21.3跨学科：材料的利用与开发 导学案--沪科版新版9全册物理

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【学习目标】
1.能结合实例了解一些新材料的特点及其应用，了解半导体、超导体、纳米材料等的主要特点；
2.能体会新材料技术的研发与应用对社会发展的影响；
3.能感受到超导、纳米等新材料的神奇，能体会科技发展无止境，人类的探索将不断深入。
重点：1.材料的导电性能分类及其实际应用。
2.半导体二极管的单向导电特性与实验探究。
难点：1.理解超导材料零电阻与磁悬浮现象背后的物理机制。
2.从微观尺度理解纳米材料特殊性能的成因及其跨学科价值。
【自主学习】
1.材料按来源可分为______和______，天然材料的实例有______，人造材料的实例有______；
2.根据材料的导电性能，材料可分为________、________及________三大类。
3. 材料的导电性能是由材料_________的运动状况决定的，金、银、铜、铁和铝等金属材料是导电性能较好的_______，如_____、______等常被用来制成传导电流的导线。
4. 绝缘体的电阻______，电流几乎不能通过，因此，类似_______那样的绝缘体常常被用来隔离带电物体
5.半导体的导电性能介于______和______之间，常见的半导体材料有______，可制成______等元件；
6.超导材料在______下电阻为零，具有______等特性，应用前景包括超导输电、磁浮列车等；
7.纳米材料的基本单元尺度在______范围内，在力、热、电、磁等方面表现出特殊性能，可用于______等领域；
8.半导体二极管具有______（单向导电）特性，即电流只能从______（正极）流向______（负极），反向则无法导通。
【合作探究】
1.天然材料和人造材料
（1）天然材料：把__________自自然界的材料称为天然材料，如木材、棉花和陶土等；
(2)人造材料:由__________的材料称为人造材料，如塑料与合金等。
塑料树脂 合金
2.石器时代、青铜时代和钢铁材料时代
（1）石器时代
100多万年前，原始人把不同性能的天然材料制成_____或生活用品。
原始人制造的工具
（2）青铜时代
三星堆的文物
三星堆遗址出土的青铜面具，距今已有3000余年的历史，通过在冶炼铜时加入少量的___，人们获得了比纯铜更坚硬、密度更小、强度更高的_____。
（3）钢铁材料时代
铁的利用为人类大规模制造机器提供了材料基础，开创了人类历史的又一个新纪元。以铁为主发展出的高性能_________，如今已经成为材料家族的主体。
1.根据材料的导电性能，材料可分为_______、_______及_______三大类。
导线 半导体芯片 橡胶
2.（1）导体：________的材料，内部存在大量可___________的电荷。
金属中的自由电子 电解质溶液中的离子
金、银、铜、铁和铝等金属材料以及酸/碱/盐的水溶液。都是导电性能较好的导体，如铜、铝等常被用来制成传导电流的导线。
铜线 铝线
（2）绝缘体：不容易导电的材料，内部_________可自由移动的电荷，电流难以通过，绝缘体常常被用来隔离带电物体。常见的绝缘体_______、_______、塑料、干燥的木材。
电缆内部的导线与绝缘材料
注意：导体与绝缘体并没有绝对界限，绝缘体在一定条件下可以变成导体。
（3）半导体材料：导电性能介于_______和_______之间的材料，例如：_______、_______、_______等。
半导体材料可制成二极管、三极管等半导体元件和集成电路。
常用电器中的半导体元件
在收音机、录音机、电视机、计算机等常用电器的内部，都可找到大量的半导体元件。
