5.5 新材料及其应用（教学设计）物理新教材沪粤版八年级上册

该初中物理教学设计聚焦纳米材料、半导体材料、超导材料的特性及应用，通过古代材料文明与现代科技对比导入，衔接物质属性知识，构建从宏观到微观、传统到前沿的认知支架。 以核心素养为导向，通过晶体二极管单向导电实验培养科学探究能力，结合“特性—结构—应用”模型发展科学思维，融入我国超导等科研成就渗透科学态度与责任，丰富的实验器材和多媒体素材助力教学，提升学生科技视野与教师教学效率。

5.5 新材料及其应用（教学设计） 年级 八年级 学科 物理 教师 课题 5.5 新材料及其应用 教学 目标 物理观念 1. 了解纳米材料、半导体材料、超导材料的核心物理特性，建立物质微观属性与宏观应用的关联认知； 2. 理解纳米尺度的定义、半导体单向导电性、超导零电阻效应的基本内涵； 3. 熟知三类新材料在生活、工业、科技中的典型应用场景，完善物质属性的认知体系。 科学思维 1. 通过对比分析三类新材料的特性差异，理解 “材料属性决定应用场景” 的内在逻辑； 2. 能结合物理原理解释单向导电、超导零电阻等现象，培养逻辑推理与本质分析能力； 3. 能从特性出发推导材料的应用方向，形成 “特性 — 结构 — 应用” 的科学思维模型。 科学探究 1. 经历晶体二极管单向导电的实验探究过程，掌握控制变量、现象归纳的科学方法； 2. 能设计简单实验验证新材料的特性，提升实验设计与现象分析能力； 3. 通过纳米涂层、超导磁悬浮等跨学科实践活动，经历方案设计、分析论证的完整探究过程。 科学态度 与责任 1. 认识新材料对社会发展的核心推动作用，了解我国在超导、纳米等领域的前沿科研成就，树立科技报国的意识； 2. 激发探索前沿物理科技的兴趣，体会物理原理对技术创新的支撑作用； 3. 树立 “材料创新推动文明进步” 的认知，增强民族自豪感与创新精神。 教材 分析 本节是第五章《质量与密度》的拓展延伸课时，是初中物理中连接物质属性与前沿科技的重要内容。教材以我国古代材料文明与现代新材料发展的对比引入，系统讲解纳米材料、半导体材料、超导材料三类前沿新材料的核心特性、物理原理与典型应用，结合实验探究、生活实例与科技成就，将物质属性的认知从宏观延伸到微观，从传统拓展到前沿。本节课既是对全章物质属性知识的拓展与升华，也是渗透科技教育、创新教育的重要载体，充分体现了 “从物理走向科技、走向社会” 的课程理念，对学生建立科学的物质观、技术观具有重要意义。 学情分析 1. 知识储备：学生已掌握密度、磁性、导电性、导热性等物质的基本物理属性，对芯片、纳米技术、超导磁悬浮等有一定的生活认知，但对材料特性的微观本质、物理原理理解模糊。 2. 思维能力：学生具备初步的实验操作与现象分析能力，但对纳米尺度的概念、超导零电阻的本质理解不深；对材料特性与应用的逻辑关联分析能力不足，需要逐步引导。 3. 学习特点：学生对前沿科技、新材料应用兴趣浓厚，容易被新奇现象吸引，但容易停留在表面认知，对原理的深层理解需要实验与实例的双重支撑；对科技成就的价值认知需要系统引导。 教学重点 1. 纳米材料、半导体材料、超导材料的核心物理特性； 2. 三类新材料在生活、工业、科技中的典型应用； 3. 半导体单向导电性、超导零电阻效应的基本物理原理。 教学难点 1. 深入理解纳米尺度下材料性能突变的物理本质； 2. 辨析超导零电阻与普通导体导电的差异，理解超导现象的条件； 3. 结合物理特性分析新材料的应用前景，建立科技进步与社会发展的深层关联。 教学 器材 分组实验器材：电池、开关、导线、小灯泡、晶体二极管、柠檬（锌片、铜片）； 演示器材：纳米材料特性示意图、二极管实验装置、超导磁悬浮模型、芯片实物； 多媒体素材：新材料科普视频、半导体单向导电动画、超导现象与应用短片、我国超导科研成就介绍 。 