八年級物理上冊 第二章 物質(zhì)世界的尺度、質(zhì)量和密度 四. 新材料及其應(yīng)用快樂學案1 北師大版

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1、第四節(jié)《新材料及其應(yīng)用》學案 探究目標 1.知識與技能 了解納米材料、“綠色”能源、記憶合金等新材料及應(yīng)用. 2.過程與方法 經(jīng)歷上網(wǎng)查資料了解新材料的過程. 3.情感、態(tài)度與價值觀 通過了解新材料的應(yīng)用及新的前景，激發(fā)學習興趣，擴展視野. 探究指導 物理宮殿 1.納米材料 （1）某些物質(zhì)的尺度加工到1～100nm，它的物理性質(zhì)或者化學性能與較大尺度時相比，發(fā)生了異常變化，這些物質(zhì)組成的材料為納米材料； （2）納米技術(shù)的應(yīng)用：納米技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)保、醫(yī)療、國家安全等各個方面都有廣泛的應(yīng)用，如圖2.4-1，我國和世界其他國家都在競相開發(fā)納米產(chǎn)品.圖2.4-

2、2是1993年中國科學院北京真空物理實驗室自行操縱原子寫出的“中國”二字，標志著我國開始在世界納米領(lǐng)域占有一席之地.如：洗衣機桶的表面上用了納米尺度的氧化硅微粒和金屬離子的組合，就具有抑制細菌生長的功能；普通領(lǐng)帶的表面經(jīng)過納米方法處理后會有很強的自潔性能，不沾水也不沾油；陶瓷中加了納米陶瓷粉就具有一定的可韌性，如果用它制造發(fā)動機的缸體，汽車會跑得更快. 圖2.4-1 納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域 圖2.4-2 2.“綠色”能源 新材料能制成各種高效的“綠色”能源.以電源為例，長期以來使用的干電池較輕便，但只能用一次，丟棄后會污染環(huán)境；鉛蓄電池能反復(fù)使用，但又太笨重；而新材料做成的鋰電池

3、是有體積小、質(zhì)量輕、能夠多次充電、對環(huán)境污染小等特點，已經(jīng)被廣泛地用于移動通信、小型攝像機等設(shè)備上（如圖2.4-3）；硅光電池能夠把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，并且完全不會造成污染，它廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星和照明（如圖2.4-4）. 圖2.4-3 圖2.4-4 太陽能汽車的上表面覆蓋著很多硅光電池 3.記憶合金 （1）有些合金在加熱時能像彈簧一樣被拉長和扭曲，冷卻后可以保持這個形狀不變；當再次加熱時，它們又恢復(fù)到被拉長或扭曲前的形狀.這種合金叫做形狀記憶合金； （2）主要成分是：鎳和鈦； （3）物理特性：當溫度達到某一數(shù)值時，材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，從而導致了外形的變化； （

4、4）應(yīng)用：如將記憶合金制成的彈簧安裝在熱水器的出水閥門內(nèi)，當水溫超過某一溫度（例如80℃）時，彈簧自動伸長，將閥門關(guān)閉而停止出水，避免發(fā)生燙傷人的事故（如圖2.4-5）. 圖2.4-5 【例】 在1989年 12月20日凌晨，美軍的兩個中隊 F-117A隱形戰(zhàn)斗轟炸機，躲過晝夜處于高度戒備狀態(tài)的巴拿馬對空監(jiān)視雷達系統(tǒng)，突然出現(xiàn)在巴拿馬城西120km處的一個軍用機場上空，為美軍大規(guī)模入侵巴拿馬奪取了制空權(quán).雷達能監(jiān)測普通飛機的飛行情況，為什么不能發(fā)現(xiàn)隱形飛機呢？ 思路與技巧 雷達是利用無線電波測定物體位置的無線電設(shè)備，它的天線可以轉(zhuǎn)動，它向一定的方向發(fā)射不連續(xù)的無線電波，然后根據(jù)反

5、射波的方向和時間判斷目標的方位和距離.隱形戰(zhàn)斗機將具有良好的吸波性的隱性材料涂在其表面上，使其具有超凡的隱身能力. 答案 隱形戰(zhàn)斗機是利用新型的隱形材料制成的重要軍事武器，涂有隱形材料的戰(zhàn)斗機能將雷達發(fā)射出的無線電波大部分吸收掉，反射回去的卻很少，使雷達變成了“睜眼瞎”.而普通飛機反射回去的無線電波信號很強，雷達接收屏能接收到，因此能顯示出普通飛機的存在（如圖2.4-6）. 圖2.4-6 探究體驗 不同的材料具有不同的物理性質(zhì)，如導熱性、導電性、磁性、密度、彈性、硬度、延展性等等.下面探究材料的硬度. 探究器材 自選若干待測材料，如肥皂、泥塊、塑料、鋁片、陶瓷片等. 探究

