第三節(jié)材料的開(kāi)發(fā)和利用

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)目標(biāo)1.了解材料在人類(lèi)發(fā)展歷史進(jìn)程中的作用;認(rèn)識(shí)到合理利用資源,有效保護(hù)環(huán)境的重要性。2.知道導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的差異,知道半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦浴?.知道超導(dǎo)材料是一種電阻為零的材料。4.知道超導(dǎo)材料具有超導(dǎo)磁浮的特性。5.了解納米材料的有關(guān)知識(shí)。能力目標(biāo)1.通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體二極管的電氣特性。2.了解超導(dǎo)材料與納米材料的特性及應(yīng)用前景。素養(yǎng)目標(biāo)了解半導(dǎo)體材料的廣泛使用及其對(duì)科學(xué)、社會(huì)的促進(jìn)作用。

教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)了解新材料的性能及運(yùn)用。教學(xué)難點(diǎn)了解更多關(guān)于新材料及其應(yīng)用的信息。

教學(xué)過(guò)程

一、新課導(dǎo)入人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展與人們對(duì)材料的認(rèn)識(shí)、開(kāi)發(fā)和利用密切相關(guān),當(dāng)今社會(huì)的科技飛速發(fā)展離不開(kāi)新材料的研發(fā)。你知道材料研發(fā)與科技發(fā)展有怎樣的關(guān)系嗎?人們正在研發(fā)哪些新材料呢?二、教學(xué)步驟探究點(diǎn)1材料與社會(huì)[閱讀課本]P205“材料與社會(huì)”[思考]你知道材料與社會(huì)發(fā)展的關(guān)系嗎?[提示]社會(huì)的發(fā)展帶動(dòng)了材料的研究和開(kāi)發(fā);新材料的出現(xiàn)又促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展。[思考]你知道哪些以材料應(yīng)用劃分的歷史時(shí)代呢?[提示]人類(lèi)經(jīng)歷過(guò)舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代和青銅器時(shí)代。[思考]我國(guó)在材料發(fā)展的歷史中有何重要貢獻(xiàn)?[提示]我國(guó)是最早掌握青銅冶煉技術(shù)的國(guó)家之一,青銅的利用讓人類(lèi)進(jìn)入了青銅器時(shí)代。探究點(diǎn)2材料的導(dǎo)電性[閱讀課本]P206“材料的導(dǎo)電性……鍺和砷化鎵等。”[思考]根據(jù)材料的導(dǎo)電性,材料可分為哪些類(lèi)呢?[提示]材料可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三大類(lèi)。[思考]根據(jù)你對(duì)材料的了解,你能列舉一些材料,并說(shuō)出它們所屬的類(lèi)別嗎?[提示]金、銀、銅、鐵等金屬屬于導(dǎo)體;紙片、干燥的木頭、玻璃、橡膠等屬于絕緣體;硅、鍺和砷化鎵等屬于半導(dǎo)體。[歸納提升]材料的導(dǎo)電性是由材料內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)狀況決定的。[閱讀課本]P206~207“導(dǎo)體與絕緣體……將設(shè)計(jì)的電路畫(huà)在右邊的方框中?！盵思考]為了檢驗(yàn)待測(cè)材料是導(dǎo)體還是絕緣體,需要準(zhǔn)備哪些實(shí)驗(yàn)器材?[提示]需要組成一個(gè)完整的電路,電源、燈泡、導(dǎo)線和開(kāi)關(guān)是必不可少的實(shí)驗(yàn)器材。