21.3跨学科_材料的利用与开发--2025-2026学年沪科2024版物理九年级全册教学同步课件（26页PPT）

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
沪科版2024版物理九年级全册
跨学科_材料的利用与开发 教案
一、教学目标
（一）知识与技能目标
学生能够综合化学、物理、材料科学等多学科知识，阐述常见材料（金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料）的组成、结构、性能特点及制备方法。
理解材料在建筑、交通、电子、医疗等领域的应用原理，掌握材料选择与设计的基本原则，能够根据实际需求初步筛选合适的材料。
了解材料开发过程中的前沿技术与研究方向，如纳米材料制备、智能材料设计等，并能分析其对社会发展和科技进步的潜在影响。
（二）过程与方法目标
通过跨学科案例分析、小组合作探究、实验操作与实地调研，培养学生整合多学科知识解决实际材料问题的能力。
引导学生运用科学研究方法，对材料的性能、应用及开发进行系统分析，提高学生的观察能力、实验能力、数据处理能力和创新思维能力。
（三）情感态度与价值观目标
激发学生对材料科学的探索兴趣，让学生体会跨学科知识融合在材料领域的重要性和应用价值，培养学生的科学精神和创新意识。
增强学生的环保意识和可持续发展观念，认识到材料的合理利用与开发对人类社会和生态环境的深远影响，树立正确的材料观和价值观。
二、教学重难点
（一）教学重点
不同类型材料的性能特点、制备方法及其在各领域的应用。
材料选择与设计的基本原则及方法，以及材料开发中的前沿技术与应用前景。
（二）教学难点
综合多学科知识深入理解材料的微观结构与宏观性能之间的关系，以及材料在复杂应用环境中的行为机制。
引导学生从跨学科和可持续发展的角度，提出创新性的材料应用方案和开发思路。
三、教学方法
案例分析法、小组合作探究法、实验演示法、实地调研法、讲授法
四、教学过程
（一）情境导入（5 分钟）
展示一系列现代科技产品和建筑的图片，如智能手机、高铁列车、摩天大楼、航空航天器等，同时播放一段关于材料在不同领域应用的视频，视频中呈现材料从原始状态到加工成型，再到最终应用的过程。
提问引导：“同学们，在我们眼前这些令人惊叹的科技成果和宏伟建筑背后，都离不开材料的支撑。从智能手机轻薄坚固的外壳，到高铁高速运行所需的高性能合金轨道，再到航空航天器能够在极端环境下工作的特种材料，材料的性能和应用不断推动着人类社会的进步。那么，这些神奇的材料究竟是如何被开发出来的？它们在不同领域又是怎样发挥作用的呢？今天，就让我们从跨学科的视角深入探索材料的利用与开发。”
（二）新课讲授
1. 材料的分类与性能特点（10 分钟）
理论讲解：
从化学学科角度，介绍材料的分类方式，将材料分为金属材料（如钢铁、铝合金等）、无机非金属材料（如陶瓷、玻璃、水泥等）、有机高分子材料（如塑料、橡胶、纤维等）和复合材料（由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法复合而成，如碳纤维复合材料）。讲解各类材料的化学组成特点，例如金属材料由金属元素组成，具有金属键；无机非金属材料多由金属与非金属元素通过离子键或共价键结合而成；有机高分子材料则是由大量有机小分子通过聚合反应形成的高分子化合物。
结合物理学科知识，阐述不同类型材料的性能特点，如金属材料具有良好的导电性、导热性、延展性和较高的强度；无机非金属材料一般具有较高的硬度、耐高温、耐腐蚀等特性，但脆性较大；有机高分子材料具有质轻、绝缘性好、可塑性强等优点，但强度相对较低；复合材料则综合了各组成材料的优点，具有优异的综合性能。
互动活动：
组织学生进行材料性能分类小游戏，准备一些常见材料的样品（如铁片、陶瓷片、塑料片、碳纤维布等）和写有不同性能描述（如导电性好、硬度高、质轻、延展性强等）的卡片，让学生将材料样品与对应的性能卡片进行匹配，并说明理由。教师在一旁进行指导和点评，加深学生对材料性能特点的理解。
2. 常见材料的制备方法与应用（20 分钟）
金属材料：
