25春沪科版九年级下册物理教学设计 第二十章 第三节 材料的开发和利用

第三节材料的开发和利用

教学目标

知识目标1.了解材料在人类发展历史进程中的作用;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。4.知道超导材料具有超导磁浮的特性。5.了解纳米材料的有关知识。能力目标1.通过探究实验认识导体、绝缘体、半导体二极管的电气特性。2.了解超导材料与纳米材料的特性及应用前景。素养目标了解半导体材料的广泛使用及其对科学、社会的促进作用。

教学重难点

教学重点了解新材料的性能及运用。教学难点了解更多关于新材料及其应用的信息。

教学过程

一、新课导入人类社会的发展与人们对材料的认识、开发和利用密切相关,当今社会的科技飞速发展离不开新材料的研发。你知道材料研发与科技发展有怎样的关系吗?人们正在研发哪些新材料呢?二、教学步骤探究点1材料与社会[阅读课本]P205“材料与社会”[思考]你知道材料与社会发展的关系吗?[提示]社会的发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发展。[思考]你知道哪些以材料应用划分的历史时代呢?[提示]人类经历过旧石器时代、新石器时代和青铜器时代。[思考]我国在材料发展的历史中有何重要贡献?[提示]我国是最早掌握青铜冶炼技术的国家之一,青铜的利用让人类进入了青铜器时代。探究点2材料的导电性[阅读课本]P206“材料的导电性……锗和砷化镓等。”[思考]根据材料的导电性,材料可分为哪些类呢?[提示]材料可分为导体、半导体和绝缘体三大类。[思考]根据你对材料的了解,你能列举一些材料,并说出它们所属的类别吗?[提示]金、银、铜、铁等金属属于导体;纸片、干燥的木头、玻璃、橡胶等属于绝缘体;硅、锗和砷化镓等属于半导体。[归纳提升]材料的导电性是由材料内部电子的运动状况决定的。[阅读课本]P206~207“导体与绝缘体……将设计的电路画在右边的方框中。”[思考]为了检验待测材料是导体还是绝缘体,需要准备哪些实验器材?[提示]需要组成一个完整的电路,电源、灯泡、导线和开关是必不可少的实验器材。[思考]实验中常用带导线的金属夹(俗称鳄鱼夹)代替开关,你认为这样做的好处有哪些?[提示]更换待测材料时,只需要将鳄鱼夹夹在待测材料的两端即可,操作方便。[思考]我们是根据什么现象判断待测材料的?[提示]小灯泡发光,说明电路是通路,待测材料具有导电性,属于导体;相反,小灯泡不发光,说明待测材料属于绝缘体。[归纳提升]导体是容易导电的物体;绝缘体是不容易导电的物体。[思考]绝缘体能够变成导体吗?[提示]用酒精灯给玻璃加热到红炽状态,玻璃也可以导电。[归纳提升]导体和绝缘体并没有绝对界限,在一定的条件下绝缘体也可以变成导体。[思考]半导体材料在日常生活中有哪些应用呢?[提示]半导体二极管、光电二极管、热敏电阻、发光二极管等。[思考]取一个电阻和一个半导体二极管,串联接入电路中,闭合开关,观察半导体二极管发光情况;对调电源的正负极,再次观察半导体二极管的发光情况,你发现了什么?[提示]半导体二极管第一次发光,第二次不发光。[思考]这一现象说明了什么?[提示]实验中其他因素都没有改变,只是改变了电路中的电流方向,说明半导体的导电性与电流的方向有关。[归纳提升]半导体二极管具有单向导电性,即仅允许电流从一个方向通过元件。[习题]阅读下面材料,回答问题。第四代光源——LED光源如图甲是时下较为流行的LED手电筒和LED吸顶灯,它的主要部分是高亮度白色发光二极管,这种发光二极管主要由硅、砷等半导体材料制成,具有光效高、耗电少、寿命长、易控制、免维护、安全环保等优点,是继白炽灯、卤素灯和节能荧光灯后新兴的第四代电光源,是极具发展前途的新光源。与白炽灯先发热后发光的原理不同,LED的发光原理是直接把电能转换成光能的器件,因而其发光效率较高,是新一代固体冷光源,将逐步取代传统光源。图乙是LED的元件实物及符号。由于二极管具有单向导电性,使用时必须将它的正极与电源正极相连,二极管才能处于导通状态,否则处于截止状态。利用图丙所示电路可以研究发光二极管的工作特性:把一个额定电压为3V的LED灯接入电源电压恒为4.5V的电路,闭合开关S,LED即处于导通状态,调节滑动变阻器滑片,改变LED灯两端的电压和电路中电流,记录多组电压、电流数据,可以得到电压表与电流表示数关系,如图丁所示。(1)LED灯主要由(选填“导体”“半导体”或“超导体”)材料制成;它之所以节能,被称为冷光源,是因为电热转换损耗的能量较白炽灯(选填“高”或“低”)。