[思考]實(shí)驗(yàn)中常用帶導(dǎo)線的金屬夾(俗稱鱷魚(yú)夾)代替開(kāi)關(guān),你認(rèn)為這樣做的好處有哪些?[提示]更換待測(cè)材料時(shí),只需要將鱷魚(yú)夾夾在待測(cè)材料的兩端即可,操作方便。[思考]我們是根據(jù)什么現(xiàn)象判斷待測(cè)材料的?[提示]小燈泡發(fā)光,說(shuō)明電路是通路,待測(cè)材料具有導(dǎo)電性,屬于導(dǎo)體;相反,小燈泡不發(fā)光,說(shuō)明待測(cè)材料屬于絕緣體。[歸納提升]導(dǎo)體是容易導(dǎo)電的物體;絕緣體是不容易導(dǎo)電的物體。[思考]絕緣體能夠變成導(dǎo)體嗎?[提示]用酒精燈給玻璃加熱到紅熾狀態(tài),玻璃也可以導(dǎo)電。[歸納提升]導(dǎo)體和絕緣體并沒(méi)有絕對(duì)界限,在一定的條件下絕緣體也可以變成導(dǎo)體。[思考]半導(dǎo)體材料在日常生活中有哪些應(yīng)用呢?[提示]半導(dǎo)體二極管、光電二極管、熱敏電阻、發(fā)光二極管等。[思考]取一個(gè)電阻和一個(gè)半導(dǎo)體二極管,串聯(lián)接入電路中,閉合開(kāi)關(guān),觀察半導(dǎo)體二極管發(fā)光情況;對(duì)調(diào)電源的正負(fù)極,再次觀察半導(dǎo)體二極管的發(fā)光情況,你發(fā)現(xiàn)了什么?[提示]半導(dǎo)體二極管第一次發(fā)光,第二次不發(fā)光。[思考]這一現(xiàn)象說(shuō)明了什么?[提示]實(shí)驗(yàn)中其他因素都沒(méi)有改變,只是改變了電路中的電流方向,說(shuō)明半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與電流的方向有關(guān)。[歸納提升]半導(dǎo)體二極管具有單向?qū)щ娦?即僅允許電流從一個(gè)方向通過(guò)元件。[習(xí)題]閱讀下面材料,回答問(wèn)題。第四代光源——LED光源如圖甲是時(shí)下較為流行的LED手電筒和LED吸頂燈,它的主要部分是高亮度白色發(fā)光二極管,這種發(fā)光二極管主要由硅、砷等半導(dǎo)體材料制成,具有光效高、耗電少、壽命長(zhǎng)、易控制、免維護(hù)、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),是繼白熾燈、鹵素?zé)艉凸?jié)能熒光燈后新興的第四代電光源,是極具發(fā)展前途的新光源。與白熾燈先發(fā)熱后發(fā)光的原理不同,LED的發(fā)光原理是直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件,因而其發(fā)光效率較高,是新一代固體冷光源,將逐步取代傳統(tǒng)光源。圖乙是LED的元件實(shí)物及符號(hào)。由于二極管具有單向?qū)щ娦?使用時(shí)必須將它的正極與電源正極相連,二極管才能處于導(dǎo)通狀態(tài),否則處于截止?fàn)顟B(tài)。利用圖丙所示電路可以研究發(fā)光二極管的工作特性:把一個(gè)額定電壓為3V的LED燈接入電源電壓恒為4.5V的電路,閉合開(kāi)關(guān)S,LED即處于導(dǎo)通狀態(tài),調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片,改變LED燈兩端的電壓和電路中電流,記錄多組電壓、電流數(shù)據(jù),可以得到電壓表與電流表示數(shù)關(guān)系,如圖丁所示。(1)LED燈主要由(選填“導(dǎo)體”“半導(dǎo)體”或“超導(dǎo)體”)材料制成;它之所以節(jié)能,被稱為冷光源,是因?yàn)殡姛徂D(zhuǎn)換損耗的能量較白熾燈(選填“高”或“低”)。

(2)在圖丙中,閉合S,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,使LED燈正常發(fā)光;斷開(kāi)S,改變電源的正、負(fù)極后再閉合S,LED燈(選填“能”或“不能”)發(fā)光;此時(shí)兩電表的示數(shù)為(填字母)。