6、過程 ①組成如圖2.4-7裝置； 圖2.4-7 材料硬度測量示意圖 ②將被測材料置于一個空心豎直管的底部，從管的頂部釋放一鋼釘，鋼釘作用在該材料上會產(chǎn)生一個小小的凹痕； ③從凹痕的大小和深度，判斷材料的硬度并排序. 分析與結(jié)論 材料有軟有硬，較硬的材料能使較軟的材料產(chǎn)生 ，材料的硬度不同， 不一樣. 探究點撥 材料的區(qū)分可根據(jù)材料的不同性質(zhì)，通過比較進行區(qū)分. 聊天室 話題：納米材料的應(yīng)用前景 胖胖：老師，您能介紹一下納米材料在實際中的應(yīng)用嗎？ 老師：納米材料的應(yīng)用非常廣泛，具體概括為以下幾點： 1.在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用. 隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米

7、陶瓷隨之產(chǎn)生，它在1600℃高溫下能像橡皮泥那樣柔軟，在室溫下也能自由彎曲.因而克服了陶瓷的脆性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔軟性和可加工性. 2.用納米技術(shù)可以實現(xiàn)天梯. 2002年3月中央電視臺新聞聯(lián)播曾做過報道：科學家能夠造出天梯，地點選在太平洋上.用來做天梯的材料就是碳納米管.這種材料從1991年被發(fā)現(xiàn)以來，就一直被譽為未來的材料.碳納米管在強度上大約比鋼強 100倍，其傳熱性能優(yōu)于所有已知的其他材料.它有良好的導電性，在常溫下導電時，幾乎不產(chǎn)生電阻，科學家合成的碳納米材料在室溫下能儲存和凝聚大量的氫氣，用于燃料電池以驅(qū)動汽車等.它為“清潔能源”——氫能的開發(fā)、利用提供了良好條件.

8、3.在醫(yī)學上的應(yīng)用. 用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可立即搜索并攻擊癌細胞或修補受傷組織：在人體器官表面涂上某些納米粒子可防止器官移植后的排異反應(yīng).在生物醫(yī)學方面，納米科技更是潛力巨大.納米技術(shù)可以在微小尺度里重新排列遺傳密碼，基因生物制作技術(shù)就是典型的納米和基因生物學結(jié)合的產(chǎn)物.人類可以利用基因芯片迅速查出自己基因密碼中的錯誤，并迅速利用納米技術(shù)進行修正，使人類消滅各種遺傳缺陷的理想得以真正實現(xiàn).仿生學將是納米技術(shù)大展宏圖的領(lǐng)域，人類可以制造出細胞內(nèi)工作的機器人。并將其放入人體內(nèi)，它可以在血液和細胞中工作，幫助我們清除垃圾和病兆，還我們一個健康的身體. 4.在化工領(lǐng)域的應(yīng)用.

9、把納米技術(shù)運用到涂料中，使外墻涂料的洗刷性由原來約1000多次提高到10 000多次，老化時間也延長了兩倍多.輪胎通常是“一統(tǒng)天下”’的黑色，原因是生產(chǎn)橡膠過程中需要加入炭黑末提高強度、耐磨性和抗老化性，但運用納米材料生產(chǎn)的輪胎不僅色彩鮮艷，性能也大大提高，輪胎側(cè)面膠的抗折性能由10萬次提高到50萬次。納米級的氧化鋅用于橡膠制品，可防止老化，提高耐磨性、抗摩擦起火，用于高級轎車輪胎、飛機輪胎上可提高安全系數(shù).添加了納米氧化鋅的陶瓷釉面，具有不擦洗而自清潔的特性，在高層建筑和公路隧道中不便清洗的地方，這種自潔功能格外受歡迎.有些納米材料制成纖維布料.不僅可以殺菌、防臭也可擺脫在脫衣服時因摩擦而引