(2)在图丙中,闭合S,调节滑动变阻器,使LED灯正常发光;断开S,改变电源的正、负极后再闭合S,LED灯(选填“能”或“不能”)发光;此时两电表的示数为(填字母)。

A.4.5V20mA B.3V20mAC.4.5V0 D.3V0[分析]发光二极管主要由硅、砷等半导体材料制成,具有光效高、耗电少、寿命长、易控制、免维护、安全环保等优点,所以,LED灯主要由半导体材料制成;节能灯被称为冷光源,是因为电热转换损耗的能量较白炽灯低;闭合开关S,LED灯发光;断开S,改变电源的正、负极后闭合S,LED由于具有单向导电性,所以电路处于开路状态,LED灯不能发光;此时电压表示数为电源电压4.5V,电流表的示数为0。[答案](1)半导体低(2)不能C探究点3开发新材料[阅读课本]P208“超导材料”[思考]什么叫超导现象?什么叫超导材料?[提示]有些材料当温度降低到某一温度时,材料的电阻值突然变为零的现象叫超导现象。能够发生超导现象的材料叫超导材料。[思考]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,那么不同材料的转变温度相同吗?[提示]不同材料的转变温度不同,如汞(4.15K)、钨(0.012K)、锌(0.75K)等。现在的一些高温超导材料,由一般导体转变为超导体的温度已达到100K以上。我国研制的超导材料的转变温度已达到134K。[思考]你对超导磁浮现象有哪些了解呢?[提示]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)的磁场因同名磁极相互排斥,磁场的排斥力与被悬起来的物体的重力平衡而形成的稳定的磁浮现象。[归纳提升]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;运用磁悬浮的特性制造磁悬浮列车等。[阅读课本]P208“纳米材料”[思考]什么是纳米材料?你知道纳米材料的特性吗?[提示]当材料的微粒大小达到纳米级(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。[归纳提升]纳米是长度单位,符号是nm,1nm=10-9m;不是所有材料达到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结构单元构成的,才是真正的纳米产品。[思考]你知道纳米材料有哪些应用呢?[提示]纳米材料可提高计算机的性能,纳米材料的磁盘容量大等。[思考]除了课本的介绍之外,你还了解哪些新材料呢?它对未来社会的发展会有哪些影响呢?[介绍]石墨烯是一种由碳原子组成的六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。2018年3月31日,中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动,该项目主要生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池,破解了应用局限、对角度敏感、不易造型这三大太阳能发电难题。电子产品中的可弯曲屏幕成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。从理论上来讲,人们可以卷起智能手机,然后像铅笔一样将其别在耳后。新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。石墨烯过滤器比其他海水淡化技术要使用得多。水环境中的氧化石墨烯薄膜与水亲密接触后,可形成约0.9nm宽的通道,小于这一尺寸的离子或分子可以快速通过。通过机械手段进一步压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸,控制孔径大小,能高效过滤海水中的盐分。石墨烯有望在诸多应用领域中成为新一代器件,为了探寻石墨烯更广阔的应用领域,还需继续寻求更为优异的石墨烯制备工艺,使其得到更好的应用。石墨烯虽然从合成和证实存在到今天只有短短十几年的时间,但是