教师活动 学生活动 导入新课 【情境引入】展示青铜鼎、百炼钢、陶瓷等古代材料图片，讲解：自古以来，材料就是文明进阶的基石。商周青铜、秦汉钢铁、唐宋陶瓷，每一次材料突破都推动时代向前。 展示现代新材料应用：手机芯片、纳米涂层、超导磁悬浮、隐形战机。 提出问题：这些新材料有什么神奇特性？它们背后遵循怎样的物理原理？ 引入课题：今天我们就一起走进三类前沿新材料，解锁纳米、半导体、超导的奥秘。 感受古代材料文明与现代科技的发展，结合生活经验思考新材料的特性； 对本节课的内容产生探究兴趣，明确学习主题，带着问题进入新课。 学习新课 一、纳米材料的特性及其应用 1．纳米与纳米材料 讲解：纳米是长度单位，，大约是 10 个分子紧密排列的尺度，相当于一根头发丝直径的万分之一。 定义：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，这类材料叫做纳米材料。 举例：正常黄金呈金黄色，而黄金纳米颗粒呈黑色，且熔点显著下降。 2. 纳米材料的核心特性 结合实例讲解四大特性： ① 力学特性：纳米陶瓷可在室温下任意弯曲，韧性大幅提升；碳纳米管强度是钢的上百倍，密度远低于钢材。 ② 磁学特性：纳米磁性材料的磁记录密度远高于普通材料，可实现高密度信息存储。 ③ 光学特性：纳米复合材料对光的反射率极低，能有效吸收电磁波，可作为隐形飞机的吸波涂层。 ④ 扩散特性：气体通过纳米材料的扩散速度比普通材料快几千倍，可用于高效气体分离与催化。 拓展：纳米材料在力、热、声、光、电、磁等方面都表现出特殊性能。 3. 生活与科技应用 讲解： - 古代应用：中国传统墨是天然纳米材料，炭黑微粒达到纳米尺度，墨色浓黑、吸附性强，千年不褪色。 - 生活领域：纳米防水布料、纳米抗菌餐具、防晒化妆品中的纳米二氧化钛。 - 科技领域：碳纳米管复合材料、纳米级芯片制程、隐形战机吸波涂层。 - 医疗领域：纳米药物载体、纳米级高精度诊疗设备。 4. 典例分析 讲解课件例 1，巩固材料属性与应用的对应关系。 理解纳米的尺度概念，知道纳米材料的定义； 通过实例理解纳米材料的核心特性，感受纳米尺度下的性能突变； 了解纳米材料在各领域的应用，体会物理知识的科技价值； 完成典例练习，巩固材料属性的辨析与应用。 学习新课 二、半导体材料的特性及其应用 1. 半导体的概念 讲解：导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，叫做半导体材料。 常见材料：锗、硅、砷化镓等。 2. 实验探究：晶体二极管的单向导电性 介绍实验装置：电池、开关、小灯泡、晶体二极管。 实验步骤： ① 按电路连接元件，闭合开关，观察小灯泡是否发光； ② 对调二极管的两个管脚，再闭合开关，观察小灯泡是否发光。 学生分组实验，教师巡视指导。 实验现象：电流正向接入时，灯泡发光；反向接入时，灯泡不发光。 结论：晶体二极管具有单向导电性，只允许电流单方向通过。 3. 半导体的广泛应用 讲解：半导体是现代电子信息产业的基石，是信息技术发展的 “粮食”。 分领域举例： - 消费电子：手机、电脑、电视机的核心芯片均由半导体制成； - 照明领域：LED 发光二极管利用半导体特性实现高效节能发光； - 工业领域：自动化机床、新能源汽车的电控系统； - 能源领域：太阳能光伏电池利用半导体的光电效应发电。 强调：半导体技术水平是衡量国家经济、科技与国防实力的重要标志。 4. 典例分析 讲解课件例 2，巩固半导体材料的特性与应用。 