第三节 跨学科：材料的利用与开发（表格式教学设计）物理沪科版2024九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦“材料的利用与开发”，涵盖材料分类、导电性及新材料特性，通过短视频《材料改变世界》创设历史与生活情境，衔接学生已有导体、绝缘体认知，构建跨学科学习支架。 以跨学科融合与实践探究为特色，突出科学思维（分类、推理）与科学探究（二极管单向导电性实验），结合短视频情境与生活实例，培养物理观念与科学态度，课堂练习联系实际应用，助力教师高效教学与学生核心素养提升。

第三节 跨学科：材料的利用与开发（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 课时数 1课时 教师 课题 第三节 跨学科：材料的利用与开发 教学 目标 物理观念 区分天然材料与人造材料；知道材料按导电性能分为导体、半导体、绝缘体；了解超导、纳米材料特性。 科学思维 从材料导电性分类理解分类思维；通过分析半导体元件功能，培养逻辑推理能力。 科学探究 经历设计电路探究半导体二极管单向导电特性的过程，提高实验设计与操作能力。 科学态度 与责任 认识材料发展对社会的推动作用，体会科学技术与社会的联系，增强探索新材料的热情。 教材 分析 本节围绕材料的发展与导电性展开，从天然材料到人造材料，从金属利用到半导体、超导和纳米材料，体现材料科学在人类文明进步中的作用，衔接物理性质与实际应用，关联科学、技术与社会素养。知识体系以材料分类为起点，逐步深入到导电性、半导体特性及新材料应用，逻辑清晰，图文结合，利于学生理解。重点在于导体、半导体、绝缘体的区别及半导体元件的功能，难点在于半导体单向导电性和新材料特殊性能的理解。教学应通过迷你实验设计电路探究二极管特性，强化动手与观察能力，采用问题引导和类比法帮助学生建立微观电子运动与宏观导电性的联系。学习活动强调实验探究与生活实例结合，目标定位在认识材料导电性及其应用，达成标准为能解释常见电器中的材料选择，并理解新材料对科技发展的推动作用。 学情分析 学生此前已了解一些常见材料，对导体、绝缘体也有初步认识。此阶段学生逻辑思维能力增强，知识储备逐步丰富，对新事物充满好奇，渴望深入探究。教材重难点在于区分天然与人造材料、理解导体半导体绝缘体的特性及应用，还有超导和纳米材料的独特性质。要求学生能清晰辨别不同材料类别，掌握半导体元件功能及超导、纳米材料潜在应用，培养从生活中发现物理知识的意识和探究能力。 教学重点 通过观察实物和图片，区分天然材料和人造材料的特点及用途。 结合实验，理解导体、半导体和绝缘体的导电特性及其应用。 教学重点 理解半导体材料的特殊导电性能及其在电子设备中的应用。 掌握超导材料和纳米材料的基本特性及其潜在应用价值。 教学过程 教学活动 设计意图 导入新课 展示情境：播放短视频《材料改变世界》，呈现原始人石器、三星堆青铜器、钢铁桥梁、手机芯片、超导列车的画面； 2. 提问引导： - “从石头工具到手机芯片，材料的变化如何推动人类社会发展？” - “我们身边的物品（如课桌、手机、电线）分别由什么材料制成？这些材料有什么特点？” 3. 引出课题：本节课从跨学科视角，探究 “材料的利用与开发”，揭秘材料的特性与价值。 从历史与生活双重情境切入，引发认知共鸣，自然关联课题，激发探究兴趣。。 学习新课 一、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。 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。 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。 通过实物观察、动手实验、优势分析，三层递进落实光纤通信的知识，突破 “光在弯曲光纤中传播” 的难点，培养实验探究能力。 学习新课 全二、导电性材料的利用与开发 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。 （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。 （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。 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。 探究半导体二极管的单向导电特性 【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。 【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。 。 学习新课 三、开发新材料 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。 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。 （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。 （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。 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）。 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。 （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。 3.超轻固态材料气凝胶 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。 4.材料的疏水性 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。 课 堂 练 习 一、单选题 1．木材是大自然赐予人类的重要资源，它有着密度小、易加工、耐腐蚀、导热性差等特点。下列选项中，主要利用木材导热性差这一特点的是（　　） A．用木材雕刻人像 B．燃烧木材取暖 C．用木材制成锅铲的手柄 D．用木材制作龙舟 【答案】C 【详解】A．用木材雕刻人像，是因为木材易加工，不是利用导热性差，故A不符合题意； B．燃烧木材取暖，是利用木材具有可燃性，燃烧木材放出热量的特点，不是利用导热性差，故B不符合题意； C．锅铲在使用过程中，因为金属部分的锅铲头部要接触高温的锅，金属部分的锅铲头部变热，木材的导热性差，能够阻止大部分的热量传递到手上，避免手被烫伤，主要利用了木材的导热性差的特点，故C符合题意； D．用木材制作龙舟，因为木材的密度小并且木材容易加工的特点，不是利用导热性差，故D不符合题意。 故选C。 2．在AI时代，大数据中心的计算机主机在处理海量数据时会产生大量电热，将主机直接浸泡在氟化液中，可有效冷却且能使电路元件长期稳定工作。由此可知，氟化液除具有良好的导热性外，还应具有良好的（    ） A．导电性 B．弹性 C．绝缘性 D．磁性 【答案】C 【详解】计算机主板、芯片、导线等都带有电压和电流，如果冷却液是导体（如水），就会形成意外通路，导致短路，电流过大，从而导致元件烧毁，或者漏电的安全隐患，容易造成数据错误或系统崩溃。所以，冷却液除了要具有良好的导热性外，还必须得是优良的绝缘体，防止电气故障，故ABD不符合题意，C符合题意。 故选 C。 3．研究物质的物理属性，就是为了更好地利用物质。下列实例与所利用的物质的物理属性不相符的是（　　） A．划玻璃刀的刃用金刚石做———因为金刚石的硬度大 B．电线的线芯用铜或铝做———因为铜或铝的导电性能好 C．弹簧测力计的弹簧用钢丝做———因为钢的弹性好 D．水壶的把手用胶木做——因为胶木的导热性好 【答案】D 【详解】A．金刚石是自然界中硬度最大的物质之一，划玻璃刀的刃需要高硬度材料，故A不符合题意； B．铜或铝的导电能力强，用它们做导线是利用了导电性能好，故B不符合题意； C．弹簧测力计要求材料在弹性限度内能恢复原状，钢的弹性好，因此弹簧测力计的弹簧用钢丝做，故C不符合题意； D．水壶把手需要隔热，因为胶木的导热性差，所以常用来做水壶的把手，故D符合题意。 故选D。 4．奥运会火炬，如图所示，它的外壳，由碳纤维复合材料制成，火炬采用氢作燃料，燃烧时温度能达到800℃，但外壳温度却不高.关于这种碳纤维复合材料的物理性质，下列说法正确的是（   ） A．密度大 B．硬度小 C．熔点低 D．导热性差 【答案】D 【详解】A．奥运会火炬的外壳，由碳纤维复合材料制成，可单手举起，可得，碳纤维复合材料的密度密度较小，故A错误； B．碳纤维复合材料具有高强度的特点，说明碳纤维复合材料的硬度大，故B错误； CD．火炬采用氢作燃料，燃烧时温度能达到800℃，但外壳温度却不高，说明碳纤维复合材料熔点高，且导热性差，故C错误，D正确。 故选D。 5．2025年3月4日消息，价值26亿的国产EUV光刻机在上海正式投产，中国光刻机技术在被封锁后又取得了重大突破，光刻机的主要用途是制造芯片。制造芯片的主要材料是（　　） A．半导体材料 B．超导材料 C．磁性材料 D．绝缘材料 【答案】A 【详解】半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，具有一些特殊的电学性质，常用来制造二极管等电学元件，制造芯片的主要材料是半导体，故A符合题意，BCD不符合题意。 故选A。 6．金属橡胶是经特定制备工艺成形的特种结构材料，内部是通过金属丝缠绕、编织形成类似橡胶高分子结构的多孔网状结构，常用于航天器减振器、核电设备抗震支架等。此处的“减振”、“抗震”说明金属橡胶具有（　　） A．弹性 B．磁性 C．导热性 D．导电性 【答案】A 【详解】A．弹性是指物体在外力作用下发生形变，当外力去除后能恢复原来形状的性质。具有弹性的材料在受到振动或冲击时，会发生弹性形变，将振动或冲击的能量转化为弹性势能储存起来，然后再缓慢释放，从而起到减振和抗震的作用。