10、起煩人的靜電現(xiàn)象. 5.在軍事上的應(yīng)用. 主要是在三個方面：一是在信息領(lǐng)域，使信息傳輸更快捷；二是用納米隱身材料，讓那些飛機、坦克成為隱形飛機、隱形坦克，讓敵方的雷達看不見它.三是用納米材料做成微小的納米機器，組成神通廣大的納米微型軍備.可以制成像針尖一樣大小的炸彈，像蒼蠅一樣大小的飛機. 總之，一個嶄新的0.1～100nm的世界提供給人類的將是不同于以往任何經(jīng)驗的東西，它不僅會給人類生活帶來一場革命，還會使我們再一次地感受到：科學與技術(shù)正以日新月異的速度向前飛行發(fā)展. 快樂套餐 1.你認為所有的材料達到納米尺度就一定是納米材料，或者說一定具備納米效應(yīng)嗎（

11、） A.是 B.不是 C.目前還不知道 2.上海磁懸浮列車在2020年元旦前一天運行成功，這標志著我國在這個領(lǐng)域已達到世界先進水平，備受世人矚目.磁懸浮列車中用到下列哪種材料（ ） A.超導材料 B.納米材料 C.記憶合金 D.隱形材料 3.在我國“三星堆遺址”的出土文物中，發(fā)現(xiàn)了用極薄的金箔貼飾的精美“金器”.黃金可以被做成極薄的金箔，主要是因為黃金的（ ） A.延展性好 B.硬度大 C.彈性好 D.密度大 4.當材料的微粒小到納米尺寸時，材料的性能就會發(fā)生顯著的變化，這就是 的特性，如圖2.4-8，黃金在正常情況下呈金黃色，而它的納米顆

12、粒卻變成了黑色，尺寸越小，顏色越深，且 顯著下降.還有銀白色的鉑（白金）在納米尺寸下變成了鉑黑，金屬鉻變成鉻黑.利用納米的這種特殊的光學性質(zhì)可以制成高效率的光熱、光電轉(zhuǎn)換材料將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)? 能、 能. 圖2.4-8 5.光電池是一種把 能轉(zhuǎn)化為 能的電池.硅光電池是一種典型的光電池，它的主要中分用 制成，這種電池性能 、使用壽命 ，已廣泛用到電子計算器、收音機、玩具等方面，在人造衛(wèi)星和其他太空儀器上也用它做電源. 6.鋰是密度最小的一種金屬，為 kg/cm3.一個鋰電池的體積為8.5cm3，它的質(zhì)量為 g.鋰電池的特點是 小、 輕、能夠多次 、對環(huán)境

13、污染 等特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于 、 等設(shè)備上. 7.科普展覽會上有一種神奇的金屬花，它的花瓣是用一種特殊的金屬片——記憶合金制成的（如圖2.4-9）.它具有記憶能力，燈光一照它會 ，如 圖（填“左”或“右”），關(guān)上燈又會 ，如 圖（填“左”或“右”）. 8.某班同學進行“使用塑料的利與弊”的辯論.甲方認為“利大于弊”，理由是：大部分塑料的抗腐蝕能力強，不與酸或堿反應(yīng)等；乙方認為“弊大于利”，理由是：回收利用廢棄塑料時，分類十分困難，而且經(jīng)濟上不合算等，你愿意加入 方（填“甲”或“乙”），并寫出另一條理由 . 圖 2.4-9 記憶合金“花朵”

14、 圖 2.4-10 9.如圖2.4-10，用形狀記憶合金可制成月面天線.發(fā)射前，天線先被壓縮成小球團，到達月球表面后，它為什么能展開成正常工作的半球面狀呢？ 10.觀察熱水瓶使用了哪些材料，采取了哪些保溫措施？ 11.海南有著得天獨厚的地理和氣候優(yōu)勢，盛產(chǎn)反季節(jié)瓜菜和海產(chǎn)品.在北運海產(chǎn)品的包裝箱中，一般都選用泡沫塑料制作.據(jù)你認為，在利用該材料的過程中： 優(yōu)點是 缺點是 （1） ； （4） ； （2） ； （5） ； （3） . （6） . 12.有記憶本領(lǐng)的不只

15、是金屬或合金，塑料等一些非金屬材料也有這種本領(lǐng)，科學家對形狀記憶塑料做了大膽的設(shè)想：家里一些平時用不著的桌椅等家具，可以把它們壓扁堆在一個很小的角落，一旦來了客人，就可以魔術(shù)般地把它們清理出來，只要往它們身上澆點熱水，桌椅馬上就會“變”回來.人們出外野炊帶上這種形狀記憶塑料做成的桌椅餐具，到時只要澆上一點熱水，這些用具就可以一個個“站”起來供你使用；不用了，又可以把它們壓扁成一堆，放在車上帶回.請你大膽猜想，將來的記憶材料有哪些方面的應(yīng)用？ 13.在航天飛機的超音速燃燒沖壓式發(fā)動機中，燃燒室里的溫度會超過2000℃；而在燃燒室的隔壁，是放置作為燃料的被冷卻了的液氫，溫度為-200