理解半导体的概念，知道常见的半导体材料； 分组完成二极管单向导电实验，观察现象，得出结论； 理解单向导电性的原理，掌握实验的控制变量思想； 了解半导体在各领域的应用，体会其科技价值与战略意义； 完成典例练习，巩固半导体特性的辨析。 学习新课 三、超导材料的特性及其应用 1. 超导现象与超导材料 讲解：1911 年，荷兰物理学家昂内斯发现，当温度降至 4.2K（约 - 269℃）时，汞的电阻突然接近于零，电流可以几乎毫无阻碍地通过。 定义：材料的这种零电阻特性叫做超导性，具有超导性的材料叫做超导材料。 核心特性：零电阻效应—— 超导状态下材料的电阻几乎为零，电流通过时几乎不产生热量，没有电能损耗。 强调：超导现象需要在极低的温度下才能发生，这个温度叫做临界温度。 2. 我国的超导成就 介绍：我国铜氧化物超导材料零电阻温度达 134K，铁基超导体临界温度突破 40K，处于世界先进水平。 增强民族自豪感与科技自信。 3. 超导材料的应用前景 分领域讲解： ① 输电领域：用超导材料制作输电线，可彻底消除输电过程中的电能损耗，大幅节约能源与线路材料。 ② 医疗领域：超导核磁共振成像设备，产生强且稳定的磁场，实现高精度无创伤检测。 ③ 交通领域：超导磁悬浮列车，速度快、噪音小、能耗低。 ④ 科研领域：粒子加速器、可控核聚变等大科学装置的核心材料。 4. 典例分析 讲解课件例 3，巩固超导材料的特性与应用辨析。 了解超导现象的发现历史，理解超导性与零电阻效应； 知道超导现象的温度条件，区分超导与普通导体的差异； 了解我国的超导科研成就，增强科技自信； 了解超导材料的应用前景，体会物理科技对社会发展的推动作用； 完成典例练习，巩固新材料的特性与应用辨析。 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。 板 书 设 计 5.5 新材料及其应用 一、纳米材料 1．尺度： 2．特性：力学（高强度、高韧性）、磁学（高密度存储）、光学（吸波）、扩散（快） 3．应用：纳米涂层、芯片、隐形战机、医疗 二、半导体材料 1．概念：导电性能介于导体与绝缘体之间 2．特性：晶体二极管具有单向导电性 3．应用：芯片、LED、光伏、电子设备 三、超导材料 1．特性：低温下电阻为零（零电阻效应） 2．发现：1911 年昂内斯，汞的超导现象 3．应用：超导输电、核磁共振、磁悬浮列车、大科学装置 课 堂 小 结 作业布置 1. 基础作业：完成课后同步练习； 2. 实践作业：观察生活中的 3 种新材料应用，分别说明其利用的核心特性； 3. 拓展任务：查阅资料，了解我国在纳米、半导体或超导领域的最新科技成就，撰写一段科普短文。 教学反思 亮点：本节课以古代材料文明与现代科技发展的对比情境引入，兼具人文性与时代性，快速激发学生的探究兴趣与民族自豪感；按照 “纳米材料 — 半导体材料 — 超导材料” 的逻辑层层递进，以二极管单向导电实验为核心，让学生在实验中观察现象、归纳规律，培养了实验探究能力；通过特性讲解、应用拓展、成就介绍相结合的方式，落实了 “特性决定应用” 的核心逻辑；融入科技报国、创新精神的教育，充分体现了物理学科的育人价值。 不足：部分学生对纳米尺度的概念、超导零电阻的本质理解仍不深入，容易停留在表面记忆；实验中部分学生的电路连接不规范，对单向导电性的原理理解不深；对新材料的前沿发展拓展不足，学生的创新思维与科技视野有待进一步开阔。 改进：增加纳米尺度、超导微观原理的动画演示，直观展示微观结构与特性的关系，深化本质理解；实验前增加电路连接示范，明确实验操作要点，实验中加强巡回指导；补充更多我国新材料科技成就的案例，拓展学生的科技视野，激发创新精神与科技报国的意识。 学科网（北京）股份有限公司2/2 学科网（北京）股份有限公司 $