第十一单元 跨学科实践活动10 航天新型材料与新型能源教学设计-2025-2026学年九年级化学人教版下册

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（讲义） 人教版《化学》九年级下册　第十一单元　化学与社会 一、知识清单 我国航天科技成就举世瞩目，长征系列运载火箭、神舟飞船、空间站、深空探测器等宇航产品用途各异。 航天环境极端复杂，材料须耐高温、高压、辐射及高低温交变，材料性质决定其应用领域。 铝合金轻质高强，用于舱体结构；钛合金耐高低温、抗腐蚀，用于发动机等关键部件。 碳纤维复合材料密度小、强度高，用于机翼等部件；陶瓷复合材料耐高温烧蚀，用于返回舱隔热层。 火箭常用液氢、液氧、煤油等推进剂；航天器在轨多依赖太阳能电池、化学电池等能源。 未来材料与能源向轻量化、清洁高效方向发展，如太空金属3D打印、固态电池等。 二、四维核心素养 化学观念：认识化学在航天材料与能源研发中的作用，理解性质决定用途与能量转化规律。 科学思维：通过分析比较，建立性质决定用途的思维模型。 科学探究：通过资料调查与对比分析，掌握处理信息的方法。 科学态度与责任：感受航天成就，增强民族自豪感与社会责任感。 三、重难点 重点：了解铝合金、钛合金、碳纤维等新型材料及液氢、太阳能等新型能源在航天领域的应用，理解材料性质与用途、能源与能量转化的关系。 难点：理解材料性质决定其在特定航天环境中的用途，以及能量的转化与转移原理；能依据实际需求合理选择材料和能源。 四、课堂练习 （一）板块一　我国宇航产品的基本情况 【知识点】 我国航天科技发展迅速，取得了举世瞩目的成就，神舟问天、嫦娥揽月、北斗指路、祝融探火等重大工程相继实施。1970年我国第一颗人造卫星发射成功，拉开了探索宇宙的序幕，此后载人航天、探月探火、空间站建设不断取得突破。我国的主要宇航产品包括长征系列运载火箭、神舟系列载人飞船、人造卫星、深空探测器、中国空间站等。长征系列运载火箭的用途是把各类航天器送入太空，运载能力不断提升；神舟飞船承担载人航天任务；人造卫星用于通信、导航、气象、对地观测等；深空探测器用于探测月球、火星等；空间站供航天员长期在轨驻留并开展科学实验。宇航产品在发射、在轨和再入返回等环节，需要承受高温、高压、强辐射以及剧烈的高低温变化等极端环境。不同宇航产品承担的任务不同，所处的环境不同，因此需要选择不同的材料和能源。 【习题】 1.（选择）下列我国航天工程与其主要任务对应正确的是（　　） A. 长征系列运载火箭——把航天器送入太空 B. 神舟飞船——探测火星表面 C. 天问一号——完成月球采样返回 D. 中国空间站——进行行星际旅行 2.（选择）我国第一艘无人试验飞船是（　　） A. 东方红一号　B. 神舟一号　C. 天舟一号　D. 嫦娥一号 3.（选择）中国首颗人造地球卫星是（　　） A. 东方红一号　B. 神舟五号　C. 北斗一号　D. 天问一号 4.（填空）把各类航天器送入太空的重要运载工具是________。 5.（填空）中国空间站可供航天员长期在轨驻留，其主要功能是________（填写一种即可）。 6.（判断）判断下列说法是否正确：中国空间站已建成并长期运行，可供航天员在轨驻留、开展科学实验。（　　） 7.（简答）结合所学知识，说明宇航产品在太空中可能面临哪些环境挑战，这些挑战对航天材料提出了怎样的要求？ 8.（简答）为什么不同的宇航产品需要选择不同的材料和能源？请举例说明。 （二）板块二　新型材料在航天领域的应用 【知识点】 航天材料的选择必须适应极端复杂的太空环境，材料类型主要包括金属材料、高分子材料、复合材料、陶瓷材料等。金属材料中，铝合金质量轻、强度较高、耐腐蚀性较好，广泛用于舱段框架、蒙皮等基础结构；镁合金密度小、比强度高；钛合金强度高于铝合金、耐高低温且抗腐蚀性能优异，多用于发动机部件、起落架等关键部位。复合材料中，碳纤维复合材料强度高、密度小，用于机翼、太阳能电池板支架等部件，既能减轻重量又能保证结构强度；石墨纤维复合材料用于推进系统等关键部件。高分子材料中，聚酰亚胺热稳定性好、耐化学腐蚀，常用作航天器外部保护涂层；聚氨酯橡胶属于有机合成材料，用于制造舱外航天服等。陶瓷复合材料熔点高、导热性低、强度高，能承受再入大气层时的高温烧蚀，用于返回舱隔热层。此外，合金的性能一般优于组成它的纯金属，通常合金的硬度更大、抗腐蚀性更好，而熔点往往较低。 【习题】 1.（选择）合金通常比组成它的纯金属（　　） A. 密度更大　B. 熔点更高　C. 抗腐蚀性更好　D. 硬度更小 2.（选择）碳纤维复合材料在航天器中广泛应用的突出优点是（　　） A. 强度高、密度小　B. 成本低、易加工　C. 导热性好　D. 延展性好 3.（选择）返回舱再入大气层时要经受高温烧蚀，其隔热层常选用的材料是（　　） A. 陶瓷复合材料　B. 铝合金　C. 纯铜　D. 普通玻璃 4.（选择）下列材料中，属于有机合成材料的是（　　） A. 聚氨酯橡胶　B. 铝合金　C. 陶瓷　D. 碳纤维 5.（填空）钛合金具有强度高、耐高低温、抗腐蚀性能优异等特点，常用来制造航天器的________部件（填写一类即可）。 6.（简答）为什么航天器主体结构常选用铝合金或钛合金，而不直接使用纯铝或纯钛？请结合合金与纯金属的性质差异加以说明。 7.（分析）航天器在太空中会遇到高低温剧烈变化、强辐射等环境，请分析碳纤维复合材料和陶瓷复合材料各适用于航天器的哪些部位，并说明理由。 8.（选择）下列对合金性质的说法正确的是（　　） A. 合金的硬度一般大于组成它的纯金属 B. 合金的熔点一般高于组成它的纯金属 C. 合金的抗腐蚀性一定比纯金属差 D. 合金只是多种金属的简单混合物 9.（填空）返回舱隔热层选用陶瓷复合材料，主要是因为它具有熔点高、________低、强度高等特点。 10.（填空）________是高分子材料中的一种，具有出色的热稳定性，常作为航天器外部保护涂层。 （三）板块三　新型能源在航天领域的应用 【知识点】 火箭推进剂的选择需要综合考虑能量密度、成本、安全与环保等因素。常见推进剂有液氢与液氧组合、煤油与液氧组合、液氧与甲烷组合等。液氢是清洁的高能燃料，燃烧产物是水，对环境污染小；煤油成本低、使用方便；液氧作为氧化剂，为燃料燃烧提供所需的氧。航天器在轨开展工作的能源主要有太阳能电池、化学电池、燃料电池等。人造卫星多依靠太阳能电池把太阳能转化为电能；当卫星进入地球阴影区、无法接收太阳光时，则依靠化学电池等储能装置供电；宇宙飞船还可使用燃料电池。火箭燃料燃烧的过程伴随着能量的转化，燃料的化学能先转化为内能，内能再转化为机械能，推动火箭升空。此外，核能（空间核电源）具有能量密度大、不受光照条件限制等优点，可用于深空探测等任务。 【习题】 1.（选择）下列物质中，被称为清洁高能航天燃料的是（　　） A. 煤油　B. 液氢　C. 四氧化二氮　D. 甲烷 2.（选择）运载火箭使用液氢、煤油等燃料，下列说法不正确的是（　　） A. 火箭燃料使用过程中，化学能转化为内能，最终转化为机械能 B. 液氢燃烧产物是水，是清洁的高能燃料 C. 煤油是利用石油中各成分密度不同而分离出的产品 D. 大量使用煤油不利于碳中和目标的达成 3.（选择）人造卫星进入地球阴影区（背对太阳）时，通常依靠下列哪种能源供电（　　） A. 太阳能电池　B. 化学电池　C. 风能　D. 潮汐能 4.（选择）下列能源中，能量密度大、不受光照条件限制、适合用于深空探测的是（　　） A. 核能（空间核电源）　B. 风能　C. 潮汐能　D. 木柴 5.（填空）太阳能电池在航天器上的作用是，把________能转化为________能，为航天器在轨工作提供动力。 6.（简答）结合能量转化的知识，说明火箭升空过程中能量是如何转化的？为什么说液氢是一种理想的航天燃料？ 7.（分析）人造卫星在轨道上会周期性经历向阳面和背阳面（阴影区）。请分析卫星在两种状态下分别主要依靠哪种能源供电，并说明这样设计的合理性。 8.（选择）火箭推进剂中，作为氧化剂、为燃料燃烧提供所需氧的物质是（　　） A. 液氧　B. 液氢　C. 煤油　D. 甲烷 9.（简答）除太阳能电池外，航天器还可以利用哪些能源供电？各有什么特点？ （四）板块四　未来的新型材料与新型能源 【知识点】 随着航天任务不断向深空拓展，未来需要性能更优、更轻便的材料与能源。新型材料方面，太空金属3D打印技术可实现天造天用，在轨直接制造零部件；非晶合金、微重力火焰合成的纳米材料、超黑纳米消光涂层等也在不断探索中，有望使航天器更轻、更耐极端环境、功能更智能。新型能源方面，钙钛矿太阳电池、固态电池、空间核电源等具有比功率高、能量密度大等优势，可满足更长距离、更长时间航天任务的需要。化学家不断合成新材料、开发新能源，推动航天技术向更深远的太空进发。化学在新型材料与新型能源的研发和应用中发挥着不可替代的作用，科学创新是推动人类文明进步和航天事业发展的重要力量。 【习题】 1.（选择）下列选项中，属于未来航天科技领域正在探索的新型能源的是（　　） A. 钙钛矿太阳电池　B. 火力发电　C. 沼气　D. 木柴 2.（选择）太空金属3D打印技术对未来航天发展的意义主要体现在（　　） A. 可以在轨就地制造部件，减少从地面携带的物资 B. 可以降低所有材料的熔点 C. 可以完全替代传统化学燃料 D. 可以让航天器永不失效 3.（选择）固态电池与普通化学电池相比，其突出优势是（　　） A. 能量密度更高、安全性更好　B. 体积更大　C. 成本更高　D. 重量更重 4.（简答）结合本活动所学，谈谈新型材料和新型能源的应用对我国航天科技发展的重要意义。 5.（开放）假如你是航天工程师，请设想一种未来可能应用的航天新材料或新能源，并简要说明它的用途和优势。 6.（填空）钙钛矿太阳电池相比传统太阳电池，具有________高、成本低等优势（填写一个即可）。 7.（简答）太空金属3D打印技术有哪些应用前景？它体现了怎样的科学创新精神？ 8.（判断）判断下列说法是否正确：化学在新型材料与新型能源的研发中发挥着重要作用。（　　） 五、参考答案 （一）板块一　我国宇航产品的基本情况 1. A　2. B　3. A　4. 长征系列运载火箭。 5. 开展科学实验（或供航天员在轨驻留、开展空间科学研究等，合理即可）。 6. 正确。 7. 航天器在太空中会面临高低温剧烈交变、强辐射、微重力以及高速进入大气层时的高温烧蚀等环境挑战。这些极端环境要求航天材料必须具有耐高温、耐低温、抗辐射、高强度、轻质等特点，才能保证航天器安全可靠地运行。 8. 因为不同宇航产品承担的任务、所处的环境不同，对材料和能源的要求也不同。例如，返回舱需要耐高温烧蚀的材料，故采用陶瓷复合材料隔热层；卫星在轨需要持久供电，故多用太阳能电池。只有根据实际需求选择合适的材料和能源，才能保证航天器安全高效地完成任务。 （二）板块二　新型材料在航天领域的应用 1. C　2. A　3. A　4. A　5. 发动机（或起落架、高应力零部件等，合理即可）。 8. A　9. 导热性（或热导率）。　10. 聚酰亚胺。 6. 合金的性能一般优于组成它的纯金属。铝合金质量轻、强度较高，钛合金强度高、耐高低温且抗腐蚀性能优异，能满足航天器结构轻量化、高强度、耐极端环境的需要；而纯铝、纯钛的强度往往不足、抗腐蚀性也较差。因此航天器主体结构常选用合金而非纯金属，这正是物质性质决定用途的体现。 7. 碳纤维复合材料强度高、密度小，适用于机翼、太阳能电池板支架等需要减轻重量又保证结构强度的部件；陶瓷复合材料熔点高、导热性低、耐高温烧蚀，适用于返回舱隔热层等需要抵抗再入大气层时高温的部位。选择材料时要根据部件的实际工作环境，做到性质与用途相匹配。 （三）板块三　新型能源在航天领域的应用 1. B　2. C　3. B　4. A　5. 太阳；电。 8. A 6. 火箭升空时，燃料燃烧释放的化学能转化为内能，内能再转化为机械能，推动火箭向上运动。液氢燃烧产物只有水，无污染，且燃烧时释放的能量大，因此是一种清洁、高能的理想航天燃料。 7. 卫星在向阳面时主要依靠太阳能电池把太阳能转化为电能供电；在背阳面（阴影区）时无法接收太阳光，则依靠化学电池等储能装置供电。这样设计可以充分利用太阳这一清洁能源，同时利用储能装置保证卫星在整个轨道周期内都能稳定工作。 9. 除太阳能电池外，航天器还可以利用化学电池、燃料电池等能源供电。化学电池可以储存电能，在无阳光时使用；燃料电池通过化学反应持续供电，效率较高；核能（空间核电源）能量密度大、不受光照条件限制，适合深空探测等长期任务。 （四）板块四　未来的新型材料与新型能源 1. A　2. A　3. A　6. 比功率（或转换效率）。　8. 正确。 4. 新型材料如碳纤维复合材料、陶瓷复合材料等使航天器更轻、更耐极端环境；新型能源如太阳能电池、燃料电池等为航天器提供清洁可靠的动力。二者共同推动我国航天器性能不断提升，助力航天事业发展，也体现了化学知识与科技进步、社会发展的紧密联系，增强了我们学好化学、服务国家的责任感。 5. 示例：设想一种性能更优的轻质高强复合材料，用于制造航天器的舱体，既能减轻重量、降低发射成本，又能承受太空极端环境；或设想一种更高能量密度的固态电池，为深空探测器提供更持久、更安全的电力。只要设想合理、能说明用途与优势即可。 7. 太空金属3D打印技术可以在轨就地制造零部件，实现天造天用，减少从地面携带的物资，降低发射成本，提高航天任务的灵活性和可持续性。它体现了勇于探索、敢于创新的科学精神，激励我们用科学知识造福人类、服务国家发展。 学科网（北京）股份有限公司 $