5.5 新材料及其应用--2025-2026学年沪粤版物理八年级上册教学课件（27页PPT）

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5.5 新材料及其应用
第五章 质量与密度
沪粤版2025-2026学年 物理八年级上册【精做课件】
授课教师：********
班 级：********
时 间：********
5.5 新材料及其应用
教学目标
了解纳米材料、超导材料、形状记忆合金等常见新材料的特点和性能。
知道新材料在生活、生产和科技领域的广泛应用，体会新材料对推动社会发展的重要作用。
激发学生对新材料的探索兴趣，培养学生关注科技前沿、热爱科学的情感。
纳米材料
纳米材料的概念
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1 - 100nm，1nm = 10 m）或由它们作为基本单元构成的材料。这个尺度范围介于宏观物质和单个原子或分子之间，赋予了纳米材料许多独特的性质。
纳米材料的特性
小尺寸效应：当材料的尺寸减小到纳米级时，其熔点、磁性、光学、力学等性能会发生显著变化。例如，纳米级的金颗粒熔点远低于块状金，颜色也会从金黄色变为红色或紫色。
量子尺寸效应：在纳米尺度下，电子的运动受到量子力学规律的支配，导致材料的电学、光学和磁学等性质发生改变。像量子点这种典型的零维纳米材料，可以根据其尺寸的不同调整发光颜色，广泛应用于显示技术中。
表面效应：纳米材料具有极大的比表面积（表面积与体积的比值），使得表面原子所占比例显著增加。这使得纳米材料具有更高的反应活性、更强的吸附能力和催化性能。例如，纳米催化剂在化学反应中能大大提高反应速率。
纳米材料的分类
零维纳米材料：指在空间三维尺度均处于纳米量级的材料，如纳米颗粒、量子点等。
一维纳米材料：在空间中有一维处于宏观尺度，另外两维处于纳米量级的材料，常见的有纳米线、纳米管等。
二维纳米材料：有两个维度处于宏观尺度，仅一维处于纳米量级的材料，例如石墨烯就是典型的二维纳米材料，它具有优异的电学、热学和力学性能。
三维纳米材料：是指由纳米尺度的基本单元构成的具有复杂三维结构的材料，如纳米多孔材料、纳米复合材料等。
纳米材料的应用
医疗与生物技术领域：
药物传递：利用纳米颗粒（如脂质体或聚合物纳米粒）作为药物载体，能够将药物精准地输送到病灶部位，实现靶向治疗。这种方式不仅提高了药物的疗效，还能减少对正常组织的副作用。例如，在癌症治疗中，纳米药物载体可以显著延长药物在体内的循环时间，增强对肿瘤细胞的杀伤效果。
疾病诊断：纳米传感器能够高灵敏度地检测生物标志物（如蛋白质或 DNA），有助于实现疾病的早期诊断。比如金纳米颗粒已被用于快速检测病毒，为疾病的早期防控提供了有力手段。
组织工程：纳米支架可以模仿天然细胞外基质的结构和功能，为细胞生长提供良好的支撑环境，促进组织再生。在皮肤或骨骼修复等方面，纳米纤维支架得到了广泛的应用。
能源领域：
太阳能电池：纳米材料（如量子点、钛酸纳米管等）的应用可以有效提高光电转换效率，同时降低太阳能电池的制造成本。例如，染料敏化太阳能电池利用纳米结构来提升光吸收能力，使得太阳能的利用更加高效和经济。
燃料电池：纳米催化剂（如铂纳米颗粒）能够显著增强燃料电池中的电化学反应效率，提高燃料电池的性能，推动其在能源领域的广泛应用。
储能：纳米材料（如石墨烯、纳米硅等）用于锂离子电池和超级电容器中，能够显著提高电池的能量密度和充放电速率，改善电池的性能，满足现代电子设备和电动汽车对高性能储能的需求。
环境领域：
水处理：纳米吸附剂（如纳米氧化铁、碳纳米管等）具有高效去除水中重金属、有机污染物和细菌的能力。例如，纳米银因其抗菌性被应用于净水设备中，有效保障饮用水的安全。
空气净化：纳米光催化剂（如二氧化钛）在紫外光照射下能够分解空气中的有害气体（如挥发性有机化合物），常用于空气净化设备中，改善室内外空气质量。
电子与光电领域：
显示技术：量子点凭借其优异的光学性能，被广泛应用于高色域、低能耗的显示屏（如 QLED 电视）中，为用户带来更清晰、更鲜艳的视觉体验。
传感器：由纳米材料（如碳纳米管、氧化锌纳米线等）制成的传感器具有极高的灵敏度和快速响应能力，在气体检测、生物监测等领域发挥着重要作用。
