导现象 1911年，昂内斯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。 为了制造物美价廉、性能更好的物品，人们正不断地研究性能更好、更有价值的新材料，如超导材料、纳米材料等。 三、开发新材料 （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。 （3）超导磁浮现象 1933年，迈斯纳和奥森菲尔德发现了超导磁浮现象。 超导磁浮现象 三、开发新材料 （4）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。 上海磁悬浮列车 三、开发新材料 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）。 三、开发新材料 视频讲解——《超导》 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。例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。 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） 三、开发新材料 气凝胶是由石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水溶液在低温环境下经冻干、去除水分、保留骨架而制成的，它是一种超轻的固态材料。将一个马克杯大小的气凝胶放在狗尾草上，纤细的草须也不会被压弯。 “全碳气凝胶”的结构韧性也十分出色，在数千次被压缩至原体积的20%之后也能迅速复原。它还是吸油能力最强的材料之一， 吸收量可高达自身质量的900倍。目前科学家正在对这一材料的性能做进一步的应用性研究。 狗尾巴草须托起的气凝胶 请查阅资料，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。 超轻固态材料气凝胶 三、开发新材料 事实上，纳米材料并不神秘，也不是人类的专利，纳米材料存在于自然界之中。例如，莲花之所以能出淤泥而不染，是因为莲叶表面 结构与粗糙程度皆为纳米尺度，使其能够达到不沾水的状态，灰尘和泥巴也就无法吸附在其上了。另外，许多昆虫的翅膀表面具有纳米粒子，只要一抖动翅膀就可将雨水和灰尘抖落，从而不影响飞行。 莲花 材料的疏水性 三、开发新材料 【例题3】当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会变为零，这种物质叫超导体。假如有室温环境中的超导体，可用它来制作（　） A．电饭煲的电热丝 B．白炽灯的灯丝 C．输电导线 D．滑动变阻器的电阻丝 A．电饭煲的电热丝是利用电流热效应工作的，电流流过超导体时不会发热，所以超导体不能用来制作电饭煲的电热丝，故A不符合题意； B．白炽灯是利用电流热效应工作的，电流流过超导体时不会发热，所以超导体不能用来制作白炽灯的灯丝，故B不符合题意； C．利用超导体制作输电导线，可以避免因电流的热效应而损失的电能，所以可以用超导体制作输电导线，故C符合题意； D．滑动变阻器通过改变接入电路中的电阻丝长度来改变电阻的，若用超导体制作滑动变阻器，则滑动变阻器阻值会变为零，故D不符合题意。故选C。 C 三、开发新材料 【例题4】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. 四、课堂总结 第三节 跨学科：材料的开发与利用 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、计算机. 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 31 五、综合提升训练 第三节 跨学科：材料的开发与利用 【解析】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。故选A。 综合提升训练 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 综合提升训练 【解析】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，可减小由电能转化为内能的损耗，故D符合题意。 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 故选D。 综合提升训练 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。故选C. 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 C 综合提升训练 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。故选B. 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 三、开发新材料 5. 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 三、开发新材料 6. 近年来我国不断加大自主创新力度，许多领域打破了国外技术封锁，出现了一大批拥有自主知识产权的产品。如图所示是我国自主研发的手机摄像头芯片，制造该芯片的主要材料是（　　） A．超导材料 B．半导体材料 C．纳米材料 D．绝缘体材料 半导体的导电能力介于导体与半导体之间，常见半导体材料有锗、硅等。半导体材料的导电性能可以受到外部环境的影响而发生变化，这使得它可以被用于制造各种类型的传感器。手机摄像头芯片的材料是半导体，故B符合题意，ACD不符合题意。 B 故选B. 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