制备方法：从化学和物理过程讲解金属材料的制备，如钢铁的冶炼，涉及铁矿石的还原（化学反应）、高炉炼铁的工艺流程（物理过程）；铝合金的制备则包括铝土矿的提取、电解铝工艺以及合金化过程，强调在制备过程中如何通过控制温度、压力、成分等条件来获得具有特定性能的金属材料。
应用领域：展示金属材料在建筑（如钢结构建筑）、交通（汽车车身、船舶制造）、机械制造（各种机械零件）等领域的应用案例，分析金属材料在这些应用中所发挥的性能优势，如钢铁的高强度和良好的加工性能使其成为建筑和机械制造的理想材料，铝合金的轻质和耐腐蚀特性在航空航天和汽车工业中得到广泛应用。
无机非金属材料：
制备方法：以陶瓷为例，介绍其制备过程包括原料的选取与加工（如黏土的淘洗、配料）、成型（可采用注浆成型、压制成型等物理方法）、烧结（高温化学反应使材料致密化）等环节；玻璃的制备则是将各种原料（如石英砂、纯碱、石灰石等）在高温下熔融、澄清、成型和退火。讲解在制备过程中，原料的配方和工艺条件对无机非金属材料性能的影响。
应用领域：展示无机非金属材料在建筑（玻璃幕墙、陶瓷地砖）、电子（集成电路基板、光导纤维）、能源（太阳能电池板的基板材料）等领域的应用实例，分析其应用原理，如光导纤维利用了玻璃的良好透光性和低损耗特性实现光信号的远距离传输；陶瓷材料因其耐高温、绝缘性好等特点在电子元件封装和高温炉窑内衬等方面有重要应用。
有机高分子材料：
制备方法：从化学聚合反应的角度讲解有机高分子材料的制备，如加成聚合反应（以聚乙烯的制备为例，乙烯分子在引发剂作用下发生加成反应形成高分子链）和缩合聚合反应（如聚酯纤维的制备，通过二元醇和二元酸的缩聚反应生成聚酯高分子）。介绍聚合反应条件（温度、压力、催化剂等）对高分子材料分子量、分子结构和性能的影响。
应用领域：展示有机高分子材料在日常生活（塑料制品、橡胶轮胎、纤维织物）、医疗（医用塑料器械、人工器官材料）、包装（塑料包装膜、泡沫塑料）等领域的广泛应用，分析其性能优势在应用中的体现，如塑料的可塑性强、成本低，使其成为包装和日用品制造的常用材料；橡胶的高弹性使其在轮胎制造中不可或缺；医用高分子材料需具备良好的生物相容性和稳定性，以满足医疗应用的特殊要求。
复合材料：
制备方法：讲解复合材料的制备是将不同的组成材料通过特定的工艺复合在一起，如碳纤维复合材料的制备，需要将碳纤维与树脂基体通过浸渍、模压等工艺复合成型，强调在复合过程中如何实现各组成材料之间的良好界面结合，以充分发挥复合材料的综合性能。
应用领域：展示复合材料在航空航天（飞机机翼、火箭外壳）、体育用品（高尔夫球杆、自行车车架）等领域的应用案例，分析其在这些高端领域应用的原因，如碳纤维复合材料具有高强度、低密度的特点，能够显著减轻航空航天器和体育用品的重量，同时提高其性能和可靠性。
3. 材料选择与设计的基本原则（10 分钟）
理论讲解：
从工程学和材料科学的角度，介绍材料选择的基本原则，包括性能原则（根据具体应用对材料的力学性能、物理性能、化学性能等要求来选择材料，如制造桥梁需要材料具有高的强度和良好的韧性；制造食品包装材料需要材料具有良好的阻隔性和化学稳定性）、成本原则（在满足性能要求的前提下，选择成本较低的材料，以降低产品成本，提高经济效益）、加工性能原则（考虑材料是否易于加工成型，如某些材料虽然性能优异，但加工难度大、成本高，可能不适合大规模生产应用）和环境友好原则（优先选择对环境影响小、可回收利用的材料，以实现可持续发展，如可降解塑料的开发与应用）。
讲解材料设计的基本思路，即根据所需的材料性能，通过调整材料的组成、结构和制备工艺来实现目标性能。例如，通过合金化来改变金属材料的组织结构，从而提高其强度和耐腐蚀性；通过对高分子材料进行改性（如添加增塑剂、增强剂等）来改善其性能。
案例分析：
给出一个具体的产品设计案例，如设计一款新型的户外登山背包的框架材料。引导学生从上述材料选择与设计的原则出发，分析可能适用的材料类型（如铝合金、碳纤维复合材料等），并比较不同材料在性能、成本、加工和环境友好性等方面的优缺点，最终确定较为合适的材料，并说明选择理由。通过案例分析，让学生初步掌握材料选择与设计的方法和流程。
4. 材料开发的前沿技术与研究方向（10 分钟）
理论介绍：
