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-2025-2026学年九年级化学下册同步教学设计（人教版2024）

九年级化学下册教案 课题 第十一单元 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 第1课时 总第1课时 设计者 参研人 授课时间 月 日第 节 素养目标 化学观念 认识航天领域中新型材料（钛合金、陶瓷复合材料、碳纤维等）的性质与应用，理解能量转化（太阳能、氢能、核能）的化学原理，建立“物质性质—材料应用—能量转化”的化学观念。 科学思维 能从组成、结构、性质、用途等视角分析航天材料的选择依据；通过对比不同能源的转化效率与环境影响，培养系统思维与决策能力。 科学探究与实践 通过调查航天材料与能源应用、模拟实验探究（材料性能测试、氢燃料电池模型制作），提升信息获取、实验操作和跨学科实践能力。 科学态度与责任 了解我国航天科技成就，增强民族自豪感；认识化学在航天科技中的重要作用，树立科技报国、绿色发展的责任感。 教学重难点 重点：航天新型材料（钛合金、碳纤维复合材料、陶瓷复合材料）的特性及其应用。航天新型能源（太阳能电池、氢燃料电池、核电池）的能量转化原理。 难点：从跨学科视角（化学、物理、材料、工程）综合分析材料选择与能源应用的依据。跨学科实践活动的设计与实施（实验探究、模型制作）。 教学准备 多媒体课件（含航天器图片、材料特性对比表、能源转化示意图） 视频资料：我国航天成就（嫦娥探月、天宫空间站、神舟飞船发射） 实物或图片：钛合金样品、碳纤维制品、太阳能电池板模型 实验材料（可选）：不同材料样品（金属、塑料、陶瓷）、酒精灯、导热性测试仪 氢燃料电池简易模型（演示用） 小组活动任务单、评价量表 教学板块 教与学活动 二次备课 导入新课 任务一：航天新型材料调查 任务二：航天新型能源探究 任务三：跨学科实践活动设计 课堂练习与小结 播放“神舟十九号发射成功”短视频，提问：航天器在太空中要承受极高温、极低温、强辐射等极端环境，是什么材料和能源保障了航天器的正常运行？引出跨学科实践活动主题。 1. 学生回顾常见材料分类（金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料、功能材料）。 2. 教师讲解钛合金的特性（密度小、强度高、耐腐蚀）及其在火箭整流罩、卫星支架、发动机叶片等部件的应用。 3. 介绍陶瓷复合材料的耐高温性能及其在发动机热端部件（燃烧室、喷管）的应用。 4. 介绍碳纤维复合材料的轻质高强特性及其在火箭整流罩、探测器结构件中的应用。 5. 分析选择题（判断关于复合材料的说法）。 嫦娥六号实现世界首次月球背面采样，于2024年6月25日返回。嫦娥六号使用了大量复合材料。下列关于复合材料的说法中不正确的是（ A ） A.不锈钢是常见的复合材料 B.可将几种材料复合起来形成复合材料 C.复合材料集中了组成材料的优点 D.棉、麻不属于复合材料 1. 回顾传统能源（煤、石油、天然气）的利用方式及环境问题。 2. 讲解太阳能电池的能量转化原理（光能→电能）及其在空间站、探测器中的应用。 3. 讲解氢燃料电池的能量转化机制（化学能→电能，产物为水），分析其清洁高效的特点及技术挑战（氢气储存）。 4. 介绍核电池在深空探测（如木星探测）中的应用，解决远距离、长时间能源供应问题。 5. 分析选择题（判断关于推进剂的说法）。 2023年6月4日，神舟十五号载人飞船的返回舱经过大气层时，经受住了一千多度的高温考验，最终成功返回地面。下列说法错误的是（ D ） A.太阳翼可将太阳能转化为电能 B.飞船大量使用密度较小的合金材料，能减轻船体质量 C.返回舱表面所用的材料具有熔点高、强度大等特点 D.天线材料采用了钛镍合金，它属于合成材料 1. 知识建构 航天材料博物馆：分组查阅资料，制作航天材料介绍卡片。 航天能源科普讲座：各组分享一种航天能源的原理与应用。 跨学科知识讨论：从化学、物理、工程角度分析材料与能源的选择依据。 2. 实践探究 材料性能模拟实验：在模拟环境（高温、低温）下测试不同材料的性能变化。 氢燃料电池模型制作：搭建简易模型，观察氢气与氧气反应产生电能的现象。 成果汇报：各小组展示实践活动成果，分享学习体会。 1. 完成课堂练习题（神舟十九号推进剂）。 北京时间2024年10月30日4时27分，神舟十九号载人飞船乘夜色飞向浩瀚太空，发射取得圆满成功。神舟十九号航天员乘组顺利入驻“天宫”与神舟十八号航天员乘组会师。液氢、液氧可用作神舟飞船运载火箭的推进剂，下列说法不正确的是（ B ） A.火箭升空是化学能转化为内能并最终转化为机械能的结果 B.用液氧来做推进剂是利用了液态氧的可燃性 C.液氢是高能清洁燃料，其本身无毒，燃烧产物是水，热值很大 D.运载火箭的铝合金外壳具有密度小、耐腐蚀、强度高的特性 2. 小组讨论：我国航天科技发展中，化学学科做出了哪些贡献？ 3. 师生共同总结本节课知识框架（见板书设计）。 可展示“嫦娥六号月背采样返回”新闻图片，激发学生对航天科技的兴趣，引出材料与能源的重要性。 增加“材料选择挑战”活动：给出航天器不同部件的工作环境要求，让学生分组讨论应选择哪种材料并说明理由。 