第十一单元跨学科实践活动10航天新材料新能源作业设计--2026-2027学年九年级化学人教版下册

跨学科实践活动10 作业设计 人教版初中化学九年级下册 第十一单元 化学与社会 一、课时信息与课时分析 本课时为人教版九年级下册第十一单元“化学与社会”中的跨学科实践活动，课题为“调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用”。活动立足学生已学的金属材料、有机合成材料、化学与能源等基础，引导学生走出课本，把化学知识放到我国航天事业的真实情境中加以观察与运用，认识材料科学和能源技术如何支撑航天器的设计、发射与运行。 二、作业四维核心素养目标 化学观念方面，引导学生从物质组成、结构与性能相联系的视角，认识航天器所用新型材料和推进剂的类别与特点；科学思维方面，通过对材料选择、能源方案进行比较与论证，发展证据推理与模型认知能力；科学探究方面，组织学生围绕航天材料与能源开展资料查阅、调查交流和小组汇报，体会提出问题、获取信息、得出结论的一般过程；科学态度与责任方面，在了解我国航天成就的过程中激发民族自豪感，树立科技报国和绿色可持续发展的责任意识。 三、设计思路 本作业以“航天科技”为真实情境，围绕新型材料与新型能源两条主线分层设计。基础巩固题面向全体学生，帮助其梳理教材中材料分类、能源类型等基本概念；能力提升题要求学生结合具体航天器案例，分析材料选择和能源方案的理由，体现化学知识的迁移与应用；拓展培优题以开放性、实践性任务为主，引导学生走向社会调查、跨学科综合和创意表达，让不同层次学生都能在完成作业的过程中获得素养发展。 四、作业内容 （一）基础巩固 1．我国长征系列运载火箭是进入太空的重要交通工具。火箭箭体在飞行过程中需要同时面对高温、气流冲击和巨大载荷。请结合所学金属材料的知识，回答下列问题： （1）火箭箭体大量使用铝合金等轻金属材料，请从密度、强度和加工难度等角度，说明选择这类金属材料作为箭体结构材料的主要原因。 （2）在火箭发动机燃烧室和喷口等温度极高的部位，工程技术人员会选用耐高温的合金材料，并在表面采取隔热和冷却措施。请说明“为什么不能直接使用普通碳素钢”，并列举两类能够帮助金属材料适应高温环境的办法。 2．“天问”“嫦娥”“天宫”等航天器在外壳和关键结构中使用了多种新型复合材料。请回答： （1）与单一金属材料相比，复合材料一般由哪两部分组成？这种组合方式通常能够带来哪些性能上的优势？ （2）航天领域常用到碳纤维增强树脂基复合材料，请从重量、强度、耐疲劳和耐腐蚀等方面，简要说明这类材料适合用于航天器结构件的理由。 3．神舟飞船和空间站都使用了大量有机合成材料，例如密封材料、保温材料和电缆护套。请判断下列说法是否合理，并说明理由。 （1）因为塑料、合成橡胶、合成纤维都属于有机合成材料，所以它们在航天器材中可以互相替代使用。 （2）航天器用的密封橡胶需要在温差极大、真空和辐照环境中长期保持弹性，因此对橡胶材料的耐候性、气密性和耐高低温性能提出了很高要求。 4．航天活动离不开能源。请将下列航天中常见的能源形式进行归类，并说明各自的特点：化学推进剂、太阳能电池帆板、航天器上使用的蓄电池、地面发射场供电使用的电网电能。请按“一次能源与二次能源”“可再生能源与不可再生能源”“清洁能源与传统能源”的角度，简要说明分类思路。 （二）能力提升 5．阅读下面一段关于长征五号运载火箭的资料，并回答问题。 资料：长征五号火箭被称为“胖五”，是我国目前运载能力最强的火箭之一。它的箭体直径更大、运载能力更强，芯级和助推器采用了不同类型的推进剂组合。火箭在起飞时会产生大量白色水雾，这些水雾主要来自发射塔架喷水系统对高温燃气的降温处理。