半导体元件具有许多独特的功能。半导体二极管具有_______，即仅允许电流由一个方向通过元件。半导体三极管可用来放大_________电信号。
迷你实验室
3.探究半导体二极管的单向导电特性
（1）实验器材：电源、灯泡、开关、导线、接线板、 接线柱、半导体二极管。
二极管有两个引脚，长脚为正极，短脚为负极。
符号:
（2）实验步骤
①正向连接电路 ： 按照电池正极→开关→二极管正极→二极管负极→小灯泡→电池
负极的顺序连接电路。
②闭合开关，观察小灯泡的发光情况。
③反向连接电路 ：保持其他器材连接不变，调换二极管的两个引脚。
④闭合开关，观察小灯泡的发光情况。
视频：探究半导体二极管的单向导电特性
（3）实验现象以及实验结论
开关闭合后二极管发光 开关闭合后二极管不发光
实验结论：___________________________________________
1.超导体材料
1911年，______在研究汞电阻随温度的变化时，观察到在温度降低到 4.2K（-268.8℃）时汞的电阻值突然降低到________，从而发现超导现象。
汞电阻随温度变化的图像
（1）超导现象：当温度降低到__________附近时，某些材料的电阻率突然变为____的现象叫做超导现象。
（2）发生_________的材料叫超导材料。
（3）超导临界温度
物质的电阻________时的温度叫做这种物质的超导转变温度或超导临界温度。不同物质的超导临界温度______。
（4）超导磁浮现象：1933年，迈斯纳和奥森菲尔德发现了_________现象。
超导磁浮现象
（5）超导材料的应用
① 超导输电：超导材料处于超导状态时电阻为零，能够________地传输电能，这意味着用细电线就可以输送极大的电流。
②超导磁浮：用超导磁浮特性可以实现交通工具的_________运行，可以大大提高交通工具的________。
超导计算机
将超导体应用于电子工业，在低温环境中大大减小这些电子元件的体积和能耗（因不必考虑散热问题，超导电子元件可以做得很小）。
2.纳米材料
（1）概念
纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在___________范围内的材料，这大约相当于10～1 000 个原子紧密排列在一起的尺度。
（2）特性
纳米材料除了其基本单元的尺度小以外，在__________________等方面还表现出许多特殊的性能。例如它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。
一种纳米尺度机器的局部
如图是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。
纳米机器人 纳米电线
学科综合 超轻固态材料气凝胶
气凝胶是由石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水溶液在低温环境下经冻干、去除水分、保留骨架而制成的，它是一种超轻的固态材料。
将一个马克杯大小的气凝胶放在狗尾草上，纤细的草须也不会被压弯狗。
“全碳气凝胶”的结构韧性也十分出色，在数千次被压缩至原体积的 20% 之后也能迅速复原。它还是吸油能力最强的材料之一，吸收量可高达自身质量的 900 倍。
科学书屋 材料的疏水性
1.阅读课文材料的疏水性，说一说莲花为什么能出淤泥而不染？
莲花之所以能出淤泥而不染，是因为莲叶表面结构与粗糙程度皆为纳米尺度，使其能够达到不沾水的状态，灰尘和泥巴也就无法吸附在其上了。
2.你知道有哪些昆虫翅膀带有纳米结构？
蜻蜓：其翅膀表面布满高度约200纳米、间距约100纳米的纳米级柱状突起，这种结构让翅膀具备极佳疏水性。
蝴蝶 ：翅膀覆盖着排列整齐的微小鳞片，鳞片表面有纳米级的沟壑与脊脉。这种结构让翅膀具备极佳疏水性。
