5.5 新材料及其应用（导学案）物理新教材沪粤版八年级上册

该初中物理导学案聚焦纳米材料、半导体材料、超导材料的特性及应用，通过自主预习问题衔接导体与绝缘体等旧知，课堂探究结合实例与实验构建新知，形成从基础概念到实际应用的学习支架。 资料突出科学探究与科学态度，设计二极管单向导电性实验验证、超导输电能源节约分析等探究活动，融入我国纳米机器人、铜氧化物超导材料等科研成果，例题与练习注重联系生活科技，助力学生提升实验设计与资料分析能力，培养科技自信与社会责任。

5.5 新材料及其应用（导学案） 【学习目标】 1. 了解纳米材料、半导体材料、超导材料的核心特性，知道三类新材料是现代科技发展的重要基础。 2. 理解晶体二极管的单向导电性，掌握半导体材料在电子领域的常见应用。 3. 知道超导材料的零电阻特性，了解超导材料的应用前景与我国的科研进展。 4. 通过跨学科实践活动，提升实验设计、资料整理与合作探究能力，认识新材料对社会发展的推动作用。 【学习重点】 1. 纳米材料、半导体材料、超导材料的典型物理特性 2. 三类新材料在生产、生活与科技领域的实际应用 【学习难点】 1. 晶体二极管单向导电性的实验验证与原理理解 2. 超导零电阻特性的物理意义与应用价值分析 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1. 目前广泛研究的典型新材料包括纳米材料、半导体材料和超导材料等，它们具备特殊的物理性能，正在改变人们的生活方式。 2. 当材料的微粒小到纳米尺寸时，材料的性能会发生显著变化；纳米陶瓷可在室温下任意弯曲、碳纳米管强度是钢的上百倍，都属于纳米材料的特殊性质。 3. 导电性能介于导体和绝缘体之间的材料叫做半导体，锗、硅、砷化镓都是常见的这类材料；用它制成的晶体二极管具有单向导电的特性。 4. 某些材料在温度降低到特定值时，电阻会突然接近于零，这种特性称为超导性，具备该特性的材料叫做超导材料。 5. 用超导材料远距离输电，可大大节约能源和材料；我国研制的铜氧化物超导材料零电阻温度已达到 134 K，科研水平处于世界前列。 【课堂探究】 探究一、纳米材料的特性及其应用 1. 纳米材料的概念 纳米是长度单位，。当材料的微粒尺寸达到纳米级别时，其力学、磁学、光学等性能会发生显著改变，这类材料统称为纳米材料。 2. 纳米材料的典型特性 • 力学特性：纳米陶瓷材料可在室温下任意弯曲，碳纳米管的强度是钢的上百倍； • 磁学特性：纳米磁性材料的磁记录密度远高于普通磁性材料； • 光学特性：纳米复合材料对光的反射率低，能吸收电磁波，可用作隐形飞机的涂层； • 扩散特性：气体通过纳米材料的扩散速度，比通过普通材料快几千倍。 3. 生活中的纳米材料 我国传统文房四宝中的墨，本质就是纳米炭材料。桐油或松油不完全燃烧产生的超微粒炭黑，尺寸达到纳米级，对光和电磁波的吸收率高、反射率极低，因此呈现浓黑色。 【讨论交流】 1. 请再列举 2 个纳米材料在生活或科技领域的应用实例。 示例：① 纳米抗菌涂层，应用于餐具、医疗器械表面，可抑制细菌滋生；② 纳米防晒面料，利用纳米材料对紫外线的阻隔作用，提升衣物的防晒能力。 2. 隐形飞机能够避开雷达探测，和纳米材料的哪一项特性直接相关？请简要说明原理。 与纳米复合材料能吸收电磁波、对光和电磁波反射率低的特性直接相关。 原理：雷达依靠发射电磁波，并接收目标反射的回波来探测物体；隐形飞机表面的纳米涂层可以大量吸收雷达发射的电磁波，使反射回雷达的信号极其微弱，因此雷达难以探测到飞机。 【例题1】阅读材料，回答问题。 纳米材料可以制作具有特定性质的新材料，用纳米级金属微粉制成的材料强度和硬度更高，韧性良好，且熔点随粒子直径减小而降低。例如金的熔点为但10 nm金粉熔点降低到金粉熔点降低到，因而烧制温度可以大大降低。 2023年12月，武汉理工大学用磁性纳米粒子研制出可溶栓纳米机器人，通过静脉注射磁性纳米粒子，在磁力作用下形成棒状机器人疏通血管进行溶栓，如图甲所示。这些机器人在完成任务后可自动分解，可避免在血管内聚集和器官损伤。磁性纳米粒子尺寸在之间，结合了纳米材料的特性和磁性。 （1）纳米材料的优点是______（写出一点）。 （2）纳米材料的熔点随着材料细粉直径的减小而______。 （3）某种用于血管清理的纳米机器人，直径仅为20 nm，合______。 （4）溶栓纳米机器人是拆分后从静脉注射入人体，在______作用下形成棒状机器人，进行溶栓。 （5）假设一个磁性纳米粒子的质量为，则一个质量为的纳米机器人由______个磁性纳米粒子组成。 （6）图乙是纳米陶瓷刀、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曲线是______（填字母）。 【答案】（1）韧性好（合理即可）；（2）降低；（3）；（4）磁力；（5）；（6）c 【解析】（1）由材料可知，纳米材料可以制作具有特定性质的新材料，用纳米级金属微粉制成的材料强度和硬度更高，韧性良好，且熔点随粒子直径减小而降低。 （2）由材料可知，纳米材料的熔点随粒子直径减小而降低，例如金的熔点为1064℃，但10nm金粉熔点降低到940℃，5nm金粉熔点降低到830℃，因而烧制温度可以大大降低。 （3）因为，所以20nm=20×10-9m=2×10-8m （4）由材料可知，溶栓纳米机器人通过静脉注射磁性纳米粒子，在磁力作用下形成棒状机器人疏通血管进行溶栓。 （5）一个质量为的纳米机器人所含磁性纳米粒子个数为 （6）纳米级微粉烧制成的陶瓷不但强度高，并且有良好的韧性，纳米级陶瓷刀的硬度很高。合金钢刀、普通菜刀的硬度是比较接近的，所以二者的磨损曲线也会比较类似，由此可知，图中a、b曲线是普通菜刀、合金钢刀的磨损曲线，c是纳米级陶瓷刀的磨损曲线。 探究二、半导体材料的特性及其应用 1. 半导体的定义 有些材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，这类材料称为半导体。硅、锗、砷化镓都是典型的半导体材料。 2. 半导体的核心应用——晶体二极管 晶体二极管由半导体材料制成，具有单向导电性：只允许电流从一个方向通过，不允许电流反向通过，是电子电路中最基础的元器件之一。 3. 半导体材料的广泛应用 半导体是现代电子信息产业的核心基础，小到电子表、LED 灯、数码相机，大到计算机、汽车、飞机、工业机床，都离不开各类半导体元器件。 【讨论交流】 1. 现有电池、小灯泡、开关、导线和一个晶体二极管，请设计实验验证二极管的单向导电性，写出简要的操作步骤与判断方法。 实验操作步骤： ① 将晶体二极管正向接入电路（长引脚接电源正极一侧），依次连接电池、开关、小灯泡、二极管，组成闭合回路；闭合开关，观察小灯泡是否发光。 ② 断开开关，将晶体二极管的正负极反向接入电路（短引脚接电源正极一侧），闭合开关，再次观察小灯泡是否发光。 判断方法：若正向接入时小灯泡发光，反向接入时小灯泡不发光，即可证明晶体二极管具有单向导电性。 2. 家庭常用的 LED 灯（发光二极管）以半导体材料为核心，相比传统白炽灯，它有哪些显著优势？ 相比传统白炽灯，LED 灯的显著优势有： ① 发光效率高，电能转化为光能的比例大，相同亮度下耗电量更低，更加节能； ② 使用寿命远长于白炽灯，耐用性更强； ③ 工作时发热量低，安全性能更好； ④ 体积小巧，可适配更多照明场景。 【例题2】光刻机是制造手机、电脑芯片的核心设备，被誉为“芯片之母”。芯片的主要制作材料——硅是一种重要的______材料（选填“导体”、“半导体”或“超导体”）。在光刻过程中，光源发出的光在真空中的传播速度约为______m/s。 【答案】 半导体 【解析】硅的导电性能处于导体与绝缘体之间，这类材料属于半导体，是制作芯片的核心材料。 光在真空中的传播速度约为。 探究三、超导材料的特性及其应用 1. 超导现象的发现 1911 年，荷兰物理学家昂内斯发现：当温度降至 4.2 K（约 - 269 ℃）时，汞的电阻会突然接近于零，电流几乎可以无阻碍地通行。材料的这种零电阻特性称为超导性，具有超导性的材料称为超导材料。 2. 超导研究的进展 • 常规超导材料需要极低的温度才能进入超导状态，目前全球科研人员都在向 “常温超导” 方向攻关； • 我国超导研究处于世界先进水平：铜氧化物超导材料的零电阻温度达 134 K，铁基超导体临界温度率先突破 40 K。 3. 超导材料的应用前景 • 电力传输：利用零电阻特性消除输电损耗，大幅节约能源与线路材料； • 医疗设备：用于核磁共振设备，制造高强度、低能耗的磁场； • 交通领域：应用于磁悬浮列车，实现高速、低噪、低损耗的运行。 【讨论交流】 1. 如果未来实现了常温常压下的超导技术，会给我们的日常生活和工业生产带来哪些改变？ 