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(xué)案1 北師大版

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1、第四節(jié)《新材料及其應(yīng)用》學(xué)案 探究目標(biāo) 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(jià)值觀 通過了解新材料的應(yīng)用及新的前景，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)展視野. 探究指導(dǎo) 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(xué)性能與較大尺度時(shí)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(gè)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(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自行操縱原子寫出的“中國”二字，標(biāo)志著我國開始在世界納米領(lǐng)域占有一席之地.如：洗衣機(jī)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(xì)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(qiáng)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(jī)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(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地用于移動通信、小型攝像機(jī)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(shí)能像彈簧一樣被拉長和扭曲，冷卻后可以保持這個(gè)形狀不變；當(dāng)再次加熱時(shí)，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(dāng)溫度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，從而導(dǎo)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(dāng)水溫超過某一溫度（例如80℃）時(shí)，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(gè)中隊(duì) F-117A隱形戰(zhàn)斗轟炸機(jī)，躲過晝夜處于高度戒備狀態(tài)的巴拿馬對空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)，突然出現(xiàn)在巴拿馬城西120km處的一個(gè)軍用機(jī)場上空，為美軍大規(guī)模入侵巴拿馬奪取了制空權(quán).雷達(dá)能監(jiān)測普通飛機(jī)的飛行情況，為什么不能發(fā)現(xiàn)隱形飛機(jī)呢？ 思路與技巧 雷達(dá)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(shí)間判斷目標(biāo)的方位和距離.隱形戰(zhàn)斗機(jī)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(jī)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(jī)能將雷達(dá)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(dá)變成了“睜眼瞎”.而普通飛機(jī)反射回去的無線電波信號很強(qiáng)，雷達(dá)接收屏能接收到，因此能顯示出普通飛機(jī)的存在（如圖2.4-6）. 圖2.4-6 探究體驗(yàn) 不同的材料具有不同的物理性質(zhì)，如導(dǎo)熱性、導(dǎo)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(gè)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(gè)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(diǎn)撥 材料的區(qū)分可根據(jù)材料的不同性質(zhì)，通過比較進(jìn)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(shí)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(diǎn)： 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(shí)現(xiàn)天梯. 2002年3月中央電視臺新聞聯(lián)播曾做過報(bào)道：科學(xué)家能夠造出天梯，地點(diǎn)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(yù)為未來的材料.碳納米管在強(qiáng)度上大約比鋼強(qiáng) 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(dǎo)電性，在常溫下導(dǎo)電時(shí)，幾乎不產(chǎn)生電阻，科學(xué)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”——?dú)淠艿拈_發(fā)、利用提供了良好條件.

8、3.在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用. 用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可立即搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)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(xué)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(xué)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(cuò)誤，并迅速利用納米技術(shù)進(jìn)行修正，使人類消滅各種遺傳缺陷的理想得以真正實(shí)現(xiàn).仿生學(xué)將是納米技術(shù)大展宏圖的領(lǐng)域，人類可以制造出細(xì)胞內(nèi)工作的機(jī)器人。并將其放入人體內(nèi)，它可以在血液和細(xì)胞中工作，幫助我們清除垃圾和病兆，還我們一個(gè)健康的身體. 4.在化工領(lǐng)域的應(yīng)用.

9、把納米技術(shù)運(yùn)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(shí)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(qiáng)度、耐磨性和抗老化性，但運(yùn)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(jī)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(shí)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(gè)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(jī)、坦克成為隱形飛機(jī)、隱形坦克，讓敵方的雷達(dá)看不見它.三是用納米材料做成微小的納米機(jī)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(jī). 總之，一個(gè)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(yàn)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(xué)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(rèn)為所有的材料達(dá)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(yùn)行成功，這標(biāo)志著我國在這個(gè)領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)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(dǎo)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?yàn)辄S金的（ ） A.延展性好 B.硬度大 C.彈性好 D.密度大 4.當(dāng)材料的微粒小到納米尺寸時(shí)，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(xué)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(jì)算器、收音機(jī)、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(gè)鋰電池的體積為8.5cm3，它的質(zhì)量為 g.鋰電池的特點(diǎn)是 小、 輕、能夠多次 、對環(huán)境

13、污染 等特點(diǎn)，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(xué)進(jìn)行“使用塑料的利與弊”的辯論.甲方認(rèn)為“利大于弊”，理由是：大部分塑料的抗腐蝕能力強(qiáng)，不與酸或堿反應(yīng)等；乙方認(rèn)為“弊大于利”，理由是：回收利用廢棄塑料時(shí)，分類十分困難，而且經(jīng)濟(jì)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(tuán)，到達(dá)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(dú)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(yùn)海產(chǎn)品的包裝箱中，一般都選用泡沫塑料制作.據(jù)你認(rèn)為，在利用該材料的過程中： 優(yōu)點(diǎn)是 缺點(diǎn)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(xué)家對形狀記憶塑料做了大膽的設(shè)想：家里一些平時(shí)用不著的桌椅等家具，可以把它們壓扁堆在一個(gè)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(diǎn)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(shí)只要澆上一點(diǎn)熱水，這些用具就可以一個(gè)個(gè)“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(jī)的超音速燃燒沖壓式發(fā)動機(jī)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(xué)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(diǎn)和缺點(diǎn)，科學(xué)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(diǎn). 目前最重要的復(fù)合材料分為兩類：一類是纖維增強(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料，如建筑工程中廣泛應(yīng)用的混凝土.因?yàn)樗鼈兌际莾?yōu)勢互補(bǔ)的產(chǎn)品，所以它們有許多別的材料所沒有的優(yōu)點(diǎn). 復(fù)合材料又輕又結(jié)實(shí)，它的比強(qiáng)度和比剛度較高.這兩個(gè)參量是衡量材料承載能力的重要指標(biāo).比強(qiáng)度和比剛度較高說明材料重量輕，而強(qiáng)度和剛度大，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是航空、航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對材料的重要要求.現(xiàn)代飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等機(jī)體結(jié)構(gòu)正逐漸擴(kuò)大使用纖維增強(qiáng)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(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的40%～50%，而某些復(fù)合材料可高達(dá)70%～80%，用復(fù)合材料制成的直升機(jī)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(qiáng)復(fù)合材料的基體中有成千上萬根獨(dú)立的纖維，當(dāng)用這種材料制成的構(gòu)件超載，并有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個(gè)構(gòu)件不至于在短時(shí)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(diǎn). 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(diǎn)？ （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(yàn)] 凹陷、劃痕；劃痕 [快樂套餐] 1.B 2.A 3.A 4.納米材料；熔點(diǎn)；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(jī) 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(dá)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(dǎo)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(diǎn)：輕便、保溫、防擠壓、成本低等；缺點(diǎn)：白色污染、機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料，如玻璃鋼；另一類是粒子增強(qiáng)復(fù)合材料，如工程中使用的混凝土 （2）輕而結(jié)實(shí)；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(fù)的重要因素