蝉：翅膀上布满蜡质的纳米柱结构。晨露等水分落在翅膀上会聚集形成水珠，水珠相互融合变大后，会顺着这些纳米结构滚落，同时带走灰尘，蝉抖动翅膀还能加速水珠滚落，保障飞行不受影响。
【归纳整理】
1.人类早期对材料的利用
2.导电性材料的利用与开发
（1）根据材料的导电性能分类:导体、半导体、绝缘体
（2）半导体元件:二极管、三极管等
（3）半导体二极管具有单向导电性，半导体三极管可用来放大电信号
3.开发新材料
（1）超导材料
①特性:超导磁浮现象和零电阻性②超导材料的应用
2.纳米材料
（1）定义（2）特性（3）应用
【课堂练习】
1.近年来，我国航天事业取得了辉煌成就。为了让航天器更轻巧，部分构件采用碳纤维复合材料。由此可知，碳纤维复合材料具有的特性是（ ）
A．质量小 B．密度小 C．弹性强 D．硬度高
2. 2025年诺贝尔物理学奖颁给约翰 克拉克、米歇尔 德沃雷特、约翰 马丁尼斯，他们利用超导体构建了电路，实现不同量子态之间的隧穿，超导体在临界温度时 （ ）
A．电流很小 B．硬度很高 C．电压很高 D．电阻为零
3.信息技术给人类带来了巨大的影响；集成了成千上万个电子元件的芯片，既小又轻，连蚂蚁都能搬动，芯片主要是由_______材料制成的；超导技术有着广泛的应用前景，人们正在进行深入探索，请你列举一个适合应用超导材料的实例_______ 。
【课后巩固】
1.（课本215页第1题）如图 21-34 所示，在 A、B 两点间先后接入下列物体，选择闭合开关后不能使小灯泡发光的选项，并说明理由。
21-34
A. 铝线 B. 铜线 C. 玻璃棒 D. 铅笔芯
2.（课本215页第2题）如图 21-35 所示，酸甜多汁的水果提供的电能点亮了发光二极管，其中水果相当于电路中的 ________，发光二极管主要由 ________材料制成。如果其中一个二极管熄灭，另一个依然发光，说明熄灭的二极管与另一个二极管是 ________（选填“串联”或“并联”）的。
21-35
3.（课本216页第3题）如图 21-36 所示，当闭合开关后，发光二极管发出柔和的光。如果把发光二极管的两个引脚对调，发光二极管________（选填“能”或“不能”）继续发光。从图中所给的信息，可判断出通过小灯泡的电流方向为________（选填“由左向右”或“由右向左”）。
图21-36
4.（课本216页第4题）物理学家在超导研究领域的重大突破，有望提高能源利用效率与传输效率。超导材料能用来制作以下哪种元件？请说明理由。
A.白炽灯灯丝 B.远距离输电线 C.电烤炉电阻丝 D. 电熨斗发热体
5.（课本216页第5题）纳米陶瓷作为新材料应用广泛，它具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温、防渗透、无磁性等特点，下列选项中不能使用纳米陶瓷材料制成的是（ ）。
A. 装烧碱的容器 B. 切割金属的刀具 C. 乘坐公交用的IC卡 D. C919 客机的外表涂层
纳米陶瓷作
1.为高科技材料应用广泛，它具有耐磨、耐腐蚀、耐高温、防浸透、完全无磁性等特点。下列技术不能应用纳米陶瓷的是（ ）
A．菜刀 B．“嫦娥六号”外表涂层 C．公交IC卡 D．装浓硫酸的容器
2.如图是浴室中使用的带防护罩的插座，面板上有一个两孔和一个三孔，下列说法正确的是（ ）
A．可以用湿手拔正在工作的电暖气插头
B．插座上的两孔和三孔是并联连接的
C．三孔插座的右孔应该与家庭电路的零线相连
D．防护罩的材质是塑料，塑料是绝缘体
3．“天问一号”火星探测器和火星车都使用了一种新型材料一一纳米气凝胶，该材料的使用极大地减小了火星车的负担，并且能在“极热”和“极寒”环境下保证工作平台正常工作。下列说法正确的是（ ）
A．纳米气凝胶隔热，耐高温
B．能减小火星车的负担，利用了纳米气凝胶密度小的特性