可展示钛合金、碳纤维实物样品，让学生直观感受“轻”与“强”。 可播放“氢燃料电池工作原理”动画，帮助学生理解电化学反应过程。 增加“能源对比表”活动：学生分组对比太阳能、氢能、核能的优缺点及适用场景。 可根据学校条件调整实验内容：无条件进行氢燃料电池实验时，可用视频演示替代。 增加“航天材料与能源海报展”活动，优秀作品可张贴在班级文化墙。 增加“我为航天点赞”环节：学生用一句话表达对我国航天成就的感受，增强民族自豪感。 可布置课后拓展：查阅资料，了解我国空间站还有哪些新型材料与能源技术。 板书设计 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 一、航天新型材料 钛合金：密度小、强度高、耐腐蚀 → 火箭结构件、发动机叶片 陶瓷复合材料：耐高温 → 燃烧室、喷管 碳纤维复合材料：轻质高强 → 整流罩、探测器结构 二、航天新型能源 太阳能电池：光能→电能 → 空间站、探测器 氢燃料电池：化学能→电能，产物H₂O → 清洁高效 核电池：核能→电能 → 深空探测 三、跨学科融合 化学（材料合成、能量转化）+ 物理（力学、热学）+ 工程（设计、制造） 教学反思 学生对航天科技兴趣浓厚，尤其是钛合金、碳纤维等“黑科技”材料，参与度高。 跨学科实践活动设计较为丰富，可根据学校条件灵活调整实验内容，确保可行性。 分层作业 一、基础巩固题（全员必做） 1.列材料中，被称为“航天材料明星”，具有密度小、强度高、耐腐蚀特点的是（ ） A. 不锈钢 B. 钛合金 C. 铝合金 D. 铜合金 2.氢燃料电池在航天器中作为辅助动力源，其能量转化方式是（ ） A. 化学能→热能 B. 热能→电能 C. 化学能→电能 D. 电能→化学能 3.下列能源中，最适合用于深空探测（如木星探测）长时间任务的是（ ） A. 太阳能电池 B. 氢燃料电池 C. 核电池 D. 风能 4.碳纤维复合材料在航天器中广泛应用，其主要优点是（ ） A. 密度大、强度低 B. 密度小、强度高 C. 耐腐蚀性差 D. 易加工 5.下列有关复合材料的说法，正确的是（ ） A. 不锈钢是常见的复合材料 B. 复合材料集中了组成材料的优点 C. 棉、麻属于复合材料 D. 复合材料只能由两种材料复合 二、能力提升题（中等难度） 1.2023年6月4日，神舟十五号返回舱经过大气层时经受住一千多度高温考验。下列说法错误的是（ ） A. 太阳翼可将太阳能转化为电能 B. 飞船大量使用密度较小的合金材料 C. 返回舱表面材料具有熔点高、强度大等特点 D. 钛镍合金属于合成材料 2. 液氢、液氧可用作神舟飞船运载火箭的推进剂。下列说法不正确的是（ ） A. 火箭升空是化学能转化为内能再转化为机械能 B. 液氧具有可燃性 C. 液氢是高能清洁燃料 D. 铝合金外壳具有密度小、耐腐蚀的特性 3.阅读材料，回答问题：“天舟号”货运飞船换装了以LiFePO4作正极材料的新型锂电池。已知LiFePO4中Li为+1价，PO43-为-3价，则其中Fe的化合价为______。 4.“嫦娥号”月球登陆器表面覆盖了由聚酰亚胺和铝箔构成的多层保温材料。 （1）聚酰亚胺属于______材料，其中一定含有的元素是______（填元素符号）。 （2）铝块可以制成铝箔是利用了铝的______（填“导电”或“延展”）性。 5.从“材料性能”和“能源效率”两个角度，说明为什么航天器选择钛合金和氢燃料电池。 三、拓展探究题（拔高选做） 1.航天材料调研报告：查阅资料，选择一种航天新型材料（如碳纤维、陶瓷复合材料、气凝胶等），撰写一份300字左右的调研报告，内容包括：材料组成、主要特性、航天应用实例、优点与局限。 2.氢燃料电池探究：查阅资料，绘制氢燃料电池工作原理示意图，并用文字说明氢气和氧气是如何通过电化学反应产生电能的（写出电极反应式）。 3.跨学科设计方案：假设你是一名航天工程师，需要为一个月球基地设计能源供应系统。请从太阳能、氢能、核能中选择一种或组合方案，说明你的设计理由（考虑月球环境：昼夜温差大、无大气层、月夜长达14天）。 4.创意制作：利用废旧材料（如塑料瓶、锡纸、小灯泡等），制作一个“太阳能航天器模型”，并标注所用材料及其模拟的航天功能。 参考答案 一、基础巩固题 1. B 2. C 3. C 4. B 5. B 二、能力提升题 1.D（钛镍合金属于金属材料，不是合成材料） 2.B（液氧具有助燃性，不具有可燃性） 3.+2 4.（1）有机合成；C、H、O、N等 （2）延展 5.材料性能：钛合金密度小、强度高，可减轻航天器重量；能源效率：氢燃料电池能量转化效率高（可达60%以上），产物无污染。 三、拓展探究题（示例要点） 1.碳纤维：由聚丙烯腈碳化制成，强度高、密度低，用于火箭整流罩、卫星结构框架。 2.氢燃料电池：负极H₂ → 2H⁺ + 2e⁻，正极O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O，总反应2H₂ + O₂ → 2H₂O。 3.月球基地能源方案：太阳能+氢燃料电池组合——月昼用太阳能供电并电解水制氢储氢，月夜用氢燃料电池供电。 4.创意制作：根据学生作品实际评价。 学科网（北京）股份有限公司 $