介绍材料开发中的一些前沿技术与研究方向，如纳米材料技术，讲解纳米材料由于其特殊的尺寸效应和表面效应，具有许多独特的性能（如纳米颗粒的小尺寸使其具有高的比表面积和量子尺寸效应，导致纳米材料在催化、光学、电学等方面表现出与常规材料不同的性能），以及纳米材料的制备方法（如物理气相沉积法、化学沉淀法、溶胶 - 凝胶法等）和应用前景（在电子器件、生物医学、环境保护等领域的潜在应用，如纳米传感器用于疾病诊断、纳米催化剂用于汽车尾气净化）。
讲解智能材料的概念和特点，智能材料能够感知外界环境或内部状态的变化，并自动做出响应，调整自身性能，如形状记忆合金在温度变化时能够恢复到预先设定的形状，可用于航空航天领域的自修复结构和医疗器械中的智能支架；压电材料在受到压力作用时会产生电信号，反之在电场作用下会发生形变，可用于传感器和驱动器。介绍智能材料的研究热点和发展趋势。
提及材料基因组计划，强调通过整合计算材料学、实验高通量技术和数据库等多学科手段，加速新材料的研发进程，缩短研发周期，降低研发成本，提高研发效率。
小组讨论：
将学生分成小组，讨论前沿材料技术对未来社会发展可能产生的影响，如纳米材料和智能材料在改善人类生活质量、推动科技进步方面的潜在作用，以及材料基因组计划对材料研发模式和产业发展的变革意义。每个小组派代表发言，分享讨论成果，教师进行总结和点评，拓展学生的视野，激发学生对材料科学前沿研究的兴趣。
（三）课堂小结（5 分钟）
与学生一起回顾本节课所学内容，梳理材料利用与开发的跨学科知识要点：材料的分类与性能特点、常见材料的制备方法与应用、材料选择与设计的基本原则、材料开发的前沿技术与研究方向。
强调材料科学是一门综合性的学科，跨学科知识的融合在材料的发展中起着至关重要的作用，鼓励学生在今后的学习和生活中关注材料科学的发展动态，积极运用所学知识解决实际问题。
（四）课堂练习（5 分钟）
下列材料中，属于有机高分子材料的是（ ）
A. 钢铁
B. 陶瓷
C. 塑料
D. 碳纤维复合材料
制造飞机机身通常选用铝合金材料，主要是因为铝合金具有（ ）的特点。
A. 导电性好
B. 硬度高
C. 密度小且强度高
D. 耐高温
请从性能、成本和环境友好性等方面，分析在建筑外墙保温材料的选择中，聚苯板（一种有机高分子泡沫材料）和岩棉板（一种无机纤维材料）各自的优缺点。
（五）布置作业
选择一种日常生活中常见的产品（如手机、自行车、水杯等），分析其主要使用的材料类型，并从材料选择与设计的原则出发，探讨是否有更合适的材料可以替代现有材料，撰写一篇 500 字以上的分析报告。
查阅资料，了解一种感兴趣的前沿材料技术（如 3D 打印材料、量子材料等），制作一份手抄报，介绍该技术的基本原理、研究现状和应用前景，下节课在班级内进行展示和交流。
完成教材课后相关练习题，巩固本节课所学知识。
五、教学资源
多媒体课件：包含材料分类图表、各种材料制备过程的动画演示、材料在不同领域应用的图片和视频、前沿材料技术的介绍资料等。
实验器材：准备一些常见材料的样品（如金属片、陶瓷片、塑料颗粒、纤维丝、复合材料小块等）、简单的材料性能测试设备（如硬度计、拉伸试验机模型、电导率测试仪等，用于演示材料性能测试方法）、材料制备实验装置的模型（如高炉炼铁模型、塑料注塑成型模型等，帮助学生理解制备工艺）。
相关书籍、学术论文、科普视频等资料，供学生课后查阅和拓展学习。
实地调研联系当地的材料生产企业、材料研究所或科技馆等，获取实践资源，如有条件可组织学生进行实地参观调研。
六、教学反思
在跨学科教学过程中，学生对于多学科知识融合理解材料相关内容表现出较高积极性，但在分析复杂材料问题，如材料微观结构与性能关系以及前沿技术原理时，部分学生存在理解困难。后续教学中，应加强对复杂知识点的直观演示和案例引导，增加学生实验操作与实践活动机会，进一步提升学生跨学科综合运用知识的能力，优化教学效果。
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
情境导入
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。
知识点1 人类早期对材料的利用
1. 下列事物出现的先后顺序排列正确的是( )
A
A. 石器、金属铜、青铜器、铁
B. 石器、青铜器、金属铜、铁
C. 青铜器、石器、金属铜、铁