C．火星探测器通过超声波与地面取得联系
D．火星探测器从地球到达火星质量将减小
4.两个水果组成的电池与发光二极管串联接入如图所示电路，此时二极管发光。若将二极管两极的接线对调，二极管不发光，则此时水果电池的正、负极之间___________（选填“有”或“没有”）电压。制作发光二极管的材料是锗和硅，它们属于___________材料。
5.阅读下面有关二极管和发光二极管的短文，并解决相关问题：
（一）电子线路中有一种常用的器材叫二极管，在电路图中的符号为。它在电路中的作用是：当电流从“+”极端流入时，二极管对电流的阻碍作用很小，相当于一个阻值很小的电阻，此时二极管可视为一段导线；当电流从“﹣”极端流入时，二极管相当于一个阻值很大的电阻，使电流几乎不能通过它，即电流几乎为零，此时二极管可视为绝缘体。
（二）发光二极管简称LED，是人类继爱迪生发明白炽灯之后最伟大的发明之一，它是一种新型节能、环保的光源产品，其电光的转化效率很高。目前正在积极推广使用。
(1)某同学按照图A所示电路图连接了电路，电路中两个电源两端电压均为3V不变，当S接a端时，电压表的示数为 V；当S接b端时，电压表的示数为 V。能否去掉电路中的定值电阻R1？ （填“能”或“不能”）。
(2)图B是小明设计的判断电源正负极的电路图，闭合开关S后，小灯泡L发光，则B端是电源的 极（选填“正”或“负”）。
(3)图C中，甲是一种常见的LED手电筒，发光元件由5个发光二极管并联组成，每个发光二极管的额定电流（指正常工作时的电流）为30mA。它的能量是由可反复充电使用的电池提供，且LED灯发光的颜色会随电压的变化而变化，如表格所示。
请回答下列问题：
两端的电压/V 2 2.4 3.2
LED灯的颜色 红 黄 蓝
①这种LED手电筒正常工作时的总电流为__________mA。
②图C中，乙是LED灯与50Ω的定值电阻R串联，已知电源电压为4.2V保持不变，闭合开关S，毫安表（为读数更精确的电流表）的读数为20mA，通过计算可知此时LED灯所发出光的颜色为 色。
(4)当电流从二极管“+”极端流入时，二极管对电流的阻碍作用很小，相当于一个阻值很小的电阻，我们把它称为正向电阻。看下面一个二极管曲线图，由图D可知，随着二极管两端电压的升高，正向电阻__________（填“变大”“变小”“不变”），当电压为0.6V时，二极管的正向电阻为__________Ω。
6. 气凝胶
如图甲所示，把玫瑰花隔着一层气凝胶放在3000℃的火焰上，几分钟后依然芬芳如故，保护它的神奇材料就是气凝胶。气凝胶身轻如烟，是世界上最轻的固体材料之一，有一种“全碳气凝胶”密度仅为，比氦气还要轻。如图乙所示，的“全碳气凝胶”压在花蕊上，花蕊几乎没有变形。科学家们研制出一种“飞行石墨气凝胶”，它是多孔的碳管在纳米尺度下交织在一起的三维网状结构，可以在数千次被压缩至原体积的20%之后迅速复原。
气凝胶对有机溶剂有超快、超高的吸附力。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，但气凝胶最多可吸收自身质量900倍的有机溶剂，而且只吸油不吸水。因此气凝胶的这一特性可用来处理海上原油泄漏事件。
(1)气凝胶放在玫瑰花与火焰之间，玫瑰花丝毫无损，这是利用了气凝胶的 好。“飞行石墨气凝胶”可以在数千次被压缩至原体积的20%之后迅速复原，由此可判断，“飞行石墨气凝胶”的 非常好；（均选填“导热性”“隔热性”“弹性”或“绝缘性”）
(2)下列“全碳气凝胶”实际应用中，不可能实现的是_____（填字母序号）
A．清洗厨房的油烟机 B．吸除冰箱内的异味
C．做落地风扇的底座 D．做电影场景中倒塌的“墙壁”
(3)已知原油的密度为，则的“全碳气凝胶”最多能吸收 的原油。
【课后评价】
