21.3跨学科：材料的利用与开发 核心素养教学设计--沪科版新版9全册物理

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《21.3跨学科：材料的利用与开发》教学设计
课题 3.跨学科：材料的利用与开发 单元 21 学科 物理 年级 九
教材分析 本节内容位于《第二十一章 能源、材料与社会》的第三节，是连接物理知识与现实生活、科技前沿的重要桥梁。教材通过“人类早期对材料的利用”“导电性材料的利用与开发”“开发新材料”三个层次，系统呈现了材料发展史与现代科技中新型材料的应用。内容涵盖天然材料与人造材料的区分、导体、半导体、绝缘体的分类及特性、超导现象与纳米材料的突破性应用，以及气凝胶等跨学科材料的前沿成果，体现了“科学—技术—社会”一体化的课程理念。
2022新课标要求 结合2022版初中物理新课标内容，其对跨学科材料的利用与开发的具体要求：1.贴合固定主题框架：要围绕“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”3个二级主题及下设的9个三级主题。2.聚焦多学科融合：打破学科壁垒，关联多学科知识。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。3.立足真实实践场景：材料要紧扣生活实际、工程应用和社会热点。
学习目标与核心素养 1.物理观念了解人类对材料的利用历史过程，了解历史上不同材料的利用对人类文明进程的影响。2.科学思维能从材料的导电性区分导体、绝缘体以及半导体材料，能知道超导材料和纳米材料的特殊性能。3.科学探究与创新完成开放性实验（自己设计实验电路，探究半导体二极管的单向导电性），自主规划实验步骤、分析数据并优化方案。4.科学态度与责任21世纪教育网独家资源通过讨论，培养探究新材料、保护环境的社会责任感。学习科学家的科研故事，弘扬科学精神，增强对科技推动社会发展的认同。
学情分析 九年级学生已掌握基本电路知识和物质结构初步概念，具备一定的实验操作能力与逻辑思维水平。他们对“手机为何能运行”“高铁如何悬浮”等生活现象充满好奇，但对半导体、超导、纳米等抽象概念理解较难。部分学生存在“材料=金属”的刻板印象，缺乏对非金属材料、功能材料的认知。教学中需借助实物观察、实验探究、多媒体展示等方式，将抽象原理具象化，激发学习兴趣，培养科学态度与创新意识。
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。
材料准备 半电源 灯泡 开关 导线 接线板 接线柱 半导体二极管 超导磁悬浮演示等视频
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 情境导入超导磁浮现象科学技术的发展离不开材料的开发，科学技术的进步伴随着新材料的出现。那么，材料在人类社会发展中，开发和利用情况又是怎样的呢？ 观看图片超导磁浮现象 引起学生学习的兴趣，引出主题：材料的利用与开发
讲授新课 一、人类早期对材料的利用1.天然材料和人造材料21世纪教育网独家资源（1）天然材料：把直接取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：由人工合成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工具或生活用品。原始人制造的工具（2）青铜时代三星堆的文物21世纪教育网独家资源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锡，人们获得了比纯铜更坚硬、密度更小、强度更高的青铜。（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钢铁材料，如今已经成为材料家族的主体。二、导电性材料的利用与开发1.根据材料的导电性能，材料可分为导体、半导体及绝缘体三大类。导线 半导体芯片 橡胶（1）导体：容易导电的材料，内部存在大量可自由移动的电荷。 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，内部几乎没有可自由移动的电荷，电流难以通过，绝缘体常常被用来隔离带电物体。常见的绝缘体橡胶、玻璃、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。21世纪教育网独家资源（3）半导体材料：导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，例如：硅、锗、砷化镓等。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。半导体二极管具有单向导电性，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。21世纪教育网独家资源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：二极管仅允许电流从一个方向通过（单向导电性）。三、开发新材料 1. 超导体材料1911年，昂内斯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几乎为零，从而发现超导现象。汞电阻随温度变化的图像（1）超导现象：当温度降低到绝对零度附近时，某些材料的电阻率突然变为零的现象叫做超导现象。21世纪教育网独家资源（2）发生超导现象的材料叫超导材料。（3）超导临界温度物质的电阻变为零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不同。（4）超导磁浮现象超导磁浮现象1933年，迈斯纳和奥森菲尔德发现了超导磁浮现象。（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，能够无损耗地传输电能，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无摩擦运行，可以大大提高交通工具的运行速度。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）。21世纪教育网独家资源视频：超导材料的应用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1～100nm 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，在力、 热、声、光、电、磁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的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。“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。视频：超轻固态材料气凝胶科学书屋 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。21世纪教育网独家资源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。21世纪教育网独家资源蝉：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。 学生观看图片，聆听讲解阅读课文总结导体、半导体及绝缘体的概念了解半导体材料的应用学生知道实验器材：以及实验步骤的操作观察教师演示实验，理解二极管的单向导电性。观看视频：探究半导体二极管的单向导电特性阅读课文，聆听讲解了解超导体材料21世纪教育网独家资源阅读课文了解纳米材料概念、特性阅读课文超轻固态材料气凝胶，观看视频：超轻固态材料气凝胶阅读课文回答问题 以“文明演进”为主线串联教学，唤醒学生对材料发展的认知记忆，建立“材料=文明进步”的宏观视角21世纪教育网独家资源锻炼学生归纳总结以及自主学习能力知道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锻炼学生的逻辑思维能力锻炼学生的观察总结能力感受到新材料技术带来的变革力量，增强对科技进步的责任感。锻炼学生的自主学习能力，增加学生学习的兴趣，拓展学生的知识面锻炼学生的归纳总结能力，拓展学生的知识面
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【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. 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【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.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_______ 。【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。 学生练习 巩固本节的知识
课堂小结 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 学生总结教师补充 让学生对本节知识有个系统理解
板书 跨学科：材料的利用与开发一、人类早期对材料的利用1.天然材料和人造材料2.石器时代、青铜时代和钢铁材料时代二、导电性材料的利用与开发1.导体：容易导电的材料，内部存在大量可自由移动的电荷。2.绝缘体：不容易导电的材料，内部几乎没有可自由移动的电荷，电流难以通过，绝缘体常常被用来隔离带电物体。3.半导体材料：导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，例如：硅、锗、砷化镓等。4.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三、开发新材料1.超导体材料：2.纳米材料 对照板书回顾 夯实本节基础
课外拓展/课外阅读内容 课外阅读推荐1.《材料改变世界》（节选“从石器到半导体”章节）2.《半导体的奇妙世界》（青少年版）3.《超导“梦工厂”》（科普短文集）
特色资源分析和技术手段说明 1.视频资源：视频《超导材料的应用》视频《世界上最轻的固体气凝胶》等资源2.低成本的老旧电视等
教学反思 部分学生对课外阅读的积极性不高，仅停留在“完成任务”层面，缺乏主动探究的意识；分层阅读任务的反馈和评价方式较为单一，难以精准把握学生的阅读效果。对于超导相关内容的教学偏重于现象观察，对“超导体零电阻特性”的原理讲解不够深入，学生容易只记住“悬浮现象”，忽略核心物理本质。可补充超导体核心原理的简化讲解，结合学生已学的“电阻”知识，用类比法（如“电阻为零的导线，电流通行无阻碍”）帮助理解，同时增加“超导体在未来能源、交通领域的应用”讨论，提升学生的科学素养。
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