火箭箭体表面还涂有专门的隔热材料，以抵御飞行过程中与空气摩擦产生的热量。 （1）从化学与社会的角度，说明“火箭大型化、大运载能力”对材料和能源技术分别提出了哪些新的要求。 （2）发射塔架喷水降温体现了化学与工程技术、环境保护之间的联系。请你谈一谈这种做法在保护发射设施、降低噪声和减少热污染方面可能起到的作用。 （3）火箭箭体表面的隔热涂层属于功能材料，请结合“材料的性能决定用途”这一基本观念，分析这种材料应具备哪些关键性能。 6．“嫦娥六号”实现了月球背面采样返回，任务过程中需要经历漫长的地月飞行、月面着陆、月面起飞和返回地球等阶段。请从材料与能源两个角度，分析下列问题： （1）月面白天和夜晚温差极大，且没有大气保护，探测器外壳和仪器舱材料在选材时需要重点考虑哪些性能？请至少列举四点并简要说明理由。 （2）探测器在太空中长时间飞行，依靠太阳能电池帆板提供电能；但进入地影区或月夜期间，太阳能电池无法工作。请你结合已知的能源知识，说明工程上通常会采取什么办法来保障探测器的连续供电，并分析这种能源方案的优缺点。 （3）月球样品需要从月面安全返回地球，并在地球环境中进行保存和研究。从材料角度考虑，盛放月壤样品的容器应具备哪些性能？为什么不能使用普通家用塑料容器？ 7．空间站长期在轨运行，是开展太空科学实验的重要平台。空间站上使用的材料和能源系统与地面有很大不同。请回答： （1）空间站外壳需要长期承受微流星和空间碎片的撞击，同时要面对宇宙射线和剧烈温差。请你设计一种“空间站外壳复合材料”的基本组成思路，并说明每种组分承担的作用。 （2）空间站中的电能主要来自大面积太阳能电池帆板，同时配备储能装置。请从能量转化的角度，说明空间站从接收太阳光到驱动舱内设备工作，依次发生了哪些形式的能量转化。 （3）空间站内宇航员呼吸需要氧气，通常利用舱内的电解设备将水分解制取氧气，同时产生氢气。请你从化学与社会的角度，说明这种方式相比地面携带高压氧气罐有哪些优点，并指出其中可能存在的安全与工程挑战。 8．我国在航天领域大力发展绿色推进技术，提倡使用无毒、低污染的推进剂。请结合所学知识回答： （1）传统火箭推进剂中，部分燃料和氧化剂具有剧毒、强腐蚀性，泄漏后会对环境和操作人员造成危害。请从化学物质性质的角度，分析这类推进剂在储存、运输和使用过程中需要注意哪些安全问题。 （2）液氧和液氢作为推进剂组合，燃烧产物主要是水，被认为是较为清洁的航天能源。请你从“原料来源”“燃烧产物”“储存与使用难度”三个方面，比较这种清洁推进方式与传统化学推进方式的异同。 （3）在发射场周围，工作人员会采取各种措施减少推进剂对大气和水体的影响。请你从绿色化学的角度，列举两条可以在航天发射中践行的环保做法。 （三）拓展培优（共三题） 9．【调查与实践】请以小组为单位，围绕“我国航天科技中的新型材料”开展一次资料调查。可以选择“长征系列火箭”“神舟飞船”“天宫空间站”“嫦娥探月”“天问探火”中的一个或多个主题，通过科普书籍、官方媒体、博物馆资料等渠道收集信息。请完成下列任务： （1）整理一份材料清单，列出你所调查的航天器中用到的至少五种新材料，并说明每种材料的主要性能特点和它在航天器上承担的功能。 （2）从中任选一种你最感兴趣的材料，从“为什么这种材料适合航天使用”“它与我们生活中常见材料有何不同”“未来还可以怎样改进”三个角度，写一段不少于三百字的小报告。 （3）谈谈你在调查过程中遇到的困难和解决办法，以及这次调查让你对“化学与社会发展”这一主题产生了哪些新的认识。 10．【跨学科思辨】阅读下面材料并完成问题。 材料：航天器在太空中会面临强辐射、高真空、剧烈温差和微小碎片撞击等极端环境。为了保护航天员和精密仪器，工程师需要在材料选择上进行反复权衡：材料既要足够轻便，以减轻发射负担；又要足够坚固，以抵御外界冲击；还要具备良好的隔热、防辐射和自修复能力。