这节课我给自己☆☆☆☆☆颗星。
【参考答案】
【课前预习】
答案：1.天然材料 人造材料 木材、棉花、石头 塑料、合金、半导体
2. 导体 半导体 绝缘体3. 内部电子 导体 铜 铝 4.很大 橡胶.5.导体 绝缘体 硅、锗、砷化镓 二极管、三极管、集成电路 6.临界温度 无损耗输电、磁浮 7. 1-100nm 计算机芯片、量子磁盘、超轻材料
【合作探究】
探究点一：
答案：1.（1）直接取（2）人工合成2.（1）工具（2）锡 青铜（3）钢铁材料
探究点二：
答案:1导体 半导体 绝缘体2.（1）容易导电 自由移动 （2）几乎没有 橡胶 玻璃（3）导体 绝缘体 硅 锗 砷化镓 单向导电性 电信号 3. 二极管仅允许电流从一个方向通过（单向导电性）。
探究点三：
答案：1.昂内斯 几乎为零（1）绝对零度 零（2）超导现象（3）变为零 不同（4）超导磁浮 （5）①无损耗 ②无摩擦 运行速度2.（1）1～100nm （2）力、 热、声、光、电、磁
【课堂练习】
1.【答案】B
【详解】由题意可知，碳纤维复合材料应具有的特性是密度小，此时在体积一定的情况下，质量较小，更轻巧，故B符合题意，ACD不符合题意。
故选B。
2.【答案】D
【详解】超导体是指在临界温度时，导体的电阻为零，这是超导体的重要特性，超导体的电阻为零，可以实现电流无损耗的输送。超导体的电阻为零，电流会很大，电压为零，超导体与材料的硬度无关，故D符合题意，ABC不符合题意。
3.【答案】半导体 超导输电线
【详解】[1]芯片中的电子元件需要通过半导体材料的单向导电性实现开关功能。
[2]超导材料在超导状态下电阻为零，可用于远距离输电，减少电能损耗。
【课后巩固】
基础练习
1.答案：C
解析：玻璃棒不是导体，不能导电。
2.答案：电源 半导体 并联
解析： [1]电源是提供电能的装置,水果能提供电能,在电路中相当于电源。
[2]半导体材料应用广泛,如二极管、三极管等,发光二极管主要由半导体材料制成。
[3]如果其中一个二极管熄灭,其它依然发光,根据串并联电路的特点:各支路互不影响,说明熄灭的二极管与其它二极管是并联的。
3.答案：不能 由左向右
解析： (1)由于半导体具有单向导电性，如果把发光二极管的两个引脚对调，发光二极管不能继续发光。 (2)电路中电流的方向是：在电源的外部是从电源的正极流向电源的负极；所以图中小灯泡中的电流方向是由左向右。
4.答案： B
解析：A、B、D 选项需要电阻产生热量，故均不可用超导材料制作
5.答案：C
解析：纳米陶瓷耐磨损，硬度大,适合做切割金属的刀具；纳米陶瓷耐腐蚀，可以用来制造装烧碱的容器；纳米陶瓷完全无磁性,不能制造乘坐公交用的IC卡；纳米陶瓷耐磨损、耐高温、防渗透,可以作为客机的外表涂层。
能力提升
1.【答案】C
【详解】A．菜刀需要耐磨耐腐蚀等特点，可以利用纳米陶瓷制作，故A不符合题意；
B．“嫦娥六号”外表涂层，需要物质具有耐高温、耐磨等特点，可以使用纳米陶瓷制作，故B不符合题意；
C．公交IC卡芯片，需要具有磁性的材料制作，而纳米陶瓷完全无磁性，不可以使用纳米陶瓷制作。故C符合题意；
D．装浓硫酸的容器，需要具有耐腐蚀的特征，故D符合题意。
故选 C。
2.【答案】BD
【详解】A．生活用水是导体，湿手拔正在工作的电暖气插头，容易引发触电事故，故A错误；
B．插座上的两孔和三孔，插入的用电器能独立工作，互不影响，是并联连接，故B正确；
C．三孔插座在接线时，左孔与零线相连，右孔与火线相连，上孔与地线相连，故C错误；
D．防护罩的作用是避免水喷射到插座上，须不导电的塑料，塑料在通常情况下不易导电，是绝缘体，故D正确。
故选BD。
3.【答案】AB
【详解】A．由题意知纳米气凝胶能在“极热”和“极寒”环境下保证工作平台正常工作，这说明纳米气凝胶具有良好的隔热性能，能够在高温环境下防止热量快速传递到工作平台，同时在极寒环境下也能减少热量散失，保证工作平台的温度稳定，即纳米气凝胶具有隔热、耐高温的特性，故A正确；