若实现常温常压超导技术，将带来多领域的变革： ① 电力传输：远距离输电不再有电阻发热带来的电能损耗，可大幅节约能源，同时无需高压输电，降低输电成本与安全风险； ② 交通领域：磁悬浮列车可大规模普及，实现高速、低噪音、低能耗的轨道交通； ③ 电子产业：电子芯片与设备无需设计复杂的散热结构，性能可进一步提升，设备体积更小、功耗更低； ④ 医疗领域：核磁共振等依靠强磁场的设备成本大幅降低，成像精度更高，普及度显著提升。 2. 请结合电能损耗的相关知识，解释为什么超导材料用于远距离输电可以大大节约能源。 普通输电线具有电阻，根据焦耳定律，电流通过导线时会产生大量热量，造成电能损耗，且输电距离越远，损耗越大。 超导材料的电阻接近于零，电流通过时几乎不产生热量，输电过程中的电能损耗可以忽略不计，因此用于远距离输电时能够大大节约能源，同时也能节省输电线路的材料成本。 【例题3】阅读下面的短文并回答问题。 超导现象 金属的电阻随温度的升高而增大，当金属的温度降低时，它的电阻减小。1911年，荷兰物理学家昂内斯在测定水银在低温下的电阻值时发现，当温度降到-269℃左右时，水银的电阻变为零，这种现象叫超导现象。并不是所有物体都会发生超导现象，而能够发生超导现象的物质，也需要极低的温度才能使其电阻转变为零，物质电阻变为零的温度称为超导转变温度，以下是几种材料的超导转变温度：我国于1989年已成功发现超导转变温度为-141℃的超导体材料，并且第一代材料已经研究成熟，第二代材料由于其成本低更适用于产业化运作而被市场看好，超导产品品类也逐渐增加，现已进行产业化运作的有超导电缆、超导限流器、超导滤波器、超导储能等，虽然我国整体超导研发水平与国际尚有一定的差距，但部分领域已经处于国际先进水平，目前，各国科学家还在继续研究超导转变温度更高的超导体材料，以将超导应用到日常生产和生活中去。 物质 铝 铅 锡 水银 钨 超导转变温度/℃ -271.6 -265.97 -269.43 -268.99 -273.14 （1）根据文中的描述，金属的电阻随温度的降低而减小，许多金属具有在低温条件下失去电阻的特性，这种现象称为_____________，达到该现象的温度称为_______； （2）当温度为-267℃时可以使__________ 变为超导体（选填上表中的一种材料）； （3）通过文中的描述，超导的转变温度越__________（选填“高”或“低”），越 容易应用到日常生产生活中去。 【答案】（1）超导现象 超导转变温度；（2）铅；（3）高 【解析】（1）[1][2] 材料中描述低温下电阻为零的现象称为超导现象，发生该现象的温度定义为超导转变温度。 （2）比较-267℃与表格中各材料的超导转变温度，-267℃低于铅的转变温度（-265.97℃），因此铅可成为超导体。 （3）材料指出科学家致力于研究更高转变温度的超导体以促进实际应用，故转变温度越高越易应用于生产生活。 【归纳整理】 5.5 新材料及其应用 【课堂练习】 1．下列有关纳米材料的说法，不正确的是（　　） A．纳米材料不属于新材料 B．洗衣机桶的表面涂上纳米材料可以抑制细菌的生长 C．纳米防水材料在充满水蒸气的浴室里依然光亮 D．纳米机器人“医生”能进入人体杀死癌细胞 【答案】A 【解析】A．纳米材料属于新材料，故A错误，符合题意； B．纳米材料可以抑制细菌的生长，所以洗衣机桶的表面可以涂上纳米材料，比如纳米抗菌奶瓶，故B正确，不符合题意； C．纳米材料具有不沾水性，所以纳米防水材料在充满水蒸气的浴室里依然光亮，故C正确，不符合题意； D．纳米技术能造出纳米机器人“医生”，该种类机器人体积甚小，能进入人体杀死癌细胞，故D正确，不符合题意。 故选A。 2．超导材料具有零电阻、抗磁性等特殊的物理性质，应用领域非常广泛。近年来，我国积极推进常温超导及其应用领域的研究。常温下的超导体，最适合运用于（　　） A．制作电热毯的电阻丝 B．制作白炽灯泡的灯丝 C．制作电炉的电阻丝 D．远距离输电 【答案】D 【解析】ABC．常温下的超导体，是指在常温下阻值为0，而电热毯的电阻丝、白炽灯泡的灯丝、电炉的电阻丝都是利用焦耳定律工作的，都需要电阻不为0，故A、B、C不符合题意； D．常温下的超导体阻值为0，用来远距离输电，可以减少电能的损失，故D符合题意。 故选D。 3．智能手机触摸屏的核心元件是压敏电阻，这种元件的材料是（　　） A．半导体 B．超导体 C．导体 D．绝缘体 【答案】A 【解析】压敏电阻是一种电阻值随施加压力而变化的电子元件。在智能手机电阻式触摸屏中，压敏电阻是核心元件，用于检测触摸位置，其材料通常为半导体。