20.3 材料的开发和利用 教案 2023-2024学年沪科版物理九年级全册

20.3 材料的开发和利用
教学目标
1.知道材料对人类社会发展的促进作用。
2.知道导体、绝缘体、半导体导电性能的差异，知道半导体二极管的单向导电性。
核心素养
责任担当
1.社会责任：体现STSE 教育理念，通过对我国古代、现代材料的开发与利用的了解，渗透“爱国主义”思想教育，增强民族自豪感和用科学技术服务社会的使命感。
2.国际理解：体现STSE 教育理念，将社会发展与科技进步结合到一起，渗透辩证唯物主义自然观，新材料的产生与应用给社会发展和人们生活带来便利的同时也会对环境造成不同程度的污染，警醒学生在新材料的开发过程中，要注重可持续发展的科学发展观
教学重点
知道超导材料是一种电阻为零的材料，知道超导材料具有超导磁悬浮的特性。
教学难点
了解纳米材料的有关知识
教学过程
一、导入新课
材料与社会
人类社会的发展与人们对材料的认识、开发和利用密切相关……
世界材料产业的产值以每年约30%的速度增长，材料创新已成为推动人类文明进步的重要动力之一，也促进了技术的发展和产业的升级。
…人类发展中先后经历石器时代、青铜时代和钢铁材料时代。
不同材料的物理性质可能有很大不同。
材料的导电性
取决于材料内部电子的运动状况
导体：导电性好，作导线，铜、铝
绝缘体：电阻很大，隔离带电体，玻璃、橡胶
半导体：介于导体和绝缘体之间，硅、锗、砷化镓
实验器材：电源、灯泡、导线、开关、待测材料（木条、铅笔芯、玻璃棒、塑料条、铁丝、铜线、陶瓷、油类）
半导体应用非常广泛
可以制成二极管、三极管等半导体元件和集成电路。
半导体二极管有单向导电性，三极管可以用来放大电信号。
二、新课讲解
开发新材料
1.超导材料
1911年，昂内斯在研究汞电阻随温度的变化时，观察到在测试温度降低到4.2K时，汞的电阻突然降低到测量不到的微小值，从而发现超导现象。
汞的电阻随温度变化情况
超导材料出现以后，人们首先想到的就是利用超导体的零电阻特性实现远距离大功率输电，因为超导输电线可以无损耗地输送极大的电流。这意味着用细电线就可以输送强电流。
超导磁浮现象使人们想到可以用超导体来实现交通工具的无摩擦运行，这将会大大提高交通工具的运行速度。20世纪末，人们分别对超导列车、超导船进行了可行性实验。
2.纳米材料
纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在1~100nm范围内的材料，这大约相当于10~1000个原子紧密排列在一起的尺度。
纳米材料除了其基本单元的尺度小以外，在力、热、声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的性能。
人们正在研制纳米尺度的微小机器，由纳米材料制成的导线将大大提高计算机的性能，并缩小计算机芯片的体积。用纳米技术做成的量子磁盘，每平方厘米面积内可贮存3万部《红楼梦》。
三、合作探究
知识点：材料的特性
弹性：材料受力会产生拉长、压 缩或弯曲等形变，除去外力后，材料又看上去回复原状，这就是弹性。
弹性材料制造的发条用来储存时钟运转所需要的能量
硬度：材料有软有硬，较硬的材料能使较软的材料产生划痕、凹陷，或切削、磨损较软的材料。硬度是描述材料的坚硬程度的物理量。
延展性：具有延展性的材料可以锻打成片、拉成丝，大部分的金属都具有延展性。
开发新材料
纳米材料
纳米是一个长度单位
1nm=10m
纳米材料尺度: 1～100个纳米
1、特点
当材料的微粒小到纳米尺寸时，材料的性能就会发生显著变化。
2、应用
工业、农业、能源、环境保护、医疗、国家安全等方面
将煤炭中的原子重新排列 → 钻石
向沙子中加入一些微量元素，并将原子重新排列 → 电脑芯片
土壤、水和空气的原子重新排列 → 马铃薯
细胞老化时一个分子一个分子地制造出来新细胞 → 生命无限延长
四、归纳新知
知识小结
1. 善于导电的物体叫导体，如：各种金属、酸碱盐的水溶液、石墨、人体、大地等；不善于导电的物体叫绝缘体，如：玻璃、橡胶、陶瓷等；导体和绝缘体没有明显的界线。
2. 由半导体材料制成的二极管的导电性能很特殊，具有单向导电性，它只允许电流从正极流向负极。
3. 物质的电阻变为零时的温度叫做这种物质的超导临界温度。物质的温度高于超导临界温度时失去超导性，低于或等于超导临界温度时才具有超导性。