沪科版九年级物理全册教案：20.3 材料的开发和利用

1、.第三节 材料的开发和利用 教学目的1知识与技能 1理解材料在人类开展的历史进程中的作用；认识到合理利用资源，有效保护环境的重要性。2知道导体、绝缘体、半导体导电性能的差异，知道半导体二极管的单向导电性。3知道超导材料是一种电阻为零的材料，知道超导材料具有超导磁悬浮的特性，理解纳米材料的有关知识。2过程与方法 通过探究实验认识导体、绝缘体、半导体二极管的电气特性；理解超导材料与纳米材料的特性及应用前景。3情感、态度与价值观 理解半导体材料的广泛使用及其对科学、社会的促进作用教学准备实验器材：电源、灯泡、导线、假设干待测材料如 铜、铁、铝等导体，酸、碱、盐的水溶液，纯水、自来水，玻璃、橡胶、铅笔

2、杆、塑料圆珠笔杆等、接线板、接线柱或带导线的金属夹、开关、电阻、半导体二极管、光电二极管、热敏电阻、发光二极管、三极管及集成电路。酒精灯、电磁继电器教学设计说明老师活动学生活动复习引入进展新课进展新课一、材料与社会开展让学生阅读“材料与社会的开展后考虑：材料与社会开展的关系？我国在材料开展的历史中有何重要奉献？材料的开展与资源浪费和环境污染问题 对照板书，让学生总结稳固二、材料的导电性1、1让学生读课本相关内容，口头填表导体绝缘体定义种类作用原因联络2实验探究：物质的导电性仪器与器材：电源、灯泡、导线、带导线的金属夹俗称鳄鱼夹、待测材料如硬币、铅笔芯、水湿木材、橡皮擦，塑料尺等可以用其他材料代

3、替，另老师提供部分待测材料实验参考电路，如右图所示3导体和绝缘体并没有绝对界限如右图甲，闭合开关灯不亮用酒精灯给玻璃加热到红炽状态，小灯泡发光如图乙这一现象说明了什么?玻璃在通常情况下是相当好的绝缘体当对其加热到红炽状态时，小灯泡发光，说明玻璃变成导体了。2.半导体元件1展示各种半导体元件：半导体二极管、光电二极管、热敏电阻、发光二极管、三极管及集成电路等2演示实验：探究半导体二极管单向导电特性仪器与器材：电源、半导体二极管V、电阻R、灯泡、导线、接线板、接线柱实验电路，如右图所示步骤：1取一个电阻R和一个半导体二极管V，分别接成如图中a、b所示电路闭合开关，观察灯泡发光情况2把电池的正、负极

4、互相调换后，将变成如图中c、d所示的电路闭合开关，观察灯泡发光情况分析得出结论3半导体的应用1让学生看课本P148149页，通过“太阳能电池、条形码扫描器、微处理器、机器人等内容，理解半导体的应用。2演示实验：光控照明电路思路与技巧： 根据光电二极管的特性，光照射光电二极管时，光电二极管导通，被控制的灯泡发光，此时的光电二极管相当于一个开关其原理图如图甲但光电二极管的工作电流较小，直接将光电二极管与灯泡串联，容易烧坏光电二极管；因此，电路设计应运用电磁继电器以小电流控制大电流其设计图如图乙三、开发新材料1.超导材料1超导材料是一种电阻为零的材料。让学生看课本后答复：什么现象叫超导现象？什么材料

5、叫超导材料？强调： 只有当温度在某一低温称转变温度或临界温度以下才具有超导性。不同材料的转变温度不同，如汞4.15K、钨0.012K、锌0.75K等。如今的一些高温超导材料，由一般导体转变为超导体的温度已到达100K以上。我国研制的超导材料的转变温度已到达134K。2、让学生看课本，提出问题。师生共同作答：超导磁悬浮现象是一个超导体与一个永磁体或电磁铁叠放时，由于电磁感应现象，超导体中产生的感应电流激发很强的磁场与永磁体或电磁铁的磁场在它们中间因同名磁极互相排斥，磁场的排斥力与被悬起来的物体的重力相平衡时，就形成了稳定的磁悬浮现象，超导材料的应用： 运用电阻为零的特性制作电动机线圈、输电导线等

6、，可减少电能损失，进步电能利用率。运用磁悬浮的特性制造磁悬浮列车、超导船等既减少了能量损失，又进步了交通工具的运行速度和平安性能。2.纳米材料让学生看课本P209内容，知道什么是纳米材料？纳米材料的特性及应用？强调：纳米是长度单位，符号“nm，1nm10-9m 不是所有材料到达纳米尺度时就一定是纳米材料，只有当材料到了纳米尺度时性能发生突变，才能称为纳米材料。只有产品的主导技术或主要材料是由纳米构造单元构成的，才是真正的纳米产品。投影“纳米材料的应用阅读“材料与社会的开展，考虑老师提出的问题。社会的开展带动了材料的研究和开发；新材料的出现又促进了社会的开展，合理地利用资源，有效地保护环境是每个