超导体在极低温度下电阻为零，但不随压力变化，且不适合常温设备。导体电阻很小但基本不随压力变化，无法实现传感功能。绝缘体电阻很大且不随压力变化，不能用于传感。故A符合题意，BCD不符合题意。 故选 A。 4．利用飞秒激光制备无涂层超疏水金属材料是中国科学院长春光机所杨建军团队的一项重要研究成果。超疏水金属材料具有疏水性能优异、化学稳定性强、防腐性能突出等特点，优异的疏水性使液体或其他液体材料对其附着性大大降低，稳定的化学性质和防腐性能可使其在高盐高碱等环境中长时间正常使用。下列场景中不宜使用该材料的是（　　） A．海洋工程设备 B．潜艇外壳 C．化工设备 D．需要印刷的金属板材 【答案】D 【解析】A．海洋工程设备长期处于海水环境，海水具有腐蚀性且湿度大，超疏水金属材料化学稳定性强、防腐性能突出，适合在此场景使用，故A不符合题意； B．潜艇外壳在海水中运行，面临海水腐蚀和附着生物等问题，超疏水金属材料的疏水和防腐特性可有效保护潜艇外壳，适合使用，故B不符合题意； C．化工设备常接触各种化学物质，高盐高碱等环境腐蚀性强，超疏水金属材料稳定的化学性质和防腐性能可使其在该场景长时间正常使用，故C不符合题意； D．需要印刷的金属板材，印刷过程需要油墨附着在板材上，而超疏水金属材料优异的疏水性使液体对其附着性大大降低，不利于油墨附着，所以不宜使用该材料，故D符合题意。 故选D。 5．新材料广泛应用于社会的各个领域，关于新材料的应用，下列说法中错误的是（　　） A．纳米陶瓷硬度高、耐高温、具有一定的韧性，可以制造发动机缸体 B．超导材料用于制作电饭锅的发热体，可提高发热效率 C．硅光电池能够把太阳能直接转化为电能，使用过程中几乎没有污染 D．使用记忆合金弹簧制作的淋浴恒温阀门，实现了智能调节水温 【答案】B 【解析】A．现在用纳米陶瓷粉制成的陶瓷，具有一定的韧性，用它制造发动机的缸体，可以提高发动机的性能，故A正确，不符合题意； B．超导体电阻为零，通电后不会产生热量，不可制作电饭锅的发热体，故B错误，符合题意； C．硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件，不会污染环境，故C正确，不符合题意； D．热水器中有一种性能优良的弹簧，当水温达到80℃时，它可以立即伸长许多，将阀门关闭，及时防止热水烫伤人，制作这种弹簧的材料是形状记忆合金，故D正确，不符合题意。 故选 B。 6．两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，则说明了发光二极管具有______性。制作发光二极管的材料是锗和硅，它们属于______材料。水果电池的A端相当于电源的______（正、负）极。 【答案】 单向导电 半导体 正 【解析】[1]二极管正负极接线对调，二极管不发光，此时电流从二极管的负极流向正极，而电流不导通，说明二极管具有单向导电性。 [2]二极管主要由锗和硅等材料构成，锗和硅的导电性能介于导体与绝缘体之间，属于半导体材料。 [3]图中二极管发光，说明二极管的连接是正确的，电流是从二极管的正极流向负极。此时水果电池是这个电路里的电源，根据电源外部电流是从正极经用电器流向负极可知，金属片A是水果电池的正极，金属片B是水果电池的负极。 7．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。______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 【答案】 5×104 c D 【解析】[1]因 故0.05mm=0.05×106nm=5×104nm [2]由题意可知，纳米材料的强度和硬度较大，分析图中曲线可知，在相同的时间时，c曲线的刀被磨损的程度最小，即其硬度最大，所以它代表的就是纳米陶瓷刀磨损过程。 [3]纳米粒子尺度较小，皮肤直接接触纳米粒子、呼吸、进食含有纳米粒子的食物均可让纳米粒子进入人体。故①②③均正确，故ABC不符合题意，D符合题意。 故选D。 8．2023年8月29日，横空出世的华为新手机mate60向世界展示了中国高科技企业的集体实力。手机、智能家用电器、军事领域等都离不开芯片，芯片核心主要是由________（选填“导体”“半导体”或“绝缘体”）材料制成的；最新芯片技术已采用2纳米制程，纳米是________（选填“长度”“时间”或“质量”）单位；研究发现，铝在-271.76℃以下时，电阻变成了零，这就是________现象。 