同时，能源系统也面临挑战——在漫长的深空飞行中，如何持续、稳定、安全地获得能源，是决定任务成败的关键。 （1）材料性能之间往往是相互制约的，例如“更轻便”和“更坚固”之间就需要权衡。请你再举出一组类似的性能矛盾，并说明工程师通常会通过哪些思路来调和这种矛盾。 （2）有人说：“航天科技是离普通生活很远的技术。”也有人说：“今天航天里用的新材料、新能源，明天就会走进我们的日常生活。”请结合你所了解的例子，谈谈你对这两种观点的看法，并说明化学学科在其中扮演了怎样的角色。 （3）如果让你为下一代“月球科研站”设计一份材料与能源初步方案，你会在材料方面重点考虑哪三类材料？在能源方面倾向于采用哪两种能源组合？请简要说明你的设计理由。 11．【创意与表达】请围绕“化学点亮航天梦”这一主题，完成下列开放性任务。 （1）设想你是一名航天科普讲解员，要向初中生听众介绍一种我国航天器上使用的新型材料或新型能源。请你用通俗易懂的语言，写一段讲解词，要求包含“它是什么”“它有什么特别之处”“它如何帮助航天任务”“它背后体现了化学的哪些思想”四个部分。 （2）在我国从航天大国迈向航天强国的过程中，化学工作者在新材料、新能源、新工艺等方面付出了大量努力。请结合本主题，谈谈作为一名初中学生，你可以在学习和生活中做哪些事情，为将来我国的科技事业贡献自己的力量。 （3）请你以“未来航天材料畅想”为题，大胆设想一种二三十年之后可能出现的新型航天材料，描述它的组成思路、性能特点和典型用途，并说明它可能解决今天航天领域中的哪一个具体问题。要求想象合理，体现化学学科的基本观念，不出现编造的具体化学符号与反应关系。 五、参考答案 （一）基础巩固参考答案 1．（1）铝合金等轻金属密度较小，在保证结构强度的前提下能够显著减轻箭体自重，提升火箭的运载能力；同时铝合金具有较好的加工性能和抗腐蚀能力，便于大型构件的制造与长期储存。（2）普通碳素钢在高温下强度会明显下降，难以承受燃烧室和喷口位置的极端热环境，且密度偏大、抗疲劳性能不足。可采取的办法包括：选用耐高温合金，在构件表面涂覆隔热涂层，采用主动冷却结构，以及使用耐热陶瓷或复合隔热层等。 2．（1）复合材料一般由基体材料和增强材料两部分组成，两者协同作用，使材料同时具备轻质、高强、耐高温、抗疲劳等综合性能，克服单一材料性能局限。（2）碳纤维增强树脂基复合材料密度小、比强度和比模量高，能够在减轻结构重量的同时保持优异的力学性能；同时它具有较好的耐疲劳和耐腐蚀性能，适合在太空复杂环境中长期使用。 3．（1）不合理。塑料、合成橡胶、合成纤维虽然都属于有机合成材料，但它们的性能和用途差异很大，分别适合做硬质结构件、弹性密封件和柔性织物，不能随意互相替代。（2）合理。航天器密封件需要在温差大、真空、辐照环境中长期保持弹性和气密性，因此对材料耐候性、气密性和耐高低温性能都提出了很高要求。 4．分类思路示例：化学推进剂和航天器上的蓄电池属于经过人类加工、储存和使用的二次能源形式，太阳能帆板直接利用太阳能，地面电网电能则来自集中式发电。太阳能属于可再生、清洁能源；化学推进剂所依赖的化工原料属于不可再生资源；蓄电池属于储能装置，本身不产生能源，而是把其他形式的能量储存起来。分类时应先区分一次能源与二次能源，再讨论可再生性与清洁程度。 （二）能力提升参考答案 5．（1）火箭大型化要求材料更轻、更强、更耐高温，结构焊接和连接工艺更加可靠；大运载能力要求推进剂能量密度更高、储箱容积更大、整体动力系统更稳定。（2）发射塔架喷水可以吸收高温燃气的热量，降低对发射台和箭体的热冲击；水雾还能在一定程度上削弱发射噪声，减少对周边环境和设施的影响，体现工程技术与环境保护的结合。