材料科学领域：
强化复合材料：在复合材料中加入纳米填料（如碳纳米管、纳米粘土等），可以显著提升材料的强度、韧性和耐热性，这些高性能复合材料在航空航天和汽车工业等领域有着重要应用。
纳米涂层：具有疏水和疏油特性的纳米涂层（如二氧化钛、硅烷涂层），能够实现物体表面的自清洁功能，常用于建筑玻璃、纺织品等产品，减少清洁维护的工作量。
超导材料
超导材料的定义与特性
超导材料是指在一定温度条件下，电阻会突然消失，呈现出零电阻特性的一类材料。除了零电阻外，超导材料还具有完全抗磁性（迈斯纳效应）和磁通量子化等特性。
零电阻特性：当超导材料的温度降低到其临界温度以下时，电阻会突然降为零。此时，电流在超导材料中流动时不会产生能量损耗，即使不提供电源，超导电流也可以持续存在。
完全抗磁性（迈斯纳效应）：当超导体处于超导态时，无论其内部原先是否存在磁场，它都会将磁场完全排斥到体外，使得超导体内部的磁感应强度始终为零。这一特性使得超导体在磁场中会表现出悬浮等独特现象。
磁通量子化：当超导体制成环状结构时，会出现磁通冻结现象。即在高于临界温度时施加外磁场，圆环中空部分会产生磁通。当温度降至临界温度以下，圆环进入超导态，移走外磁场后，圆环中空部分的磁通仍保持不变，由超导环表面的超导电流维持，且磁通的变化是不连续的，呈现量子化特征。
超导材料的分类
按临界转变温度分类：
低温超导材料：临界转变温度低于 25 - 30K（约 - 248℃ - - 243℃）的超导材料，如铌钛合金（NbTi）、铌锡合金（Nb Sn）等。这类材料通常需要使用液氦作为冷却剂，维持极低的工作温度（4.2K 以下），但其技术相对成熟，在一些特定领域已有广泛应用。
高温超导材料：临界转变温度高于 25 - 30K 的超导材料，例如钇钡铜氧（YBCO）、铋锶钙铜氧（BSCCO）等。虽然这里的 “高温” 与日常生活中的高温概念不同，但相比低温超导材料，高温超导材料可以在相对较高的温度下（如液氮温度 77K，约 - 196℃）实现超导态，使用液氮作为冷却剂，成本相对较低，具有更广阔的应用前景。
按材料组成分类：可分为合金超导体（如铌钛合金）、化合物超导体（如 Nb Sn、MgB 等）、元素超导体（如铌 Nb）和有机超导体（如某些基于碳元素的材料）。
超导材料的应用
电力领域：
超导输电：利用超导电缆进行电力传输，由于其零电阻特性，可有效避免电能在传输过程中的损耗，相比普通电缆能节省 40% - 80% 的能量。这对于实现高效、远距离的电力输送具有重要意义，有助于缓解能源短缺和降低能源传输成本。
超导变压器：超导变压器具有体积小、重量轻、效率高、噪音低等优点。其采用超导绕组，能够降低变压器的铜损，提高电力转换效率，减少占地面积，在城市电网等空间有限的场景中具有很大的应用潜力。
医疗领域：
核磁共振成像（MRI）：在医学检测的 MRI 技术中，需要一个强磁场环境来获取人体内部的清晰图像。由超导材料制备的超导线圈，因其零电阻特性可以通过大电流产生强大且稳定的磁场，满足 MRI 对磁场强度和均匀性的严格要求，为医生提供更准确的诊断依据，帮助患者实现更精准的疾病诊断。
磁悬浮病床：利用超导材料的完全抗磁性，可实现磁悬浮病床的设计。这种病床能够减少患者移动时的摩擦力，为患者提供更舒适的就医体验，尤其适用于重症患者的转运和特殊医疗操作。
交通运输领域：
超导磁悬浮列车：超导磁悬浮列车利用超导材料的强磁场和完全抗磁性，使列车与轨道之间产生强大的排斥力，实现列车的高速悬浮运行。相比传统轮轨列车，超导磁悬浮列车具有速度快（速度可达 500km/h 以上）、噪音低、能耗小、舒适性好等优点，有望成为未来高速交通的重要发展方向。
科学研究领域：
高能粒子对撞机、粒子加速器：在大型科研设备如高能粒子对撞机、粒子加速器中，需要强大的磁场来引导和加速粒子。超导磁体能够提供高场强、高稳定性的磁场，满足实验对磁场的严格要求，帮助科学家探索微观世界的奥秘，推动基础科学的发展。
超导量子干涉仪：超导量子干涉仪具有极高的磁场灵敏度，可用于检测极其微弱的磁场变化。在地球物理勘探、生物磁学研究、材料无损检测等领域有着重要应用，例如可以用于探测地下矿产资源、检测人体心脏和大脑的微弱磁场信号等。