【答案】 半导体 长度 超导 【解析】[1]芯片核心主要是由半导体材料制成的。 [2]纳米是长度单位。 [3]铝在−271.76℃以下时，电阻变成了零，这就是超导现象，超导体的电阻为0。 9．新材料越来越多地进入我们的学习、工作和生活，并正在改变我们的生活方式，提高我们的生活质量，促进社会的进步和发展。目前，各种新材料层出不穷，这里主要研究纳米材料、半导体材料和超导体材料。 （1）某芯片的制造工艺达到7nm，7nm=________m，“芯片”所用的主要材料是半导体，利用该材料制成的二极管具有________导电性。 （2）5G通信与折叠屏手机领域都运用了石墨烯等纳米材料。石墨烯在室温下传递电子的速度比一般导体都大，说明它的________好；另外，利用石墨烯制作成的电子元件很容易散热，这说明它的导热性________（选填“好”或“不好”）。 （3）我们在超导材料方面的研究也取得了一定的突破。当温度降到一定程度下，铜氧化物超导材料的电阻会突然接近于________，电流几乎通行无阻。该材料可适用于________等领域。 【答案】（1）7×10-9 单向；（2）导电性 好；（3）零（或0） 输电（或远程输电） 【解析】（1）[1]已知，所以。 [2]半导体材料具有单向导电性，所以利用该材料制成的二极管也具有单向导电性。 （2）[1]导电性反映物质传导电流的本领，电子的定向移动形成电流，因此电子传递速度快说明材料的导电性好。 [2]利用石墨烯制作成的电子元件很容易散热，这说明它可以将热很快地传导出去，即导热性能好。 （3）[1][2]当温度降到一定程度下，通过铜氧化物超导材料的电流几乎通行无阻，说明铜氧化物超导材料对电流几乎没有阻碍作用，即铜氧化物超导材料的电阻会突然接近于零（或0）；该材料可适用于输电（或远程输电）等领域，可减小电能的损耗。 10．LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。LED的心脏是一个半导体的晶片，半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体（称为区），另一部分是型半导体（称为区），在区和区之间有一个过渡层，称为结，整个晶片被环氧树脂封装起来，如图1所示。因为组成晶片的P区和区的半导体材料不同，不同的LED灯发光的颜色也不相同。如图2所示，为一条可以发出不同颜色的LED灯带。 20世纪60年代，科技工作者研制成功了LED发光二极管，经过近30年的发展，大家十分熟悉的LED，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。然而照明需用的白色光LED仅在2000年以后才发展起来。LED灯相比于白炽灯和节能灯而言，突出的优势可以概括为：一是节能，白光LED的能耗仅为白炽灯的1/10，为节能灯的；二是LED灯的寿命长，正常情况下LED灯的使用寿命可达到数万个小时。 LED技术进步日新月异，它的发光效率正在取得惊人的突破，价格也在不断的降低。一个白光LED进入家庭的时代正在迅速到来。 请根据上述材料，回答下列问题。 （1）当电流通过半导体晶片的时候，晶片主要以________的形式向外发出能量，LED灯跟普通光源相比，优势为________、________； （2）小明把一个LED灯和零刻度线在表盘中央的电流表串联后连接在电压为的电源两端，观察到电流表有示数且LED灯发光。然后他把电源的正负极互换位置，发现电流表无示数且LED灯不发光，。根据这两次实验的实验现象，可以得出的结论是________。 【答案】 光 节能 寿命 LED灯有单向导电性 【解析】（1）[1]由题意知，半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一部分是N型半导体，在它里面主要是电子．这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P−N结，当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光的形式发出能量，这就是LED灯发光的原理。 [2][3]由题意可知，白光LED的能耗为白炽灯的，为节能灯的，LED灯正常情况下的使用寿命可达到数个万小时，所以LED灯的优势是节能，寿命长。 （2）[4]由题意可知，互换电源的正负极后，LED灯不发光，即LED灯只允许特定方向的电流通过，电流方向改变后，LED灯不发光，所以可以得出结论LED灯有单向导电性。 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 5.5 新材料及其应用（导学案） 【学习目标】 1. 了解纳米材料、半导体材料、超导材料的核心特性，知道三类新材料是现代科技发展的重要基础。 2. 理解晶体二极管的单向导电性，掌握半导体材料在电子领域的常见应用。 3. 知道超导材料的零电阻特性，了解超导材料的应用前景与我国的科研进展。 4. 通过跨学科实践活动，提升实验设计、资料整理与合作探究能力，认识新材料对社会发展的推动作用。 【学习重点】 1. 纳米材料、半导体材料、超导材料的典型物理特性 2. 三类新材料在生产、生活与科技领域的实际应用 【学习难点】 1. 晶体二极管单向导电性的实验验证与原理理解 2. 超导零电阻特性的物理意义与应用价值分析 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1. 目前广泛研究的典型新材料包括____________、____________和____________等，它们具备特殊的物理性能，正在改变人们的生活方式。 2. 当材料的微粒小到______尺寸时，材料的性能会发生显著变化；纳米陶瓷可在室温下任意弯曲、碳纳米管强度是钢的上百倍，都属于______材料的特殊性质。 3. 导电性能介于导体和绝缘体之间的材料叫做______，锗、______、砷化镓都是常见的这类材料；用它制成的晶体二极管具有____________的特性。 4. 某些材料在温度降低到特定值时，电阻会突然接近于零，这种特性称为______，具备该特性的材料叫做____________。 5. 用超导材料远距离输电，可大大节约______和______；我国研制的铜氧化物超导材料零电阻温度已达到 134 K，科研水平处于世界前列。 【课堂探究】 探究一、纳米材料的特性及其应用 1. 纳米材料的概念 纳米是长度单位，。当材料的微粒尺寸达到纳米级别时，其力学、磁学、光学等性能会发生显著改变，这类材料统称为纳米材料。 2. 纳米材料的典型特性 • 力学特性：纳米陶瓷材料可在室温下任意弯曲，碳纳米管的强度是钢的上百倍； • 磁学特性：纳米磁性材料的磁记录密度远高于普通磁性材料； • 光学特性：纳米复合材料对光的反射率低，能吸收电磁波，可用作隐形飞机的涂层； • 扩散特性：气体通过纳米材料的扩散速度，比通过普通材料快几千倍。 3. 生活中的纳米材料 我国传统文房四宝中的墨，本质就是纳米炭材料。桐油或松油不完全燃烧产生的超微粒炭黑，尺寸达到纳米级，对光和电磁波的吸收率高、反射率极低，因此呈现浓黑色。 【讨论交流】 1. 请再列举 2 个纳米材料在生活或科技领域的应用实例。 2. 隐形飞机能够避开雷达探测，和纳米材料的哪一项特性直接相关？请简要说明原理。 【例题1】阅读材料，回答问题。 纳米材料可以制作具有特定性质的新材料，用纳米级金属微粉制成的材料强度和硬度更高，韧性良好，且熔点随粒子直径减小而降低。例如金的熔点为但10 nm金粉熔点降低到金粉熔点降低到，因而烧制温度可以大大降低。 2023年12月，武汉理工大学用磁性纳米粒子研制出可溶栓纳米机器人，通过静脉注射磁性纳米粒子，在磁力作用下形成棒状机器人疏通血管进行溶栓，如图甲所示。这些机器人在完成任务后可自动分解，可避免在血管内聚集和器官损伤。磁性纳米粒子尺寸在之间，结合了纳米材料的特性和磁性。 （1）纳米材料的优点是______（写出一点）。 （2）纳米材料的熔点随着材料细粉直径的减小而______。 （3）某种用于血管清理的纳米机器人，直径仅为20 nm，合______。 （4）溶栓纳米机器人是拆分后从静脉注射入人体，在______作用下形成棒状机器人，进行溶栓。 （5）假设一个磁性纳米粒子的质量为，则一个质量为的纳米机器人由______个磁性纳米粒子组成。 （6）图乙是纳米陶瓷刀、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曲线是______（填字母）。 探究二、半导体材料的特性及其应用 1. 半导体的定义 有些材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，这类材料称为半导体。硅、锗、砷化镓都是典型的半导体材料。 2. 半导体的核心应用——晶体二极管 晶体二极管由半导体材料制成，具有单向导电性：只允许电流从一个方向通过，不允许电流反向通过，是电子电路中最基础的元器件之一。 3. 半导体材料的广泛应用 半导体是现代电子信息产业的核心基础，小到电子表、LED 灯、数码相机，大到计算机、汽车、飞机、工业机床，都离不开各类半导体元器件。 【讨论交流】 1. 现有电池、小灯泡、开关、导线和一个晶体二极管，请设计实验验证二极管的单向导电性，写出简要的操作步骤与判断方法。 2. 家庭常用的 LED 灯（发光二极管）以半导体材料为核心，相比传统白炽灯，它有哪些显著优势？ 【例题2】光刻机是制造手机、电脑芯片的核心设备，被誉为“芯片之母”。芯片的主要制作材料——硅是一种重要的______材料（选填“导体”、“半导体”或“超导体”）。在光刻过程中，光源发出的光在真空中的传播速度约为______m/s。 探究三、超导材料的特性及其应用 1. 超导现象的发现 1911 年，荷兰物理学家昂内斯发现：当温度降至 4.2 K（约 - 269 ℃）时，汞的电阻会突然接近于零，电流几乎可以无阻碍地通行。材料的这种零电阻特性称为超导性，具有超导性的材料称为超导材料。 2. 超导研究的进展 • 常规超导材料需要极低的温度才能进入超导状态，目前全球科研人员都在向 “常温超导” 方向攻关； • 我国超导研究处于世界先进水平：铜氧化物超导材料的零电阻温度达 134 K，铁基超导体临界温度率先突破 40 K。 3. 超导材料的应用前景 • 电力传输：利用零电阻特性消除输电损耗，大幅节约能源与线路材料； • 医疗设备：用于核磁共振设备，制造高强度、低能耗的磁场； • 交通领域：应用于磁悬浮列车，实现高速、低噪、低损耗的运行。 【讨论交流】 1. 如果未来实现了常温常压下的超导技术，会给我们的日常生活和工业生产带来哪些改变？ 2. 请结合电能损耗的相关知识，解释为什么超导材料用于远距离输电可以大大节约能源。 【例题3】阅读下面的短文并回答问题。 超导现象 金属的电阻随温度的升高而增大，当金属的温度降低时，它的电阻减小。1911年，荷兰物理学家昂内斯在测定水银在低温下的电阻值时发现，当温度降到-269℃左右时，水银的电阻变为零，这种现象叫超导现象。并不是所有物体都会发生超导现象，而能够发生超导现象的物质，也需要极低的温度才能使其电阻转变为零，物质电阻变为零的温度称为超导转变温度，以下是几种材料的超导转变温度：我国于1989年已成功发现超导转变温度为-141℃的超导体材料，并且第一代材料已经研究成熟，第二代材料由于其成本低更适用于产业化运作而被市场看好，超导产品品类也逐渐增加，现已进行产业化运作的有超导电缆、超导限流器、超导滤波器、超导储能等，虽然我国整体超导研发水平与国际尚有一定的差距，但部分领域已经处于国际先进水平，目前，各国科学家还在继续研究超导转变温度更高的超导体材料，以将超导应用到日常生产和生活中去。 物质 铝 铅 锡 水银 钨 超导转变温度/℃ -271.6 -265.97 -269.43 -268.99 -273.14 （1）根据文中的描述，金属的电阻随温度的降低而减小，许多金属具有在低温条件下失去电阻的特性，这种现象称为_____________，达到该现象的温度称为_______； （2）当温度为-267℃时可以使__________ 变为超导体（选填上表中的一种材料）； （3）通过文中的描述，超导的转变温度越__________（选填“高”或“低”），越 容易应用到日常生产生活中去。 【归纳整理】 5.5 新材料及其应用 【课堂练习】 1．下列有关纳米材料的说法，不正确的是（　　） A．纳米材料不属于新材料 B．洗衣机桶的表面涂上纳米材料可以抑制细菌的生长 C．纳米防水材料在充满水蒸气的浴室里依然光亮 D．纳米机器人“医生”能进入人体杀死癌细胞 2．超导材料具有零电阻、抗磁性等特殊的物理性质，应用领域非常广泛。近年来，我国积极推进常温超导及其应用领域的研究。常温下的超导体，最适合运用于（　　） A．制作电热毯的电阻丝 B．制作白炽灯泡的灯丝 C．制作电炉的电阻丝 D．远距离输电 3．智能手机触摸屏的核心元件是压敏电阻，这种元件的材料是（　　） A．半导体 B．超导体 C．导体 D．绝缘体 4．利用飞秒激光制备无涂层超疏水金属材料是中国科学院长春光机所杨建军团队的一项重要研究成果。