专题10跨学科实践活动导学案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--2026-2027学年九年级化学沪科版（五四学制）全一册

跨学科实践活动导学案 调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用 沪科版（五四学制）· 初中化学 · 九年级全一册 · 专题10 一、四维核心素养 通过调查我国航天科技领域中新型材料与新型能源的应用，初步建立“物质组成与结构决定性质、性质决定用途”的化学观念；运用分类、比较、归纳等科学思维方法分析材料性能与航天需求的匹配关系；经历资料查阅、信息整理、合作交流的科学探究过程，发展解决实际问题的能力；感受我国航天事业取得的辉煌成就，增强科技报国的科学态度与社会责任。 二、学习重难点 重点：了解航天领域中新型材料（如碳纤维复合材料、钛合金、高温合金、隔热材料）和新型能源（如氢能、太阳能电池、燃料电池）的主要性能及其在航天器上的应用。难点：从化学视角分析材料组成、结构、性能与用途之间的内在联系，理解化学科学对航天技术进步的推动作用。 三、课前预习案 （一）选择题 1．我国“长征”系列火箭的外壳采用了多种新型材料，其中一种材料具有密度小、强度高、耐高温、耐腐蚀等优良性能。这种材料最可能是下列哪一种？ A．普通钢铁　　　B．钛合金 C．纯铜　　　　　D．铝合金 2．航天器在返回地球大气层时，表面与空气剧烈摩擦会产生极高温度。为了保护航天员和设备安全，返回舱外层需要使用具有何种性能的材料？ A．导电导热良好的材料　　B．密度越大越好的材料 C．隔热耐高温的材料　　　D．颜色鲜艳的材料 3．下列能源中，属于清洁能源且燃烧产物不会污染环境的是哪一种？ A．煤炭　　B．石油　　C．氢气　　D．天然气 4．“神舟”飞船上使用的太阳能电池帆板，其作用是将下列哪种能量转化为电能？ A．化学能　　B．太阳能　　C．风能　　D．核能 5．碳纤维复合材料被广泛用于火箭和卫星结构件，主要是因为它具有下列哪组突出优点？ A．密度小、强度高、耐腐蚀　　B．价格低廉、随处可见 C．颜色美观、易于染色　　　　D．质地柔软、便于加工 （二）填空题 6．我国空间站“天宫”的航天员在舱内生活和工作，舱内空气需要保持适宜的温度和湿度，同时要防止热量过快散失或传入，因此舱壁材料需要具备良好的________性能。 7．火箭发射时需要巨大的推力，燃料燃烧时释放出大量能量。目前我国大型火箭常用的燃料之一是液氢，助燃剂是液氧。从环境保护角度看，液氢作为燃料的最大优点是________。 8．航天器上使用的记忆合金材料，在特定条件下能够恢复原来的形状。这种特性在航天工程中可以用于制作________（举出一个应用实例即可）。 9．我国“嫦娥”探测器成功实现月球软着陆，月球车在月面上行驶时需要承受剧烈的温差变化。制造月球车外壳的材料必须具备________和________等性能（写出两点即可）。 四、课中探究案 （一）材料分析题 10．阅读下列材料，回答问题。 材料一：长征五号运载火箭被誉为“胖五”，是我国目前运载能力最大的火箭。它的箭体结构大量使用了铝合金和钛合金材料，同时在关键部位采用了碳纤维复合材料。这些材料的使用使火箭在保证结构强度的同时尽可能减轻了自身重量，从而能够携带更多载荷进入太空。 材料二：火箭的发动机喷管在工作时要承受极高的温度和巨大的压力，因此喷管材料必须具备耐高温、抗冲刷、抗疲劳等性能。我国科研人员研制出的高温合金材料，成功解决了这一难题。 （1）长征五号火箭为什么要大量使用铝合金、钛合金和碳纤维复合材料？