21.3跨学科_材料的利用与开发（课件23页）2025-2026学年九年级物理全册沪科版（2024）

(共23张PPT)
幻灯片 1：封面
标题：21.3 跨学科：材料的利用与开发
副标题：支撑科技进步的物质基础
姓名：[你的名字]
日期：[具体日期]
幻灯片 2：课程导入
知识关联：在前两节课中，我们了解到能源的开发与利用离不开材料科学的支撑，从光伏电池的半导体材料到储能电池的电极材料，材料的性能直接影响技术的突破。材料作为一切科技发展的物质基础，其利用与开发同样是多学科交叉的成果。
跨学科视角：材料的研发需要物理学探索微观结构与性能的关系，化学提供合成方法，工程学实现规模化制备，而不同领域的需求又驱动着新型材料的诞生。材料科学如何与其他学科协同创新？又有哪些典型成果？
学习目标：本节课我们将从跨学科角度探索材料的分类与特性，分析多学科在材料研发中的作用，了解材料在能源、信息技术、环境等领域的应用及未来发展趋势。
幻灯片 3：材料科学的跨学科基础
物理学的微观解析：物理学研究材料的原子结构、晶体缺陷、电子运动等微观机制，揭示材料性能（如导电性、强度、光学特性）的本质规律。例如，通过能带理论解释半导体材料的导电特性，为芯片和光伏技术提供理论支撑。
化学的合成与改性：化学通过设计合成路线制备新型材料，如有机合成制备高分子材料，无机合成制备陶瓷材料；通过掺杂、表面改性等手段优化材料性能，如在金属中添加合金元素提高强度和耐腐蚀性。
工程学的制备与应用：材料工程将实验室合成的材料转化为工业化产品，开发粉末冶金、薄膜沉积、3D 打印等制备技术，解决材料成型、加工、性能调控等工程问题，实现材料的规模化应用。
生命科学的仿生启示：借鉴生物材料的结构与功能（如蜘蛛丝的高强度、荷叶的超疏水表面），开发仿生材料，如仿生医用敷料、自清洁材料，拓展材料的应用领域。
幻灯片 4：能源材料 —— 跨学科研发的核心领域
光伏材料：
物理学与材料科学：研究硅基、钙钛矿等材料的光电转换机制，通过调控晶体结构和缺陷浓度提高光吸收效率和稳定性。
化学工程：开发低成本的材料合成工艺，如溶液印刷制备钙钛矿薄膜，降低光伏电池的生产成本。
机械工程：设计光伏组件的封装材料和结构，提高其抗风沙、耐老化性能，适应不同气候环境。
储能材料：
电化学与材料科学：研发高容量电极材料（如锂离子电池的硅基负极、钠离子电池的普鲁士蓝类似物）、固态电解质材料，提升电池能量密度和安全性。
物理学与热工程：开发相变储能材料（如石蜡、盐类），通过调控相变温度和潜热，实现热能的高效存储与释放。
纳米技术：利用纳米材料的大比表面积和量子效应，提高电极材料的反应活性和离子传输速率。
幻灯片 5：信息材料 —— 支撑信息技术革命
半导体材料：
固体物理与材料科学：研究硅、锗、碳化硅等半导体材料的电学特性，通过掺杂形成 P 型或 N 型半导体，为晶体管、芯片的制造奠定基础。
微电子工程：开发光刻胶、靶材等辅助材料，结合精密加工技术，实现半导体器件的微小型化和高集成度。
化学与表面科学：通过原子层沉积（ALD）等技术制备超薄绝缘层和导电层，控制材料界面特性，提高器件性能。
光通信材料：
光学与材料科学：研发高纯度石英光纤、稀土掺杂光纤放大器材料，降低光信号传输损耗，实现长距离通信。
化学工程：合成高性能激光材料（如蓝宝石、光纤激光器增益介质），优化光发射效率和稳定性。
幻灯片 6：结构材料与功能材料的创新应用
高性能结构材料：
材料力学与工程学：开发高强度合金（如钛合金、铝合金）、复合材料（如碳纤维增强树脂基复合材料），用于航空航天、高铁等领域，减轻结构重量并提高承载能力。
腐蚀科学与化学：研发耐蚀涂层材料（如锌铝合金涂层、陶瓷涂层）和缓蚀剂，延长金属结构的使用寿命，减少维护成本。
仿生学与材料科学：模仿贝壳珍珠层的层状结构，设计仿生复合材料，实现强度与韧性的协同提升。
智能功能材料：
化学与材料科学：合成形状记忆合金（如镍钛合金）、温致变色材料、压电材料，实现材料性能对环境刺激的响应。
自动化与电子工程：将智能材料与传感器、执行器结合，开发智能驱动装置、自修复材料系统，应用于机器人、医疗器械等领域。
幻灯片 7：环境友好材料 —— 跨学科的绿色追求
降解材料：
高分子化学与生物学：研发可生物降解塑料（如聚乳酸 PLA、聚己二酸丁二酯 - 对苯二甲酸酯 PBAT），通过微生物作用实现材料的自然降解，减少白色污染。
农业科学与材料工程：利用秸秆、淀粉等天然生物质原料制备复合材料，实现农业废弃物的资源化利用。
污染治理材料：
环境化学与材料科学：开发吸附材料（如活性炭、金属有机框架 MOFs）、光催化材料（如二氧化钛、铋系化合物），去除水和空气中的污染物。
化学工程：设计高效的催化剂载体材料和固定化技术，提高催化反应效率和催化剂的循环使用性能。
幻灯片 8：生物医用材料 —— 多学科呵护生命健康
组织工程材料：
生物化学与材料科学：研发可降解支架材料（如聚羟基脂肪酸酯 PHA、胶原蛋白），为细胞生长提供支撑，促进组织修复与再生。
医学与工程学：结合 3D 生物打印技术，定制化制备仿生骨支架、皮肤修复材料，实现精准医疗。
表面科学：对材料表面进行改性（如接枝生物活性分子），提高材料的生物相容性，减少免疫排斥反应。