电子信息领域：
超导计算机：超导计算机是未来计算机领域的重要研究方向。基于超导器件的计算机，理论上运算速度可比目前最快的硅基计算机快 100 倍以上，且能耗更低。超导计算机有望在大数据处理、人工智能、密码学等领域取得突破，为信息科技的发展带来革命性的变化。
超导通信器件：超导材料在通信领域也有应用潜力，如超导滤波器、超导天线等。超导滤波器具有极低的插入损耗和高选择性，能够有效提高通信信号的质量和传输效率，在 5G 及未来通信技术中具有广阔的应用前景。
形状记忆合金
形状记忆合金的定义与原理
形状记忆合金是一种能够 “记住” 自身原始形状的特殊合金材料。当它在较低温度下发生塑性变形后，通过加热到一定温度（相变温度）以上，材料会恢复到其预先设定的原始形状。这种独特的形状记忆效应源于合金内部微观结构在温度变化时发生的可逆马氏体相变。
在低温下，形状记忆合金处于马氏体相，此时合金具有较高的柔韧性，可以在外力作用下发生变形。当温度升高到相变温度以上时，合金发生马氏体向奥氏体的相变，原子重新排列，合金恢复到原来奥氏体相时的形状。同样，当温度再次降低时，合金又会从奥氏体相转变回马氏体相。
形状记忆合金的特性
形状记忆效应：这是形状记忆合金最显著的特性，包括单程记忆效应和双程记忆效应。单程记忆效应是指合金在低温下变形后，加热到相变温度以上只恢复到高温相的形状；双程记忆效应则是合金在温度反复升降过程中，能够自动在高温形状和低温形状之间可逆转变。
超弹性（伪弹性）：在一定温度范围内，形状记忆合金在外力作用下发生较大变形，当外力去除后，合金能迅速恢复到原来形状，这种特性类似于橡胶的弹性，但本质上是由于合金内部的马氏体相变引起的，所以称为超弹性或伪弹性。超弹性使得形状记忆合金在一些需要承受较大变形且能恢复原状的应用场景中具有独特优势。
高阻尼特性：形状记忆合金在发生相变过程中会吸收大量能量，表现出较高的阻尼特性。这使得它在振动控制、降噪等方面具有潜在应用价值，例如可以用于制造减震器、降噪装置等。
形状记忆合金的种类
常见的形状记忆合金主要有镍钛基合金、铜基合金和铁基合金等。
镍钛基合金：具有良好的形状记忆效应、超弹性和生物相容性，是目前应用最广泛的形状记忆合金。其相变温度可以通过调整镍钛的成分比例在较宽范围内变化，从低温到接近人体体温的范围都能实现形状记忆功能。镍钛基合金在航空航天、医疗器械、智能结构等领域都有重要应用。
铜基合金：包括铜锌铝合金、铜铝镍合金等。铜基形状记忆合金成本相对较低，但其形状记忆性能和耐腐蚀性一般不如镍钛基合金。不过，在一些对性能要求不是特别苛刻、成本敏感的应用场景中，铜基合金也有一定的应用，如温度控制元件、玩具等领域。
铁基合金：铁基形状记忆合金具有资源丰富、成本低等优点，近年来受到越来越多的关注。虽然其形状记忆效应和超弹性相对较弱，但通过合金化和热处理等手段，可以在一定程度上改善其性能。铁基形状记忆合金在土木工程、机械工程等领域有潜在的应用前景，例如用于建筑物的抗震加固、机械结构的自修复等。
形状记忆合金的应用
航空航天领域：
连接与密封：形状记忆合金制成的管接头和密封件在航空航天中得到广泛应用。在低温下，将管接头或密封件安装到相应位置，当温度升高到工作温度时，它们会恢复到预定形状，实现紧密连接和密封，确保航空航天器的管路系统安全可靠，避免液体或气体泄漏。
智能结构：形状记忆合金可以用于制造航空航天器的智能结构部件，如机翼的自适应变形结构。通过控制形状记忆合金的温度，使其发生形状变化，从而调整机翼的形状，优化飞机在不同飞行条件下（如起飞、巡航、降落）的气动性能，提高飞行效率和安全性。
医疗领域：
医疗器械：镍钛形状记忆合金由于其良好的生物相容性和形状记忆特性，在医疗器械领域有众多应用。例如，用于血管介入治疗的支架，在低温下可以被压缩成小尺寸，通过导管输送到血管病变部位，然后在体温作用下恢复到原来的扩张形状，撑开狭窄的血管，恢复血液流通；牙齿矫正用的正畸丝，利用形状记忆合金的超弹性，能够持续施加温和的矫正力，提高牙齿矫正的效果和患者的舒适度。
外科手术器械：形状记忆合金还可用于制造一些特殊的外科手术器械，如可自闭合的缝合针。在手术中，缝合针在低温下变形穿过组织，当温度升高到体温时，缝合针恢复原状，自动完成缝合操作，简化手术过程，减少手术创伤。