金属橡胶内部的多孔网状结构使其具有良好的弹性，符合“减振”“抗震”的要求，故A符合题意； B．磁性是指物体能够吸引铁、钴、镍等物质的性质。磁性与材料吸收和缓冲振动或冲击能量的能力无关，故B不符合题意； C．导热性是指材料传导热量的能力。导热性主要影响材料的热传递性能，与“减振”“抗震”没有直接关系，故C不符合题意； D．导电性是指材料传导电流的能力。导电性与材料对振动和冲击的响应能力没有关联，故D不符合题意。 故选A。 7．2025年4月24日，搭载“神舟二十号”载人飞船的“长征二号F遥二十”运载火箭发射升空。载人飞船与中国空间站成功对接后，两个航天员乘组在“天宫”会师。下列说法正确的是（　　） A．火箭升空过程中，以载人飞船为参照物，航天员是静止的 B．火箭箭体使用了密度大、熔点低的新材料 C．航天员携带的物品进入“天宫”后质量变小 D．中国空间站绕地球飞行过程中运动状态不变 【答案】A 【详解】A．在火箭升空过程中，以载人飞船为参照物，航天员的位置没有发生改变，是静止的，故A正确； B．火箭箭体应使用密度较小的材料，同时火箭在飞行过程中，不断与空气摩擦，产生大量的热，应使用熔点较高的材料，故B错误； C．质量是物体本身的一种性质，与位置、形状和状态的变化无关，所以航天员携带的物品进入“天宫”后，质量不变，故C错误； D．中国空间站绕地球飞行过程中飞行速度和方向不断发生变化，所以中国空间站的运动状态不断改变，故D错误。 故选A。 8．纳米陶瓷作为高科技材料应用广泛，它具有耐磨、耐腐蚀、耐高温、防浸透、完全无磁性等特点。下列技术不能应用纳米陶瓷的是（　　） A．菜刀 B．“嫦娥六号”外表涂层 C．公交IC卡 D．装浓硫酸的容器 【答案】C 【详解】A．菜刀需要耐磨耐腐蚀等特点，可以利用纳米陶瓷制作，故A不符合题意； B．“嫦娥六号”外表涂层，需要物质具有耐高温、耐磨等特点，可以使用纳米陶瓷制作，故B不符合题意； C．公交IC卡芯片，需要具有磁性的材料制作，而纳米陶瓷完全无磁性，不可以使用纳米陶瓷制作。故C符合题意； D．装浓硫酸的容器，需要具有耐腐蚀的特征，故D符合题意。 故选 C。 二、填空题 9．汽车轮胎是橡胶制的，因为橡胶的 好；轮胎的表面制成凹凸花纹，其作用是通过增大 的方法来增大摩擦；在机器的轴承中加入润滑油的目的是 摩擦（选填“增大”或“减小”）。 【答案】 弹性/耐磨性 接触面的粗糙程度 减小 【详解】[1]汽车轮胎由于使用条件，要求制作材料具有高强度、高弹性、耐磨性、抗疲劳等特性，橡胶的弹性、耐磨性符合制作汽车轮胎的要求。 [2]增大摩擦的方法包括增大压力、增大接触面的粗糙程度。轮胎的表面制成凹凸花纹，比光滑表面更加粗糙，因而是通过增大接触面的粗糙程度来增大有用摩擦。 [3]减小摩擦的方法包括减小压力、减小接触面的粗糙程度、使接触面分离、变滑动为滚动等。在机器的轴承中加入润滑油，是在接触的两个表面之间形成一层油膜，使接触面分离，故其目的是减小摩擦。 10．如图所示是国内某汽车公司研制的电动飞行汽车。汽车外壳采用碳纤维材料打造，这是因为碳纤维具有 大和密度小的物理属性，能确保车身的坚固性和轻量化；飞行汽车的外观为流线型，可以减小汽车高速飞行时受到的阻力，还能使汽车获得空气的 力。 【答案】 强度 升 【解析】【小题1】[1]汽车外壳用碳纤维材料，是因为碳纤维强度大（或“硬度大”）且密度小，这样既坚固又轻。 [2]流线型外观可以减小空气阻力，同时还能使汽车获得空气的升力（飞行时需要向上的升力）。 11．某款国产手机电池容量为5000mA·h，额定电压为3.8V，支持50W无线超级快充，极大方便了人们的使用。该手机芯片的主要材料是 材料：电池充满电后可储存的电能为 J。 【答案】 半导体 【详解】[1]手机芯片所用的主要材料是硅，硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，属于半导体材料。 [2]手机电池一次充满电可储存的电能 12．两个水果组成的电池与发光二极管串联接入如图所示电路，此时二极管发光。若将二极管两极的接线对调，二极管不发光，则此时水果电池的正、负极之间 （选填“有”或“没有”）电压。制作发光二极管的材料是锗和硅，它们属于 材料。 【答案】 有 半导体 【详解】[1]由于二极管具有单向导电性，所以将二极管正负极接线对调，它的正负极接反了，二极管不发光，此时水果电池的正负极之间仍然有电压。 [2]二极管主要由锗和硅等材料构成，锗和硅的导电特性介于导体与绝缘体之间，属于半导体材料。 板 书 设 计 材料分类 天然材料：木材、棉花、陶土 人造材料：塑料、合金 材料发展史 石器时代：木石骨器 青铜时代：铜+锡→青铜 铁器时代：钢铁材料 导电材料 导体：铜铝导线 绝缘体：橡胶隔离 半导体：硅锗→二极管（单向导电）、三极管（放大信号） 新型材料 超导材料：零电阻（输电）、磁浮（交通） 纳米材料：1-100nm，特殊力热电性能 课 堂 小 结 作业布置 1. 完成课后作业：“实践与练习” 2. 配套同步分层作业 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 $