7、人应尽的义务对照板书，总结稳固1、读课本P206、207内容，理解材料按导电性分为导体、半导体及绝缘体三大类。导电性介于导体和绝缘体之间，而且电阻随温度的增加而减小，这种材料叫做半导体。常见的半导体材料有：硅、砷化镓、锑化铟、锗等学会设计判断导体与绝缘体的实验装置电路图，并用身边材料进展实验绝缘体在一定条件下可以变成导体！1、观察老师展示的各种半导体元件，并对照课本P147内容，初步认识各种半导体元件及其某些特点。2、明确实验的器材、电路及步骤。对实验观察、记录，分析得出实验结论。半导体二极管仅允许电流从其正极流入，这种特性叫做半导体二极管的单向导电性。1、看课本，理解半导体的应用。甲1超导现

8、象有些材料当温度降低到某一温度时，材料的电阻突然变为零的现象叫超导现象可以发生超导现象的材料叫超导材料。笔记老师强调说明的问题。21933年迈斯纳和奥森菲尔德发现了超导磁悬浮现象。提出问题，如：超导磁悬浮现象是怎么回事？答：磁悬浮可以实现交通工具的无摩擦运行看课本内容，知道什么是纳米材料？纳米材料的特性及应用？当材料的微粒大小到达纳米级10 -9m，就是这种材料的微粒由几个分子组成时，材料的性能会发生显著变化，如颜色、导电性、导热性、硬度、磁性等会产生很大的变化。由纳米材料组成的物质也就有了许多一般物质没有的特性。观看投影，进一步理解纳米材料的应用。板书设计略教学反思老师课后完成教学参考半导体

9、和半导体二极管1半导体我们知道，容易导电的物体叫做导体，不容易导电的物体叫做绝缘体。其实，导体和绝缘体之间的界限。绝缘体并非绝对不导电，只是绝缘体的电阻率很大。在室温下，金属导体的电阻率一般约为10-810-6 ·m ，绝缘体的电阻率一般约为1081018·m。假如给长为lm、横截面积为1×10-4m2的一段绝缘体两端加上1V电压，通过的电流仅为10-1410-4A。有些材料，它们的导电性能介于导体和绝缘体之间，而且电阻不随温度的增加而增加，反而随温度的增加而减少，这种材料叫做半导体，半导体的电阻率约为10-5106 ·m。锗、硅、砷化镓、锑化铟等都是半

10、导体材料。半导体的导电性能可以由外界条件所控制，如改变半导体的温度，使半导体受到光照，在半导体中参加其它微量杂质，都可以使半导体的导电性能成百万倍地发生变化。这种性能是导体和绝缘体所没有的。正因为半导体具有这种特性，人们用半导体制成了热敏电阻、光敏电阻、晶体管等各种电子组件，并且开展成为集成电路。把晶体管以及电阻、电容等组件，同时制作在很小的一块半导体芯片上，并且把它们按照电子线路的要求连接起来，使之成为具有一定功能的电路，这就是集成电路。在超大规模集成电路中，在面积比小拇指的指甲还小的一块半导体芯片上可以集成上百万个电子组件。集成电路的制成开拓了微电子技术的时代。随着微电子技术的开展，使电子

11、计算机得以更新换代。20世纪40年代人类创造的第一台庞大的电子计算机重约30t，开展成为今天日益普及的个人计算机，可以随身携带。个人计算机中的处理器包括运算器和控制器、内存都是由大规模集成电路的。半导体在现代科学技术中发挥了重要的作用。2半导体二极管半导体二极管PN结的形成N型半导体的多数载流子是电子，P型半导体的多数载流子是空穴靠空穴导电，空穴的正向挪动等效于正电荷的挪动。把N型和P型半导体结合在一起后，N型半导体的多数载流子电子将向P型半导体一边扩散，P型半导体的空穴将向N型半导体一边扩散。其结果是使N型和P型半导体的交界面两侧形成带电薄层A和B，且A带正电，B带负电。产生一个电场，如右图

12、所示。这个电场，阻碍P型半导体内的空穴和N型半导体的电子向对方扩散。开初，这个电场较弱，阻碍作用较小；随着扩散的继续，这个电场不断增强，A、B薄层的厚度不断增加，使扩散逐渐减弱；最后达平衡时，这个电场的大小不再增加，薄层的厚度也不再变，这就是PN结，又叫阻挡层。PN结是半导体二极管的根本构造。从P、N型半导体的两端各接出引线，把P型端二极管的正极接在电池正极上，N型端二极管的负极接在电池负极上，这叫给二极管加上正向电压，二极管中的电流较大。因为外加的正向电压，在PN结中产生的电场与PN结原来存在的电场方向相反，如右图甲所示，而且外加电场比PN结电场大。这两个电场迭加后的电场是由P端指向N端的，