请从材料性能的角度加以说明。 （2）火箭发动机喷管为什么必须使用高温合金材料？如果使用普通钢铁会出现什么问题？ （3）结合材料，谈谈你对“材料科学的进步推动航天事业发展”这句话的理解。 （二）连线题 11．请将下列航天材料或能源与其对应的主要用途用线连接起来。 ① 碳纤维复合材料　　　a．飞船返回舱外层隔热防护 ② 隔热瓦　　　　　　　b．火箭箭体结构减重 ③ 太阳能电池帆板　　　c．空间站舱内照明与设备供电 ④ 氢氧燃料电池　　　　d．为航天器提供稳定的电能 ⑤ 钛合金　　　　　　　e．火箭发动机喷管耐高温部件 （三）简答题 12．我国载人航天工程中，“天宫”空间站长期在轨道上运行。空间站上需要持续不断地供电。请列举两种空间站上使用的能源方式，并分别说明它们的能量来源和主要优点。 13．航天服是航天员在太空出舱活动时必备的装备。一件舱外航天服的制造涉及多种新型材料。请从化学和材料学角度分析，制造航天服需要综合考虑哪些关键性能？（至少写出三点） 14．“天问一号”火星探测器成功着陆火星，标志着我国星际探测迈上新台阶。火星表面大气稀薄，昼夜温差极大，还存在大量宇宙射线。请你推测，制造火星车车身和车轮的材料需要具备哪些特殊性能？ （四）综合探究题 15．某化学兴趣小组同学围绕“航天科技中的化学”这一主题开展了调查研究。他们收集到以下信息： 信息一：我国新一代载人飞船试验船返回舱采用了全新的防热结构设计，外层使用了新型轻质防热材料，相比以前的返回舱，重量减轻了不少，但防热效果更好。 信息二：卫星上的姿态控制发动机使用一种名为“双组元推进剂”的燃料系统，由燃料和氧化剂两部分组成，二者在接触时能够迅速反应产生推力。 信息三：我国科研团队正在研究利用月球上的资源，为未来月球基地提供支持。月球土壤中含有可以用于提取氧气的物质。 （1）信息一中，新型轻质防热材料相比传统材料有哪些优势？这体现了材料科学的什么发展方向？ （2）结合信息二，说明航天推进剂为什么要把燃料和氧化剂分开储存？如果二者混装在一起会有什么后果？ （3）信息三提到从月球土壤中提取氧气。请你结合所学化学知识，设想一下提取氧气可能利用了哪些物质？这一设想如果实现，对人类长期驻留月球有什么意义？ 16．调查与交流任务：课后通过查阅书籍、浏览权威网站或采访专业人士，了解我国近十年在航天新材料或新能源领域取得的一项代表性成就，整理成一份简明的调查报告，内容包括：成就名称、所使用的材料或能源、主要技术特点、对我国航天事业的意义。下节课在小组内进行交流分享。 五、板书设计 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 1．结构材料：铝合金、钛合金、碳纤维复合材料 —— 轻质、高强、耐腐蚀 2．防热材料：隔热瓦、高温合金 —— 耐高温、隔热、抗冲刷 3．功能材料：记忆合金、纳米材料 —— 特殊功能、智能响应 二、航天新型能源 1．太阳能电池帆板 —— 太阳能转化为电能 2．氢能与氢氧燃料电池 —— 清洁、高效、产物无污染 3．化学电池与核电源 —— 稳定可靠、长寿命 三、化学与航天 材料组成 → 材料性能 → 航天用途 化学进步 → 材料突破 → 航天腾飞 核心观点：化学科学是航天技术进步的重要基石；中国航天成就彰显化学学科价值。 六、参考答案 课前预习案 1．B。钛合金具有密度小、强度高、耐高温、耐腐蚀等优良性能，适合用作火箭外壳材料。普通钢铁密度较大且易腐蚀，纯铜密度大且强度不足，铝合金的耐高温性能不如钛合金。 2．C。返回舱进入大气层时与空气剧烈摩擦产生高温，外层材料必须具备良好的隔热和耐高温性能，才能保护舱内人员和设备。 3．C。氢气燃烧后的产物是水，不会对环境造成污染，是理想的清洁能源。煤炭、石油、天然气燃烧都会产生二氧化碳等温室气体或污染物。 4．B。太阳能电池帆板的作用是吸收太阳光，将太阳能直接转化为电能，为飞船和空间站提供电力。 5．A。碳纤维复合材料最突出的优点是密度小、强度高、耐腐蚀，这些性能使其非常适合制造火箭和卫星的结构件，达到减重增效的目的。 6．隔热保温（或隔热）。空间站舱壁需要防止热量过快散失或传入，保持舱内温度稳定，因此材料必须具备良好的隔热性能。 7．燃烧产物是水，对环境无污染（或清洁环保）。液氢燃烧只生成水，不会产生二氧化碳或其他污染物，是一种清洁能源。 8．航天天线的自动展开（或卫星天线的折叠与展开、管道接头等，合理即可）。记忆合金在特定温度下恢复原状的特性，可以用于制作自动展开结构。 9．耐高温；耐低温（或耐温差变化、抗辐射、强度高等，写出两点合理即可）。月球表面昼夜温差极大，材料必须能承受剧烈的温度变化。 课中探究案 10．（1）火箭发射需要克服巨大的重力，因此在保证结构强度的前提下，箭体越轻越好。铝合金和钛合金密度较小且强度较高，碳纤维复合材料则兼具轻质和高强度的优点，这些材料的使用可以有效减轻火箭自身重量，增加有效载荷。 （2）发动机喷管在工作时处于极高温和高压环境中，普通钢铁在这样的条件下会软化、熔化甚至烧毁，无法承受高温高速气流的冲刷。高温合金材料具有耐高温、抗疲劳、抗冲刷的特殊性能，才能保证发动机正常工作。 （3）材料是航天工程的基础。如果没有轻质高强的合金和复合材料，火箭就无法把足够的载荷送入太空；没有耐高温材料，发动机就无法正常工作。材料科学的每一次突破，都直接推动航天技术迈上一个新台阶，体现了化学与材料科学对国家航天事业的支撑作用。 11．①—b；②—a；③—c；④—d；⑤—e。 12．方式一：太阳能电池帆板。利用太阳光发电，优点是清洁、可再生、在太空环境下可持续提供电力。方式二：化学电池（如锂离子电池或燃料电池）。在阴影期或太阳能不足时供电，优点是储能稳定、供电可靠。（若答核电源，可说明其优点为寿命长、不受光照影响。） 13．航天服需要具备的关键性能包括：①隔热保温，应对太空极端温度变化；②防辐射，阻挡宇宙射线；③气密抗压，维持航天员身体所需的气压环境；④轻便灵活，不影响航天员活动；⑤耐高温和耐低温，适应太空极端环境。（写出任意三点合理即可。） 14．火星车材料需要具备的特殊性能：①耐极端温差，火星昼夜温差极大；②耐辐射，火星大气稀薄，宇宙射线强；③耐磨抗冲击，火星表面地形复杂；④轻质，便于运输和行驶；⑤耐腐蚀，火星大气中含有腐蚀性成分。（写出合理要点即可。） 15．（1）新型轻质防热材料重量更轻但防热效果更好，说明材料科学正向“轻质、高效、多功能”的方向发展，即在更轻的重量下实现更优异的性能。 （2）燃料和氧化剂如果混装在一起，在储存期间就可能发生反应甚至爆炸，非常危险。分开储存可以保证安全，只有在发动机需要工作时才将二者混合并点燃。 （3）月球土壤中含有氧化铁等金属氧化物，理论上可以通过化学方法从金属氧化物中提取氧气。如果这一设想实现，未来月球基地的氧气可以就地取材，不必完全依赖从地球运送，将大大降低长期驻留月球的成本和难度，为人类建立月球基地提供重要保障。（其他合理设想亦可。） 16．本题为开放性实践调查任务，无统一标准答案。评价要点：①是否围绕我国航天新材料或新能源的一项具体成就展开；②是否说明了所用材料或能源的名称和特点；③是否简要说明了其技术先进性和意义；④报告条理清楚、信息来源可靠。 学科网（北京）股份有限公司 $