诊断与治疗材料：
纳米技术与医学：开发量子点荧光探针、磁性纳米颗粒等造影剂，提高疾病诊断的灵敏度和准确性。
药物化学与材料科学：设计靶向药物载体材料（如脂质体、纳米胶囊），实现药物的可控释放和精准递送。
幻灯片 9：材料研发的挑战与跨学科解决方案
挑战 1：性能与成本的平衡：
解决方案：材料科学与经济学合作评估材料性价比，化学工程开发低成本合成工艺，物理学探索替代材料的性能优化途径，如用钙钛矿替代硅基材料降低光伏成本。
挑战 2：可持续与环境友好：
解决方案：环境科学评估材料全生命周期的环境影响，化学研发绿色合成路线（如无溶剂合成、生物合成），循环工程开发材料回收与再利用技术。
挑战 3：功能集成与多功能化：
解决方案：跨学科设计复合材料体系，如将储能、传感、驱动功能集成到单一材料中，物理学与工程学协同优化材料的界面性能和功能耦合机制。
幻灯片 10：未来材料发展趋势 —— 跨学科引领的前沿方向
智能响应材料：融合材料科学、信息技术和人工智能，开发能感知环境变化并自主调节性能的材料，如自适应光学材料、自修复电子皮肤。
量子功能材料：基于量子力学原理，研发量子点、拓扑绝缘体等材料，应用于量子计算、量子通信，推动信息技术进入量子时代。
原子级制造材料：借助原子层沉积、分子束外延等技术，实现材料的原子级精准制备与组装，调控材料性能至理论极限。
可持续生物基材料：通过生物学、化学和农业科学的协同，开发完全可降解、可再生的生物基材料，替代传统化石基材料，实现 “从摇篮到摇篮” 的循环经济。
幻灯片 11：课堂练习
填空题：
材料科学的跨学科基础包括_____对微观机制的解析、_____的合成改性、_____的制备应用以及_____的仿生启示。
光伏材料的研发中，_____研究光电转换机制，_____开发低成本合成工艺，_____设计组件结构以适应环境。
生物医用材料需具备良好的_____，通过_____技术可实现定制化支架材料的制备。
简答题：
举例说明材料科学与物理学、化学在能源材料研发中的协同作用。
为什么说环境友好材料的开发需要多学科的参与？结合具体材料分析。
幻灯片 12：课堂小结
知识梳理：本节课从跨学科角度探讨了材料科学的基础，分析了能源材料、信息材料、结构与功能材料、环境友好材料、生物医用材料的研发与应用，总结了材料研发的挑战及跨学科解决方案，展望了未来发展趋势。
核心要点：材料的利用与开发是物理学、化学、工程学、生命科学等多学科协同的结果；跨学科创新推动材料性能不断优化，从单一功能向多功能集成发展，为能源、信息、环境、医疗等领域提供关键支撑，助力可持续发展。
幻灯片 13：课后作业
选择一种你熟悉的材料（如手机屏幕材料、口罩过滤材料），分析其特性、研发涉及的主要学科及在生活中的应用，撰写一篇 200 字左右的报告。
查阅资料，了解某一种新型材料（如石墨烯、钙钛矿）的最新研究进展，说明跨学科技术在其中的推动作用。
结合生活需求，提出一种你希望开发的新型材料，描述其功能、可能涉及的学科及潜在应用场景。
幻灯片 14：结束页
总结语：材料是支撑人类文明进步的基石，从石器时代到铁器时代，再到如今的新材料时代，每一次材料的突破都伴随着科技的飞跃。材料的利用与开发离不开跨学科的融合创新，各学科从不同维度推动材料性能的提升和应用的拓展。
创新展望：希望同学们能认识到材料科学的重要性和跨学科学习的价值，未来在材料领域或其他科技领域中，勇于探索、跨界融合，开发出更多高性能、绿色化的新材料，为科技进步和人类福祉贡献力量！
2024沪科版物理九年级全册
21.3跨学科_材料的利用与开发
第二十一章 能源、材料与社会
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
材料可以给我们的生产和日常生活带来很多方便，大大提高我们生活的质量。
探索新知
一 超导材料
什么是超导现象？
什么是超导材料？
材料温度降低到一定时，电阻降低到几乎为零的现象叫超导现象，发生超导现象的材料叫超导材料。
超导磁浮现象
超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。
利用超导体做输电线实现远距离输电有什么好处？
可以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。
利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体制成的超导发电机，可以将发电机的磁场强度提高到5—6万高斯，而且几乎没有能量损失，与常规发电机相比，超导发电机的单机容量提高5—10倍，发电效率提高50%；
超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户，超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。
迈斯纳和奥林菲尔德发现的超导磁浮现象有什么重大意义？
用超导体可以实现交通工具的无摩擦运行，大大提高交通工具的运行速度。
超导输电线路
超导计算机
重难点点拨
超导材料是一种电阻为零的材料。
(1)超导现象：一些材料，当温度降到某一值时，电阻变为零的现象。
(2)超导体：能够发生超导现象的物质。
二 纳米材料
什么是纳米材料？
纳米材料有哪些特殊性能？
合成材料的基本单元大小限制在1—100nm范围内的材料是纳米材料，其基本单元的尺度小，可以大大提高材料的强度和硬度，降低烧结温度，提高材料的磁性等。
取向碳纳米管材料
纳米机器人
纳米导线
要点归纳
(1)“纳米”是长度单位，1nm = 10-9m。
(2)纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在 1~100nm范围的材料。
(3)特性：特殊的力学性质、热学性质、光学性质和磁学性质等。
(4)应用：大大提高材料的强度、硬度，降低烧结温度，提高材料的磁性等。
2. (新情境题)合肥市在车站、步行街等地投放了神奇的太阳能智能充电椅，椅子上有一块太阳能面板，它不仅能用来给手机充电，还能灭蚊。太阳能充电椅的电池板储存能量，其转化是(　　)
A．太阳能转化为电能
B．太阳能转化为内能
C．电能转化为太阳能
D．太阳能转化为化学能
A
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3．[2025年1月安庆期末改编]如图所示的是无线蓝牙耳机及其收纳盒，耳机没电时，可以将单只或一对耳机放入收纳盒中进行充电，此时耳机中的蓄电池相当于电路中的________，将电能转化为________能。使用耳机时，耳机中的电池将________能转化成________能。
用电器
化学
化学
电
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4. (跨学科·地理)我国存在能源与经济相分离的问题，资源富集区经济相对落后，而经济发达地区则能源储量不足，为此国家规划建设特高压(交流电压在1 000千伏、直流±800千伏及以上)输电网。远距离输电采用特高压输电，这是为了(　　)
A．减少输电线上的能量损失 B．节省输电线材料
C．满足用电器对电压的要求 D．增大输电线上的电流
A
知识点2
高压输电
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5．如图所示的为远距离输电示意图。
(1)图片a处应填入的内容是________。从发电厂发出电到进入家庭，变压器使电压的大小经过了________次改变，最终直接进入家庭的电压为________V。
(2)在甲、乙两地之间架设两条输电线，若输送的电功率保持不变，输送的电压由110 kV提高到220 kV，则输电线的电流大小将______，输电线上损耗的电功率将________。(均填“增大”或“减小”)
升压
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220
减小
减小
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6．[2024·长沙中考]下列做法符合安全用电要求的是(　　)
A．在高压线下钓鱼
B．有人触电时立即切断电源
C．用湿抹布擦拭发光的灯泡
D．使用绝缘皮破损的插头
B
知识点3
高压触电及其防护
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7．高压输电线都架得很高，目的是防止__________触电；如果高压线断了，落在地上，那么不要靠近，更不能用手去捡，应该派人看守，并赶快找电工处理，这是为了防止__________触电。(均填“高压电弧”或“跨步电压”)
(补充设问)防止触电的措施是避免接触低压带电体和靠近__________________。
高压电弧
跨步电压
高压带电体
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8．[2025年1月合肥期末]在用橙子做水果电池时，用导线将电压表的两个接线柱分别连在铜片和铁片上，观察到电压表指针发生了偏转，如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．用电压表测量电压，该水果电池电压为3 V
B．水果电池将化学能转化为电能
C．该水果电池的铁片是正极
D．为获得更高电压，可以将多个水果电池并联
B
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9．电能的生产、输送和利用，极大地促进了经济社会发展和人类文明的进步。如图所示的为远距离输电示意图，I为输电电流，r为输电线总电阻，U为用户端的电压，则因输电线发热而损耗的电能为(t为通电时间)(　　)
A．I2rt B.
C．UIt D．UIt＋I2rt
A
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10．如图所示，变压器上经常贴有“禁止靠近”标语，原因是高压带电体周围可能发生______________触电。
高压电弧
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谢谢观看！