13、使PN结电场削弱，阻挡层厚度减小，电阻也就减小了。P型端的空穴和N型端的电子在外加电场作用下不断地移向交界处，通过交界面形成电流。随着外加的正向电压增大，PN结中外加电场变得更强，进一步减弱PN结原来的电场，电阻更减小，所以正向电流随着外加的正向电压增加而迅速增大。其正向电流随电压变化的伏安特性曲线如右图所示。甲阻挡层变薄当把P型端接电池负极上，N型端接电池正极，即给二极管加上反向电压，这时二极管中的电流很小。因为外加的反向电压的电场与PN结产生的电场与PN结电场方向一样，如上图乙所示。两个电场迭加的结果，加强了阻止空穴和电子通过接口形成电流的作用，阻挡层厚度增加，电阻变得很大，所以电流很小。

14、不同半导体材料和不同构造、工艺制成的半导体二极管，其伏安特性曲线是有差异的，正向电流随正向电压上升的快慢程度，各不一样，但伏安特性曲线的根本形状是相似的。常用半导体二极管介绍半导体二极管是用半导体晶体材料制成的，所以又称晶体二极管。半导体器件中，第一个应用到电子线路中的是半导体二极管。它是具有一个PN结的非线性组件。半导体二极管的两个电极之间的正反向电阻和反向电阻相差很大，所以，它具有单向导电性。半导体二极管可以用在检波器、鉴频器和整流电路中，也可以用在其它电路中。半导体二极管在收音机、录音机、电视机和其它家用电器中以及各种电子仪器设备中，都是不可缺少的组件。半导体二极管的体积很小。由于半导体

15、二极管本身不需要供电就可以接入电路工作。这就省掉了许多组件，简化了电路，从而缩小了整机体积。半导体二极管种类、型号很多。常见的几种半导体二极管的外形如下图。图上方是半导体二极管的符号，符号上箭头的指向表示允许电流通过的方向。图中a为玻璃管封装型，b为塑料封装型，c为金属封装型，d为大型金属封装管，它可以直接用螺母固定在线路板上。半导体二极管在构造工艺上有点接触型、面接触型之分。一般来说，点接触型合适用小信号电路，用在频率比较高，但允许通过的电流较小。面接触型允许通过的大电流，主要作大功率整流管。半导体二极管按材料来分有锗二极管和硅二极管两大类。半导体二极管有两根引线，分正极和负极。小型管可以焊

16、接在印刷板上；而大型管只有一个引出焊接端，另一极与螺丝相通。根据用处不同常用二极管可分以下几类：普通二极管：用在检波、鉴频、限幅和其它小电流整流电路中。如2APl2AP9锗管2CPl2CP20硅管等。整流二极管：用在电源设备的整流电路中。如2CZll2CZ27硅管等。稳压二极管：用在电源供给电路中，稳定电压值。如2CWl2CWl0硅管等。开关二极管：用在快速变换的开关电路、脉冲电路及超高频电路中。如2AKl2AK锗管等。发光二极管：主要用作指示灯。它具有体积小，工作电压低，工作电流小，发光均匀稳定响应速度快，以及寿命长等优点。半导体二极管的单向导电特性半导体二极管的这种特性，可用前面所述的二极

17、管伏安特性曲线来进一步描绘。如右图所示，图中的坐标O点，表示当二极管两端不加电压时，没有电流通过。当二极管加上正向电压时，就有正向电流通过。图中的OA段较平坦，说明这一段范围内，随正向电压增加二极管电流增加甚微。AB段曲线很陡，电流与电压的关系近似直线关系。对应于B点的电流IF叫做二极管的额定工作电流，或称最大整流电流。实际应用时，假如电流超过额定值IF，二极管发热太多，一旦超过额定温度一般规定硅管为1400C，PN结就会烧毁。B点的电压UF为二极管额定电流时的正向管压降。当二极管加上反向电压时，PN结阻挡层厚度加宽，二极管呈现很大的反向电阻，即处于截止状态。但在反向电压作用下，仍会有很小的反

18、向电流，只不过由于载流的数量有限，反向电压虽有增加，反向电流几乎不变，如图中OC段曲线所示。反向电流IR可叫做反向饱和电流，反向饱和电流大那么说明二极管的单向导电性能差。显然，反向饱和电流越小越好，一般硅二极管约在几十微安以下，锗二极管约几百微安。反向饱和电流受温度影响也极大，它随温度升高而急剧增加。当二极管反向电压超过UR，如图中c点所示，反向电流急剧增大，二极管被反向击穿，UR叫反向击穿电压。反向击穿电压也和环境温度关系极大，随温度升高，反向击穿电压将降低。额定电流IF，正向管压降UF，反向饱和电流IR和反向击穿电压UR是二极管的四个最根本的参数都可从半导体手册中查到，在使用二极管时，IF和UF都应留有余量。太阳电池与“风云一号气象卫星太阳电池是半导体材料典型应用之一。太阳