D. 青铜器、铁、石器、金属铜
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知识点2 导电性材料的利用与开发
2. 如图为盒装铅笔芯，在图
中的铅笔芯、软塑料盒盖、硬塑料盒、盒身上
铝箔商标，四部分中属于导体的是( )
D
A. 铅笔芯、软塑料盒盖 B. 硬塑料盒、铝箔商标
C. 软塑料盒盖、硬塑料盒 D. 铅笔芯、铝箔商标
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3. 在如图所示的实验中，闭合开关，用酒精灯将玻
璃加热到一定程度后，观察到电灯亮了，则下列说法正确的
是( )
D
A. 常温下玻璃是导体
B. 火焰将电路直接连通
C. 玻璃加热后灯的电阻变小
D. 此实验能说明绝缘体可以转化为导体
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4.［2025·郑州郑东新区期中］N95 口罩的中间层为多孔结构
的熔喷布，熔喷布能过滤比自身空隙小得多、直径仅为
0.3?μm 的颗粒物，原因是：在生产过程中通过处理，使熔喷
布得到大量电子而带电，具有吸引轻小物体的作用。由于熔
喷布有很好的________（填“导电性”或“绝缘性”），所以能
长时间保留静电。
?
绝缘性
【点拨】在生产过程中，使熔喷布得到大量电子而带负电，
具有吸引轻小物体的作用。由于熔喷布有很好的绝缘性，不
容易导电，所以能长时间保留静电。
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5. 如图，将苹
果、发光二极管接入电路，闭合
开关后发光二极管发光。
（1）发光二极管由________
半导体
化学
电
电
光
（填“导体”“绝缘体”或“半导体”）材料制成，当苹果电池工
作时，把______能转化为____能，发光二极管工作时，把
____能转化为____能。
（2）在图的“（ ）”中标出整个水果电池两端的正极和负极。
【解】如图所示。
（3）将图中发光二极管两脚对调后再接入电路，开关闭合
后发现发光二极管______（填“亮”或“不亮”），这现象说明：
发光二极管具有__________性，可以用来判断电流的方向。
不亮
单向导电
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知识点3 开发新材料
6. 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】超导材料是在一定温度下电阻为零的材料，而半导
体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，它们没有联系，
ABC 错误；用超导体做输电导线，可以减少由电能到内能的
损耗，提高传输效率，D正确。故选D。
?
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7. 气凝胶是一种具有纳米级多孔结构的固态材料，具有高效
吸音效果，对油渍有超快、超高的吸附能力。这种新材料的
密度仅为3?mg/cm3 ，它看似脆弱不堪，其实非常坚固，能承
受1?400?℃ 的高温，且具有隔热性好、绝缘能力强等特点。
这种材料不适合用来制造( )
?
C
A. 用电器绝缘外壳 B. 厨房吸污“毛巾”
C. 打桩用的重锤 D. 会场吸音板
【点拨】打桩用的重锤需要密度较大的材料，这种材料的密
度小，不能用来制作重锤。
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8.假如有一天，科学家研制出室温下的超导材料，下面用电
器的效率可以大大提高的是___，理由：_________________
_____________________________________________。
A.白炽灯B.电风扇C.电水壶D.电饭锅
B
超导体的电阻为零，用超导材料制作电动机的线圈可以减少电能损耗
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