超疏水金属材料具有疏水性能优异、化学稳定性强、防腐性能突出等特点，优异的疏水性使液体或其他液体材料对其附着性大大降低，稳定的化学性质和防腐性能可使其在高盐高碱等环境中长时间正常使用。下列场景中不宜使用该材料的是（　　） A．海洋工程设备 B．潜艇外壳 C．化工设备 D．需要印刷的金属板材 5．新材料广泛应用于社会的各个领域，关于新材料的应用，下列说法中错误的是（　　） A．纳米陶瓷硬度高、耐高温、具有一定的韧性，可以制造发动机缸体 B．超导材料用于制作电饭锅的发热体，可提高发热效率 C．硅光电池能够把太阳能直接转化为电能，使用过程中几乎没有污染 D．使用记忆合金弹簧制作的淋浴恒温阀门，实现了智能调节水温 6．两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，则说明了发光二极管具有______性。制作发光二极管的材料是锗和硅，它们属于______材料。水果电池的A端相当于电源的______（正、负）极。 7．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。______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 8．2023年8月29日，横空出世的华为新手机mate60向世界展示了中国高科技企业的集体实力。手机、智能家用电器、军事领域等都离不开芯片，芯片核心主要是由________（选填“导体”“半导体”或“绝缘体”）材料制成的；最新芯片技术已采用2纳米制程，纳米是________（选填“长度”“时间”或“质量”）单位；研究发现，铝在-271.76℃以下时，电阻变成了零，这就是________现象。 9．新材料越来越多地进入我们的学习、工作和生活，并正在改变我们的生活方式，提高我们的生活质量，促进社会的进步和发展。目前，各种新材料层出不穷，这里主要研究纳米材料、半导体材料和超导体材料。 （1）某芯片的制造工艺达到7nm，7nm=________m，“芯片”所用的主要材料是半导体，利用该材料制成的二极管具有________导电性。 （2）5G通信与折叠屏手机领域都运用了石墨烯等纳米材料。石墨烯在室温下传递电子的速度比一般导体都大，说明它的________好；另外，利用石墨烯制作成的电子元件很容易散热，这说明它的导热性________（选填“好”或“不好”）。 （3）我们在超导材料方面的研究也取得了一定的突破。当温度降到一定程度下，铜氧化物超导材料的电阻会突然接近于________，电流几乎通行无阻。该材料可适用于________等领域。 10．LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。LED的心脏是一个半导体的晶片，半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体（称为区），另一部分是型半导体（称为区），在区和区之间有一个过渡层，称为结，整个晶片被环氧树脂封装起来，如图1所示。因为组成晶片的P区和区的半导体材料不同，不同的LED灯发光的颜色也不相同。如图2所示，为一条可以发出不同颜色的LED灯带。 20世纪60年代，科技工作者研制成功了LED发光二极管，经过近30年的发展，大家十分熟悉的LED，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。然而照明需用的白色光LED仅在2000年以后才发展起来。LED灯相比于白炽灯和节能灯而言，突出的优势可以概括为：一是节能，白光LED的能耗仅为白炽灯的1/10，为节能灯的；二是LED灯的寿命长，正常情况下LED灯的使用寿命可达到数万个小时。 LED技术进步日新月异，它的发光效率正在取得惊人的突破，价格也在不断的降低。一个白光LED进入家庭的时代正在迅速到来。 请根据上述材料，回答下列问题。 （1）当电流通过半导体晶片的时候，晶片主要以________的形式向外发出能量，LED灯跟普通光源相比，优势为________、________； （2）小明把一个LED灯和零刻度线在表盘中央的电流表串联后连接在电压为的电源两端，观察到电流表有示数且LED灯发光。然后他把电源的正负极互换位置，发现电流表无示数且LED灯不发光，。根据这两次实验的实验现象，可以得出的结论是________。 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $