专题10 跨学科实践活动 调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用 导学案-2025-2026学年九年级化学沪科版（五四学制）全一册

《跨学科实践活动 调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用》导学案 版本 沪科版（五四学制）- 初中化学 – 九年级全一册 化学观念：认知航天新型材料、新能源的物质属性与应用价值，建立物质性质决定用途的核心观念。 科学思维：对比不同航天材料、能源的优劣，归纳其适配航天极端环境的规律。 科学探究：通过资料调研、习题探究、小组研讨，完成航天科技化学应用的实践分析。 科学态度与责任：感悟我国航天科技成就，树立科技自信，培养学以致用、科技报国的责任意识。 二、教学重点与难点 重点：识别航天常用新型材料、新型能源的种类，掌握各类材料和能源的核心性能、适配的航天应用场景，理解化学技术对航天发展的支撑作用。 难点：结合航天特殊环境需求，分析材料、能源的选择依据，跨学科整合知识辨析不同航天材料与能源的适配性，形成科学的工程应用思维。 三、教学内容设计 课前预习 （一）预习目标 1. 初步了解我国航天工程的常见载体，包括运载火箭、空间站、人造卫星、载人飞船等基础设备。 2. 自主认知生活及工业中新型材料、新型能源的基本概念，区分传统材料与新型功能材料、传统能源与清洁能源。 3. 简单知晓航天设备运行的特殊环境，初步感知航天材料、能源需要具备的特殊性能。 4. 收集1-2个我国航天科技中材料或能源应用的简单案例，为课堂探究做好铺垫。 （二）预习基础填空题 1. 航天设备在太空运行会面临高温、低温、强辐射、________、高真空等特殊环境，对材料和能源的性能要求远高于普通民用设备。 2. 新型航天材料需具备的核心特点包括质轻、强度高、________、耐腐蚀、抗辐射、可塑性强等。 3. 航天新型能源区别于传统能源的核心优势是清洁、高效、________、稳定性强，可适配太空长期运行需求。 4. 我国空间站、卫星常用的供能设备是________，是航天领域核心的新型能源应用载体。 5. 火箭外壳、航天器隔热层常用的新型复合材料，主要作用是抵御飞行过程中的________冲击和温度剧变。 （三）预习思考题 1. 为什么普通金属材料无法直接用于航天器外壳制作？结合日常所学材料知识简要说明。 2. 对比化石能源，推测航天新能源需要解决哪些普通能源无法适配的太空应用难题。 3. 结合生活认知，列举两种你听说过的新型材料，并大胆猜测其在航天领域的潜在用途。 教学过程：课中探究案 模块一 基础认知习题（夯实基础，认知航天材料与能源分类） 一、判断正误题 1. 航天新型材料仅需要具备耐高温性能，无需考虑重量因素。 2. 太阳能是我国航天领域应用最广泛的新型清洁能源之一。 3. 航天器内部构件可以直接使用普通塑料、生铁等常规材料。 4. 航天新能源的核心研发方向是提升能量利用率、增强环境适配性。 5. 新型复合材料是多种材料复合而成，可兼顾多种优良性能，适配航天复杂环境。 6. 太空高辐射环境不会对航天材料的结构和性能造成任何影响。 7. 火箭推进剂属于航天新型能源相关应用材料，直接影响火箭运载能力。 8. 空间站储能设备无需考虑长期稳定运行，只需满足短期供能即可。 二、单项选择题 1. 下列不属于航天材料必备性能的是（ ） A. 质轻便携 B. 易锈蚀变质 C. 抗高低温 D. 高强度耐冲击 2. 我国人造卫星、空间站长期在轨运行的主要供能方式是（ ） A. 煤炭供能 B. 石油供能 C. 太阳能转化电能 D. 天然气供能 3. 航天器返回舱外壳需要重点抵御的环境影响是（ ） A. 常温微风 B. 高速摩擦高温 C. 普通潮湿空气 D. 低压常温环境 4. 新型陶瓷材料在航天领域的主要用途是（ ） A. 隔热防护 B. 电路导电 C. 储存燃料 D. 固定设备线缆 5. 相比于传统能源，航天新型能源的突出优势是（ ） A. 取材便捷 B. 运行稳定、清洁高效 C. 成本极低 D. 无需任何防护设备 三、填空题 1. 航天材料分为结构材料和________材料两大类，分别承担设备支撑和环境防护作用。 2. 我国航天火箭常用的新型复合材料，能够同时实现减重和________的双重作用。 3. 太空太阳能供电系统主要通过光电转化，将太阳能转化为________，为航天器设备供能。 4. 抗辐射新型材料主要应用于航天器________部位，保护内部精密仪器不受太空辐射损坏。 5. 航天储能设备的核心作用是储存能量，保障航天器________、阴影区的持续供能。 模块二 情境探究习题（结合航天实景，分析材料与能源应用原理） 情境一：运载火箭材料应用探究 我国长征系列运载火箭是航天工程的核心运载设备，火箭从地面发射至太空，会经历地面常温、高空低温、大气层高速摩擦高温等剧烈温度变化，同时需要承受巨大的飞行冲击力和自身载荷压力。火箭箭体主要采用铝合金新型轻质合金材料，箭体隔热层采用新型耐高温复合涂层材料，发动机喷嘴采用高强度特种陶瓷材料。结合上述航天实景，完成下列探究习题。 1. 分析普通铁质材料不能用于火箭箭体制作的两点核心原因。 2. 说明新型铝合金材料适配火箭箭体的主要性能优势。 3. 火箭隔热涂层材料需要重点克服哪种环境问题？该材料的核心作用是什么？ 4. 特种陶瓷材料用于发动机喷嘴，推测其需要具备的两种核心性能。 情境二：空间站新能源应用探究 天宫空间站长期在轨运行，远离地面能源供给，无法使用传统化石能源。空间站外部搭载大面积太阳能帆板，作为核心供能装置，同时配备高性能储能电池，实现昼夜持续供能。太阳能帆板采用新型柔性光伏材料，质量轻、折叠性强、光电转化效率高，可适配太空长期服役需求。结合空间站能源系统，完成下列习题。 1. 分析空间站不使用化石能源的两个核心原因。 2. 简述新型柔性光伏材料相较于传统光伏材料的航天应用优势。 3. 说明储能电池在空间站能源系统中的不可或缺的作用。 4. 结合太空环境，推测航天光伏材料需要具备抗哪些外界干扰的性能。 模块三 对比辨析习题（区分材料、能源差异，培养科学思维） 一、材料对比分析题 现有普通钢材、普通塑料、航天轻质合金、航天隔热复合材料四种材料，结合材料性能与航天应用场景，完成下列辨析。 1. 对比普通钢材与航天轻质合金，说明航天材料优化改进的核心方向。 2. 分析普通塑料无法用于航天器外部防护的主要原因。 3. 总结航天结构材料与防护材料的性能侧重点差异。 二、能源对比分析题 对比传统化石能源与航天新型清洁能源，从环境适配性、能量效率、环保性、稳定性四个维度完成辨析。 1. 为什么化石能源无法适配太空真空、无氧气的运行环境？ 2. 航天新能源高效性对航天工程发展有哪些推动作用？ 3. 简述航天新能源清洁无污染的特性对太空环境和设备运行的意义。 模块四 实践应用习题（结合所学，解决航天实际应用问题） 一、场景适配应用题 结合航天器不同部位的工作环境与功能需求，匹配对应的新型材料和能源类型，说明适配理由。 1. 航天器精密仪器舱：长期处于太空辐射环境，内部设备精密，易受外界环境干扰，需匹配哪种防护材料？说明理由。 2. 火箭燃料储存舱：需要长期储存推进能源，需耐受压力、不易腐蚀，应选用哪种特性的新型材料？ 3. 深空探测卫星：长期在轨、无地面补给，应搭配哪种新型能源系统？说明优势。 二、方案设计分析题 我国计划开展更远距离的深空探测任务，探测器需要面临极低温、强宇宙辐射、长时间无能源补给的极端环境。请结合本节课所学知识，完成方案分析。 1. 