B．由密度公式可得m=ρV。在体积V一定的情况下，材料的密度ρ越小，其质量m就越小。纳米气凝胶密度小，使用它制作火星车的部件，在相同体积下质量更轻，从而极大地减小了火星车的负担，故B正确；
C．超声波是一种频率高于20000Hz的声波，它的传播需要介质，在真空中无法传播。而火星与地球之间是真空环境，超声波不能在真空中传播，所以火星探测器不能通过超声波与地面取得联系。故C错误；
D．质量是物体所含物质的多少，它是物体的一种基本属性，不随物体的形状、状态、位置的改变而改变。火星探测器从地球到达火星，只是位置发生了变化，其所含物质的多少并没有改变，所以质量不变，故D错误。
故选AB。
4.【答案】有 半导体
【详解】[1]由于二极管具有单向导电性，所以将二极管正负极接线对调，它的正负极接反了，二极管不发光，此时水果电池的正负极之间仍然有电压。
[2]二极管主要由锗和硅等材料构成，锗和硅的导电特性介于导体与绝缘体之间，属于半导体材料。
5.【答案】(1) 3 0 不能 (2)负 (3) 150/ 蓝(4)变小 120
【详解】（1）[1]由图分析可知，当开关接a端时，电流从二极管“﹣”端流入，由题意可知，此时二极管相当于绝缘体，电路断路，电压表测电源两端的电压，其示数为3V。
[2]由图分析可知，当开关接b端时，电流从二极管“+”端流入，由题意可知，此时二极管相当于一段导线，则电压表被短路，其示数为0V。
[3]若没有定值电阻R1，当开关接b端时，二极管相当于一段导线，电源将短路，所以不能去掉电路中的定值电阻R1。
（2）开关闭合后，小灯泡发光，说明电流从二极管“+”极端流入，“﹣”极端流出，则B端是电源的负极。
（3）[1]由题可知，LED手电筒由5个发光二极管并联组成，每个发光二极管的额定电流为30mA，因并联电路中干路电流等于各支路电流之和，所以这种LED手电筒正常工作时的总电流
[2]一个LED灯与50Ω的定值电阻R串联时，电路中的电流为
由可得，定值电阻R两端的电压为
因串联电路中总电压等于各分电压之和，所以LED灯两端的电压为
由表格数据可知，此时LED灯发出蓝颜色的光。
（4）[1]由图D可知，二极管两端电压的增加量相同时，通过电流的增加量越来越大，由可知，随着二极管两端电压的升高，正向电阻变小。
[2]由图D可知，当电压为0.6V时，通过二极管的电流为，则二极管的正向电阻为
6.【答案】(1)隔热性 弹性 (2)C (3)300
【详解】（1）[1]将气凝胶放在玫瑰花与火焰之间，玫瑰花的温度变化不明显，可以丝毫无损，表明气凝胶隔断了火焰与玫瑰花之间的热传递，这是利用了气凝胶具有隔热性好的性质。
[2]“飞行石墨气凝胶”可以在数千次被压缩至原体积的20%之后，这是在多次发生弹性形变后仍然能够迅速复原，故由此可判断，“飞行石墨气凝胶”的弹性很好。
（2）A．气凝胶只吸油不吸水，最多能吸收自身质量900倍的有机溶剂，所以可用于清洗厨房的油烟机，故A不符合题意；
B．气凝胶对有机溶剂有超快、超高的吸附力，所以可以用于吸除冰箱内的异味，故B不符合题意；
C．气凝胶的密度很小，在体积一定时，质量很小，若用其做落地风扇的底座，则风扇重心过高、容易倾倒，所以不能做落地风扇的底座，故C符合题意；
D．气凝胶的密度很小，在体积一定时，质量很小，所以可以做电影场景中倒塌的“墙壁”，不会导致演员被砸伤，故D不符合题意。
故选C。
（3）的“全碳气凝胶”的质量为
气凝胶最多可吸收自身质量900倍的有机溶剂，所以这些“全碳气凝胶”最多能吸收原油的质量
最多能吸收原油的体积
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