16、℃.“一邊是海水，一邊是火焰”.這樣，燃燒室壁一側(cè)要承受極高的溫度，另一側(cè)要承受極低的溫度.于是人們將耐高溫的陶瓷和耐低溫的金屬“融”為一體，不斷地改變這兩種材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使它們既能融相處又保留各自耐熱耐冷的本領(lǐng)，這就是材料領(lǐng)域的新明星——梯度材料.現(xiàn)已開發(fā)出多種制造它的方法，如：化學氣相沉積法、等離子噴涂法、顆粒梯度排列法等等.請你判斷圖2.4-11中 圖是一般材料的分子結(jié)構(gòu)， 圖是梯度材料的分子結(jié)構(gòu). 圖 2.4-11 14.閱讀材料 俗話說得好，“人各有所長”世界上所有的材料跟人一樣，不可能十全十美，每一種材料都有自己的優(yōu)點和缺點，科學家就研制出各種新型的復(fù)合材料

17、，就是把兩種或兩種以上的材料結(jié)合在一起，使它們各自發(fā)揮自身的特長，避開各自的缺點. 目前最重要的復(fù)合材料分為兩類：一類是纖維增強復(fù)合材料，主要是長纖維鋪層復(fù)合材料，如玻璃鋼，如圖2.4-12甲；另一類是粒子增強復(fù)合材料，如建筑工程中廣泛應(yīng)用的混凝土.因為它們都是優(yōu)勢互補的產(chǎn)品，所以它們有許多別的材料所沒有的優(yōu)點. 復(fù)合材料又輕又結(jié)實，它的比強度和比剛度較高.這兩個參量是衡量材料承載能力的重要指標.比強度和比剛度較高說明材料重量輕，而強度和剛度大，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是航空、航天結(jié)構(gòu)設(shè)計對材料的重要要求.現(xiàn)代飛機、導彈和衛(wèi)星等機體結(jié)構(gòu)正逐漸擴大使用纖維增強復(fù)合材料的比例（如圖2.4-12乙）.

18、 圖 2.4-12 復(fù)合材料不知疲勞，它的抗疲勞性能良好.一般金屬的疲勞強度為抗拉強度的40%～50%，而某些復(fù)合材料可高達70%～80%，用復(fù)合材料制成的直升機旋翼，其疲勞壽命比用金屬制成的長數(shù)倍. 復(fù)合材料的安全性好.在纖維增強復(fù)合材料的基體中有成千上萬根獨立的纖維，當用這種材料制成的構(gòu)件超載，并有少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個構(gòu)件不至于在短時間內(nèi)喪失承載能力. 此外，復(fù)合材料還具有減振性能良好、能耐高溫、成型工藝簡單等許多的優(yōu)點. 請回答下列問題： （1）目前的復(fù)合材料分成哪幾類？ （2）復(fù)合材料有哪些優(yōu)點？ （3）你知道哪些物體是

19、由復(fù)合材料制成的嗎？請舉一例. 參考答案 [探究體驗] 凹陷、劃痕；劃痕 [快樂套餐] 1.B 2.A 3.A 4.納米材料；熔點；熱；電 5.光；電；硅；穩(wěn)定；長 6.0.534×10-3；4.5；體積；質(zhì)量；充電；??；移動通信；小型攝像機 7.綻開；左；閉合；右 8.甲；成體低、耐用、防水；絕緣、彈性較好等（或乙方；易燃燒、產(chǎn)生有毒氣體、石油資源有限等） 9.到達月球表面后，受陽光照射加熱而恢復(fù)記憶，便展開成正常工作的半球面狀 10.熱水瓶瓶塞用軟木制在蓋上后可密封瓶口，軟木塞導熱性較差；玻璃易加工制作成雙層，兩層玻璃間鍍銀，使熱量不易向外輻射；兩層間抽成真空，熱量不易向外傳遞 11.優(yōu)點：輕便、保溫、防擠壓、成本低等；缺點：白色污染、機械強度不夠等 12.略 13.甲；乙 14.（1）目前復(fù)合材料分為兩類：一類是纖維增強復(fù)合材料，如玻璃鋼；另一類是粒子增強復(fù)合材料，如工程中使用的混凝土 （2）輕而結(jié)實；不知疲勞；安全性好；減振性能好；能耐高溫等 （3）撐桿是由高性能的復(fù)合材料制成的，它已經(jīng)成為決定撐桿跳高勝負的重要因素