日常生活领域：
眼镜框架：许多眼镜框架采用了形状记忆合金材料，这种框架具有超弹性，在受到外力挤压或扭曲后，能够迅速恢复原状，不易损坏，同时佩戴更加舒适，提高了眼镜的耐用性和用户体验。
自动调节装置：在一些自动控制设备中，如温度控制阀门、自动晾衣架等，形状记忆合金被用作敏感元件。当环境温度发生变化时，形状记忆合金元件发生形状改变，从而触发相应的控制动作，实现设备的自动调节功能。
汽车工业领域：
发动机部件：形状记忆合金可以用于制造汽车发动机的一些部件，如气门弹簧。利用形状记忆合金的超弹性和形状记忆效应，气门弹簧能够在不同工况下保持稳定的性能，提高发动机的工作效率和可靠性，同时还可以减轻部件重量，降低能耗。
安全系统：在汽车的安全气囊触发装置中，形状记忆合金可作为传感器元件。当汽车发生碰撞时，瞬间产生的高温使形状记忆合金元件发生形状变化，触发安全气囊的充气装置，及时弹出安全气囊，保护驾乘人员的安全。
课堂练习
纳米材料的独特性质主要源于其（ ）尺度范围，具有（ ）效应、量子尺寸效应和表面效应等。
超导材料的两个重要特性是（ ）和（ ），其中（ ）特性使得超导体内部磁感应强度为零。
形状记忆合金能够 “记住” 自身原始形状是因为其内部发生了（ ）相变，常见的形状记忆合金有（ ）基合金、铜基合金和铁基合金等。
以下应用中，利用了纳米材料的是（ ），利用了超导材料的是（ ），利用了形状记忆合金的是（ ）。（填序号）
① 制造量子点显示屏 ② 超导磁悬浮列车 ③ 牙齿矫正用的正畸丝 ④ 用于净水的纳米吸附剂 ⑤ 超导输电电缆 ⑥ 航空航天中的形状记忆合金管接头
课堂总结
纳米材料因其独特的尺寸效应，在医疗、能源、环境、电子等多个领域展现出广阔的应用前景，
5
课堂检测
4
新知讲解
6
变式训练
7
中考考法
8
小结梳理
学习目录
1
复习引入
2
新知讲解
3
典例讲解
一块小小的集成电路板，有成千上万个元件，你知道这个这些元件都有什么特点吗？
观察与思考
1.纳米是一个长度单位：1nm=10-9m
2.1nm小到什么程度？(10个分子紧密排布的尺度，大约是一根头发丝的1%)
3.纳米材料除了其基本单元空间尺度小外，在力、热、声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的性能。
一、纳米材料
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。
黄金
黄金的纳米颗粒
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
土壤、水和空气的原子重新排列
电脑芯片
马铃薯
一、纳米材料
纳米颗粒材料
碳纳米管
一、纳米材料
计算机芯片中
的纳米导线
纳米超晶格
想象中的纳米机器人
一、纳米材料
半导体:介于导体和绝缘体之间的物体。
锗、硅、砷化镓等都是半导体材料。
半导体应用广泛：小到电子表、收录机、数码照相机、电视机；大到汽车、火车、飞机、宇宙飞船。
三、半导体材料
计算机的心脏——微处理器
微处理器
电子显微镜下观察到的微处理器
三、半导体材料
半导体元件
三、半导体材料
电流逆时针方向流动时，小灯泡不亮
三、半导体材料
超导现象和超导体：
当温度降低到绝对零度附近时，某些材料的电阻率突然减小到无法测量的程度，可以认为其电阻率突然变为零，这种现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质称为超导体。
三、超导体材料
超导材料是一种电阻为零的材料。
当温度降到一定时，材料的电阻变为零的特性称为超导体。
三、超导体材料
前景广大，若用来输电可节约能源和材料。
NbTi超导材料
Bi系高温超导线、带材
三、超导体材料
超导电流引线
高温超导列车
其他超导材料与超导教学仪器
三、超导体材料
超导磁悬浮列车：用超导实现交通工具的无摩擦运行。
三、超导体材料
知识点1 纳米材料
1. 下面有关纳米材料所特有的性能及应用的说法中，不正确
的是( )
D
A. 大大提高材料的强度和硬度
B. 洗衣机桶的表面涂上纳米材料可以抑制细菌的生长
C. 纳米防水材料在充满蒸汽的浴室里依然光亮
D. 纳米奶瓶不可以抗菌
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2.陶瓷刀是用纳米材料“氧化锆”加工而成的新型刀具。它可轻
易切割很多较坚硬的物品，号称是永远锋利的刀具，这说明该
刀硬度____（填“大”或“小”），但它却不能摔打、跌落，否则
将会破损、断裂，这说明该刀____（填“有”或“无”）延展性。
大
无
【点拨】硬度是指物体的软硬程度，延展性是指物体在外力
作用下能延伸成细丝或碾成薄片而不断裂的性质。
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知识点2 半导体材料
3. ［2025·辽宁模拟］某仪器厂要研制河水有害物质监测仪，
监测仪的探头部分在研制时，应选取以下哪种材料用作研制
( )
C
A. 超导体 B. 导体 C. 半导体 D. 绝缘体
【点拨】监测仪的探头部分的导电性能要根据河水有害物质
的变化而变化，因此导电性能介于导体与绝缘体之间，故C
符合题意。
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4. 如图为北京冬奥会开幕式上的大雪花。
它由96块小雪花形态和6块橄榄枝形态的
双面屏创意组成，采用双面镂空设计，
B
A. 超导材料 B. 半导体 C. 导体 D. 绝缘体
【点拨】 灯的核心材料是硅等半导体材料，工作时发热
量很小，发光效率很高，故B符合题意。
嵌有55万余颗灯珠。制作 灯的核心材料是( )
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知识点3 超导材料
5. ［2024·广西］关于超导材料，下列说法正确的是( )
D
A. 是绝缘体材料
B. 是半导体材料
C. 常温常压下电阻为零
D. 用来输电可减少电能损耗
【点拨】现今超导材料需要在很低的温度才能实现超导，超
导材料是一种电阻为零的材料，不是绝缘体，也不是半导体，
故 错误。
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6.石墨烯具有优异的光、电、力等特性，在诸多方面具有重
要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。这种材料
在一定条件下电阻可以降为零，因此可用于制作__________
（填“绝缘体”“半导体”或“超导材料”）。这一特点可以在生
活中应用于____________（填“电饭煲发热丝”“电动机线圈”
或“白炽灯的灯丝”）。
超导材料
电动机线圈
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7.手机、智能家用电器、军事领域等都离不开芯片，芯片核
心主要是由________材料制成的；科学家发现，铝在
以下时，电阻变成了零，这就是______现象。
半导体
超导
8. 如图为正在发光的二极管，它由
________（填“超导”或“半导体”）材料制成，具
有______（填“单向”或“双向”）导电性；图中发
光二极管负极靠近电源的____极。
半导体
单向
负
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9. 材料的发展为科学技术的发展提供了物质
基础，我国优秀青年科学家曹原研究发现：当两层石墨烯以
一个“魔角”叠加在一起时，再加入一定数量的电子，石墨烯
的电阻突然变为0。此现象中石墨烯是__________；火星车
使用了一种由纳米尺度的固体骨架构成的三维立体网络新型
材料，能在“极热”和“极寒”两种严酷环境下，保证火星车正
常工作，不受环境温度影响，这种材料是一种__________
（填“超导材料”“半导体材料”或“纳米材料”）。
超导材料
纳米材料
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点击新材料
纳米材料
半导体材料
超导材料
特点
应用
特点
应用
特点
应用
课堂小结
谢谢观看！