为深空探测器外壳选择适配的新型复合材料，明确材料需具备的核心性能。 2. 为探测器设计配套能源供给方案，说明能源类型和供能、储能的完整思路。 3. 分析该材料和能源方案能够适配深空探测极端环境的核心原因。 参考答案 （一）课前预习案答案 填空题 1. 失重 2. 耐高温（耐低温） 3. 可循环利用 4. 太阳能电池板（光伏组件） 5. 高温 思考题参考答案 1. 普通金属材料重量大、耐高温和抗冲击性能差，易受太空环境腐蚀、变形，无法满足航天轻量化、高稳定性的严苛要求。 2. 太空无氧气、真空无介质，化石能源无法燃烧供能，且传统能源能耗高、污染大、无法长期储存，难以适配太空长期在轨运行需求。 3. 示例：碳纤维材料，可制作航天轻量化构件；新型隔热陶瓷，用于航天器高温防护。 （二）课中探究案答案 模块一 基础认知习题答案 判断正误 1. 错误 2. 正确 3. 错误 4. 正确 5. 正确 6. 错误 7. 正确 8. 错误 单项选择 1. B 2. C 3. B 4. A 5. B 填空 1. 防护 2. 防护隔热 3. 电能 4. 外部精密防护 5. 夜间运行 模块二 情境探究习题答案 情境一 1. 普通铁质材料重量大，增加火箭运载负荷；耐高温、抗冲击性能差，高速飞行中易变形损坏。 2. 质地轻盈，实现箭体减重，降低运载能耗；强度高、韧性好，可承受飞行冲击力，稳定性强。 3. 克服高速飞行与空气摩擦产生的高温问题；隔绝高温，保护箭体内部结构和设备不被高温损坏。 4. 耐高温、高强度、耐磨损、抗高压（答出两点即可）。 情境二 1. 太空无氧气，化石能源无法燃烧；化石能源运输储存难度大、污染大，无法适配太空封闭环境。 2. 质地轻薄，减少空间站载荷；可折叠收纳，节省空间；光电转化效率高，供能稳定，使用寿命长。 3. 储存太阳能转化的电能，保障空间站处于地球阴影区、无光照环境下的持续供能，实现全天稳定供电。 4. 抗宇宙辐射、抗高低温剧变、抗真空环境腐蚀、耐长期老化。 模块三 对比辨析习题答案 材料对比 1. 在保证高强度、高稳定性的基础上，大幅降低材料重量，同时提升耐高温、抗辐射、耐腐蚀等特殊性能，适配航天极端环境。 2. 普通塑料耐高温、抗辐射、抗冲击性能极差，太空高低温、强辐射环境下易老化、变形、破损，无法起到防护和支撑作用。 3. 结构材料侧重轻质、高强度、高韧性，承担设备支撑、载荷承受作用；防护材料侧重耐高温、抗辐射、耐腐蚀、隔热，抵御外界极端环境破坏。 能源对比 1. 化石能源燃烧需要氧气，太空真空环境无氧气支撑燃烧，且化石能源体积大、难储存、能耗高，无法适配太空环境。 2. 提升航天器能量供给效率，减少能源设备体积和重量，延长航天器在轨运行和探测时长，拓展航天探测范围。 3. 无废气、废渣排放，不会污染太空环境，同时避免污染物堆积损坏精密航天设备，保障设备长期稳定运行。 模块四 实践应用习题答案 场景适配应用 1. 抗辐射新型复合材料；可有效阻隔宇宙辐射，保护内部精密电子仪器和设备不受损坏，保障仪器精准运行。 2. 轻质、耐腐蚀、耐高压的新型合金材料；可长期储存推进能源，耐受舱内压力，不易被燃料腐蚀，安全稳定。 3. 太阳能光伏+高性能储能电池系统；太阳能可再生、无需地面补给，储能电池保障无光照时供能，适配卫星长期在轨探测需求。 方案设计分析 1. 选用抗低温、强抗辐射、轻质高强度复合航天材料，可抵御深空极端低温和宇宙辐射，同时减轻探测器载荷。 2. 采用高效太阳能光伏供能搭配大容量长效储能电池，辅以新型节能供电系统；光照阶段光伏储能，无光照阶段电池释能，实现全程持续供能。 3. 材料适配深空极端环境，不易老化破损、性能稳定；新能源无需地面补给，清洁高效、续航能力强，可满足长时间深空探测需求。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $