3. 调查超导材料的研究进展与应用前景（教学课件）物理新教材沪粤版八年级上册

物理八年级上册 •沪粤版 第五章 质量与密度 跨学科实践“调查超导材料的研究进展与应用前景” 科学的征途，总在探索那些看似不可能的边界。人类从不满足于已知的导体与绝缘体，始终追寻电阻归零的奇妙世界。超导现象的发现告诉我们：很多被认定的常识，只是当下条件的局限。保持好奇、敢于质疑，我们便能在新材料的世界里，看见科技改变未来的无限可能。 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 了解超导现象，知道超导体的零电阻效应和迈斯纳效应 02 科学思维 通过调查研究，培养信息收集、分析和归纳能力 03 科学探究 通过调查研究，培养信息收集、分析和归纳能力 04 科学态度与责任 认识我国超导研究成就，增强科技报国情怀 教学重难点 教学难点 教学重点 超导体的零电阻效应与迈斯纳效应 迈斯纳效应的理解及超导应用前景 备课视频资源 备课视频资源可手动调整到对应的PPT页面，增加课堂的趣味性 01 高温超导迎来新成员！镍基超导是如何突破的 02 在家制作“超导体”一种抗磁性悬浮的神奇黑科技 03 中国科技重大突破！攻克高温超导难题 04 超导材料应用 05 超导现象科普 课堂引入 思考：有没有电阻为零的导体？ 日常电路中，导线总有电阻，电流通过会发热损耗能量 如果有一种材料，在特定条件下电阻突然变为零…… 电能将无损耗传输！这就是——超导现象 知识点1 超导现象的发现 超导现象的发现 1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在实验中取得重大突破： 当汞冷却到4.2K(-268.95℃)时，其电阻突然消失 这一现象标志着人类首次观察到超导现象 昂内斯因此获得1913年诺贝尔物理学奖 临界温度 Tc —— 超导转变的关键 临界温度（Tc）：材料从正常态转变为超导态的温度 • T > Tc：导体有电阻，处于正常态 • T = Tc：电阻突然消失，进入超导态 • T < Tc：电阻为零，完全抗磁 提高临界温度是超导研究的核心目标——温度越高，应用越方便 例1 1911年，荷兰科学家昂内斯发现，当温度降到4.2K（约-269℃）时，水银的电阻突然消失。这一发现标志着超导现象的诞生。请回答：什么是超导现象？ 【解析】当温度降低到某一临界温度以下时，导体的电阻突然变为零的现象叫做超导现象。水银在4.2K时电阻消失，就是典型的超导现象。 典例分析 典例分析 例2 关于超导体，下列说法正确的是（ ） A.超导体在任何温度下电阻都为零 B.超导体在临界温度以下电阻为零 C.超导体只能在实验室中存在 D.超导体对磁场没有影响 【解析】超导体只有在温度低于临界温度时电阻才为零，A错B对。超导体已有实际应用（如磁悬浮列车），C错。超导体具有迈斯纳效应，会排斥磁场，D错。答案：B 知识点2 超导体的基本特性 超导体的基本特性 特性⼀：零电阻效应 当材料进⼊超导态时，其电阻突然降为零，电流可以在其中⽆损耗流动 特性⼆：迈斯纳效应 超导体具有完全抗磁性，磁场⽆法穿透超导体内部，导致磁悬浮现象 零电阻效应 当温度降低到某一临界温度Tc以下时，材料的电阻突然变为零： • 电流可以在超导体中无损耗地流动 • 实验证明：超导环中的电流可持续数年不衰减 • 不同材料的临界温度不同： 水银 Hg：4.2 K ｜ 铅 Pb：7.2 K ｜ 铌 Nb：9.2 K • 临界温度以上，超导体恢复正常电阻状态 迈斯纳效应——完全抗磁性 • 1933年迈斯纳发现： 超导体处于超导态时， 内部磁感应强度恒为零 • 磁场线被完全排出超导体外部 • 这就是迈斯纳效应 • 磁悬浮列车正是利用这一效应 实现无接触悬浮运行 超导体的重要应用 超导磁悬浮列车 利用迈斯纳效应实现无接触悬浮，时速可达600km/h 核磁共振（MRI） 超导磁体提供强磁场，用于人体内部医学成像诊断 典例分析 例3 什么是迈斯纳效应？为什么超导体可以悬浮在磁体上方？ 【解析】迈斯纳效应是指超导体处于超导态时，内部磁感应强度为零，磁场被完全排出体外。当超导体靠近磁体时，表面产生感应电流，其磁场与外磁场相互排斥，使超导体悬浮。 知识点3 超导材料的研究进展 全球超导材料研究历程 传统超导体 (1911-1986) ⾦属及合⾦材料 临界温度低于 30K(-243℃) 需使⽤液氦冷却 ⾼温超导体(1986至今 铜氧化物、铁基超导体 临界温度突破液氮温区(77K) 冷却成本⼤幅降低 国际研究热点领域 室温超导材料探索 寻找在常温常压下具有超导特性的新材料 超导带材与线材制备技术 提⾼超导材料的实⽤性和⼯程应⽤价值 超导量⼦计算应⽤研究 开发下⼀代⾼性能量⼦计算机 中国超导研究的起步 20世纪80年代年代⾼温超导突破后， 我国迅速启动相关研究 ✓ 1987 年成⽴国家超导技术专家委员会 ✓ 建⽴多个国家重点实验室 ✓ 制定 “863” 计划 超导材料研究专项 ✓ 形成产学研结合的研发体系 中国科学家的里程碑贡献 赵忠贤院⼠团队 发现多种⾼温超导材料 推动国际研究发展 2016年国家最⾼科学技术奖获得者 陈仙辉团队 铁基超导体研究取得重⼤突破 发现新型超导材料体系 推动超导机理研究 南⽅科技⼤学 室温超导材料研究引发国际关注 开发新型超导材料制备技术 推动超导应⽤产业化 我国超导研究的国际地位 1 论⽂数量与质量 超导领域论⽂发表数量 与影响⼒位居世界前列 2 材料制备技术 超导材料制备技术 达到国际先进⽔平 3 国际重⼤合作 参与国际热核聚变实验堆 (ITER) 超导磁体项⽬ 能源领域应用 1 超导电缆 2 超导储能 3 超导发电机 实现低损耗输电 提高电网效率30%以上 减少能源浪费 高效储能系统 稳定电网频率 支持可再生能源接入 体积缩小50% 效率提高至99% 适用于风力发电 医疗领域应用 1 核磁共振成像（MRI） 2 粒⼦加速器 3 磁悬浮列⻋ 超导磁体提供高磁场强度 成像清晰度提高50% 无辐射安全诊断 用于精准肿瘤治疗 靶向消灭癌细胞 减少健康组织损伤 超导磁悬浮技术 高速(600km/h)、低噪音 绿色环保交通工具 信息与科研领域应用 1 超导量⼦计算机 运算速度提升百万倍 解决传统计算机⽆法处理的复杂问题 推动⼈⼯智能发展 2 超导传感器 超⾼灵敏度检测 可探测微弱磁场和电磁信号 应⽤于地质勘探和医疗诊断 3 ⼤型科学装置 ⾼能物理对撞机核⼼部件 产⽣超强磁场约束粒⼦ 探索物质基本结构 典例分析 例4 我国在超导材料研究方面取得了哪些重要成就？请举两例说明。 【解析】①我国科学家在铜氧化物高温超导体研究中，零电阻温度达134K；②在铁基超导体研究中，率先将临界温度突破40K，进入新的超导材料研究领域。 典例分析 例5 超导体有哪些重要应用前景？请列举三例。 【解析】①超导输电：零电阻可实现无损耗输电；②磁悬浮列车：利用迈斯纳效应实现无接触悬浮；③超导MRI：超导磁体提供强磁场用于医学诊断；④超导计算机：提高运算速度，降低能耗。 知识点4 跨学科实践——调查任务 实践活动目标 1 信息收集与分析能⼒ 学习从多种来源获取信息 掌握信息筛选与分析⽅法 培养批判性思维能⼒ 2 科学研究⽅法 了解科学研究基本流程 学习数据整理与分析⽅法 体验科研探索过程 3 科学表达与写作 提⾼科学写作能⼒ 学习制作专业演⽰⽂稿 培养团队协作能⼒ 调查研究步骤 1 资料收集 查阅⽂献、新闻报道、学术论⽂ 收集超导材料研究与应⽤相关信息 2 数据整理 分类整理研究进展、⼈物贡献、应⽤案例 制作信息对⽐表格 3 分析思考 ⽐较国内外研究差异 预测超导技术发展趋势 形成个⼈⻅解 学⽣查阅资料进⾏研究的场景 任务分工与时间安排 ⼩组分⼯ 资料组 负责收集⽂献资料 整理研究数据和案例 建⽴信息数据库 分析组 负责数据对⽐分析 研究国内外差异 预测发展趋势 写作组 负责撰写研究报告 制作演⽰⽂稿 准备汇报材料 时间规划 开始 资料收集 1 周 整理分析 3 天 撰写报告 3 天 成果展示要求 1 科普短⽂ 2 ⼩组汇报 3 交流讨论 800-1000字科普文章 图文并茂，通俗易懂 包含研究进展与应用案例 体现个人见解与思考 5-8分钟PPT展示 内容精炼，重点突出 包含研究过程与发现 团队协作成果展示 分享研究心得与体会 提出研究过程中的疑问 交流不同观点与见解 互相评价与学习 课堂小结 课堂小结 超导研究的重要意义 推动能源技术⾰命 促进医疗设备发展 加速量⼦计算突破 解决⼈类能源危机 我国的发展成就 ⾼温超导研究国际领先 超导材料制备技术先进 参与国际重⼤科研项⽬ 应⽤产业化稳步推进 ⻘少年参与途径 参加科学探究活动 关注科技前沿动态 参与科研实践项⽬ 培养创新思维能⼒ 超导技术正在改变世界，⻘少年是未来科技创新的主⼒军。让我们保持好奇⼼， 勇于探索，为科技强国建设贡献⼒量！ 1 2 3 课堂练习 课堂练习 探究新知 1. 什么是超导现象？超导体的两个基本特性是什么？ 2. 1911年谁发现了超导现象？实验中用的是什么材料？ 3. 什么是迈斯纳效应？它有什么实际应用？ 4. 我国在超导材料研究方面取得了哪些重要成就？ 5. 调查：收集超导材料在日常生活中的应用实例，下节课分享。 课后作业 探究新知 1 完成科普短⽂撰写 2 准备⼩组汇报 PPT 3 回顾复习本学期内容 请在下周五前完成并提交作业 根据研究内容撰写800-1000字科普文章 要求图文并茂，语言通俗易懂 包含研究进展、应用案例和个人见解 制作5-8分钟演示文稿 内容精炼，重点突出研究过程和发现 包含分工合作情况 谢谢聆听 谢谢聆听 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.1 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.1 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.1 Lavf58.76.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.76.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.54 $