（3）隔热涂层应具备导热系数低、耐高温、抗气流冲刷、附着力强、重量轻和使用寿命长等关键性能。 6．（1）月面极端环境对材料提出的要求包括：耐极大温差、耐真空、耐宇宙射线和太阳风辐照、耐月尘磨蚀、轻质高强等，以保证探测器在长时间无大气保护条件下结构稳定、仪器正常工作。（2）工程上通常在太阳能电池之外配备蓄电池或核源等储能装置，在有光照时储存多余电能，在地影区或月夜期间释放电能。优点是供电连续、可靠；缺点是储能装置本身会增加重量和复杂度，对安全管理提出更高要求。（3）盛放月壤样品的容器应具备高真空密封、耐高低温、低吸附、不与样品发生反应、便于开启和消毒等性能；普通家用塑料容器气密性、耐温性和化学稳定性均不足，且可能释放挥发性物质污染样品，因此不能使用。 7．（1）示例思路：外壳可采用“高强度金属骨架＋陶瓷防热层＋高分子缓冲层”的复合结构，金属骨架承担整体力学载荷，陶瓷层抵抗高温和微流星，高分子缓冲层吸收冲击能量并提供保温。（2）能量转化顺序示例：太阳光能先通过太阳能电池转化为电能，电能一部分直接供给舱内设备使用，另一部分送入储能装置转化为化学能储存，需要时再由储能装置释放为电能，驱动设备工作。（3）优点在于可以减少地面携带高压氧气的重量与风险，并实现水资源的循环利用；挑战包括电解设备能耗较高、氢气属于易燃易爆气体需要严格安全管理、系统复杂且对设备可靠性要求极高。 8．（1）这类推进剂通常具有强腐蚀性、毒性和易爆炸性，在储存和运输中需要严格密封、远离火源、避免与不相容物质接触，并由专业人员按规范操作，防止泄漏和误混。（2）液氧液氢组合的产物以水为主，对环境友好；但液氢沸点极低、极易泄漏和燃烧，储存和使用难度大；传统推进剂能量密度较高、技术成熟，但部分组分毒性和污染较大。两者在原料来源上都依赖化工生产，清洁程度差异主要体现在燃烧产物和排放控制上。（3）环保做法示例：优化推进剂加注和回收工艺，减少泄漏与残留废气；在发射区设置废水收集和处理系统，避免推进剂直接进入水体；优先选用低毒、低污染的推进剂类型并加强发射前后环境监测。 （三）拓展培优参考要点 9．参考要点：（1）学生列举的材料应能对应到航天器的具体部位，如箭体铝合金、碳纤维复合材料、防热瓦、隔热涂层、特种密封橡胶、太阳能电池材料等，并写出对应的性能特点。（2）小报告应能围绕材料的性能—用途—改进方向展开，体现“结构决定性能、性能决定用途”的化学基本观念。（3）调查反思部分鼓励学生真实表达困难、解决路径和收获，教师重点关注其过程性体验和对化学与社会关系的理解。 10．参考要点：（1）可列举的性能矛盾如“高强度与低密度”“耐高温与可加工性”“绝缘性与导热散热需求”等；工程师通常通过材料复合、表面涂层、结构优化和系统集成等方式进行综合平衡。（2）本问为开放性思辨，鼓励学生结合记忆合金、隔热材料、净水技术、电池技术等航天技术民用化的例子，说明航天科技与日常生活的联系，并指出化学在新材料、新能源研发中的基础作用。（3）月球科研站方案为开放性设计，材料方面可围绕结构承力材料、防热防辐照材料、密封与生命支持材料等展开；能源方面可考虑太阳能与核源、储能装置的组合，理由需与月球昼夜极长、光照条件不稳定等环境特点相呼应。 11．参考要点：（1）讲解词应做到科学准确、通俗易懂，能够把材料或能源的基本特点和作用讲清楚，并适当联系化学观念。（2）学生可从努力学习化学等科学知识、关注国家科技发展、培养动手实践和环保意识、树立科技报国理想等角度作答，言之有理即可。（3）开放性想象题，应鼓励学生在符合化学基本观念的前提下大胆设想，重点评价其是否能够围绕“材料组成—性能—用途”这一思路展开，是否针对当前航天领域的真实问题提出合理设想。 学科网（北京）股份有限公司 $