A.4.5V20mA B.3V20mAC.4.5V0 D.3V0[分析]發(fā)光二極管主要由硅、砷等半導(dǎo)體材料制成,具有光效高、耗電少、壽命長(zhǎng)、易控制、免維護(hù)、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),所以,LED燈主要由半導(dǎo)體材料制成;節(jié)能燈被稱為冷光源,是因?yàn)殡姛徂D(zhuǎn)換損耗的能量較白熾燈低;閉合開(kāi)關(guān)S,LED燈發(fā)光;斷開(kāi)S,改變電源的正、負(fù)極后閉合S,LED由于具有單向?qū)щ娦?所以電路處于開(kāi)路狀態(tài),LED燈不能發(fā)光;此時(shí)電壓表示數(shù)為電源電壓4.5V,電流表的示數(shù)為0。[答案](1)半導(dǎo)體低(2)不能C探究點(diǎn)3開(kāi)發(fā)新材料[閱讀課本]P208“超導(dǎo)材料”[思考]什么叫超導(dǎo)現(xiàn)象?什么叫超導(dǎo)材料?[提示]有些材料當(dāng)溫度降低到某一溫度時(shí),材料的電阻值突然變?yōu)榱愕默F(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象。能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的材料叫超導(dǎo)材料。[思考]只有當(dāng)溫度在某一低溫(稱轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度)以下才具有超導(dǎo)性,那么不同材料的轉(zhuǎn)變溫度相同嗎?[提示]不同材料的轉(zhuǎn)變溫度不同,如汞(4.15K)、鎢(0.012K)、鋅(0.75K)等。現(xiàn)在的一些高溫超導(dǎo)材料,由一般導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體的溫度已達(dá)到100K以上。我國(guó)研制的超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度已達(dá)到134K。[思考]你對(duì)超導(dǎo)磁浮現(xiàn)象有哪些了解呢?[提示]一個(gè)超導(dǎo)體與一個(gè)永磁體(或電磁鐵)疊放時(shí),由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象,超導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流激發(fā)很強(qiáng)的磁場(chǎng),與永磁體(或電磁鐵)的磁場(chǎng)因同名磁極相互排斥,磁場(chǎng)的排斥力與被懸起來(lái)的物體的重力平衡而形成的穩(wěn)定的磁浮現(xiàn)象。[歸納提升]超導(dǎo)材料的應(yīng)用:運(yùn)用電阻為零的特性制作電動(dòng)機(jī)線圈、輸電導(dǎo)線等;運(yùn)用磁懸浮的特性制造磁懸浮列車(chē)等。[閱讀課本]P208“納米材料”[思考]什么是納米材料?你知道納米材料的特性嗎?[提示]當(dāng)材料的微粒大小達(dá)到納米級(jí)(10-9m),就是這種材料的微粒由幾個(gè)分子組成時(shí),材料的性能會(huì)發(fā)生顯著變化,如顏色、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、硬度、磁性等會(huì)產(chǎn)生很大的變化。由納米材料組成的物質(zhì)也就有了許多一般物質(zhì)沒(méi)有的特性。[歸納提升]納米是長(zhǎng)度單位,符號(hào)是nm,1nm=10-9m;不是所有材料達(dá)到納米尺度時(shí)就一定是納米材料,只有當(dāng)材料到了納米尺度時(shí)性能發(fā)生突變,才能稱為納米材料;只有產(chǎn)品的主導(dǎo)技術(shù)或主要材料是由納米結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的,才是真正的納米產(chǎn)品。[思考]你知道納米材料有哪些應(yīng)用呢?[提示]納米材料可提高計(jì)算機(jī)的性能,納米材料的磁盤(pán)容量大等。[思考]除了課本的介紹之外,你還了解哪些新材料呢?它對(duì)未來(lái)社會(huì)的發(fā)展會(huì)有哪些影響呢?[介紹]石墨烯是一種由碳原子組成的六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性,在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景,被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料。2018年3月31日,中國(guó)首條全自動(dòng)量產(chǎn)石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能光電子器件生產(chǎn)線在山東菏澤啟動(dòng),該項(xiàng)目主要生產(chǎn)可在弱光下發(fā)電的石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能電池,破解了應(yīng)用局限、對(duì)角度敏感、不易造型這三大太陽(yáng)能發(fā)電難題。電子產(chǎn)品中的可彎曲屏幕成為未來(lái)移動(dòng)設(shè)備顯示屏的發(fā)展趨勢(shì)。柔性顯示未來(lái)市場(chǎng)廣闊,作為基礎(chǔ)材料的石墨烯前景也被看好。從理論上來(lái)講,人們可以卷起智能手機(jī),然后像鉛筆一樣將其別在耳后。新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領(lǐng)域。美國(guó)麻省理工學(xué)院已成功研制出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板,可極大降低制造透明可變形太陽(yáng)能電池的成本,這種電池有可能在夜視鏡、相機(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用。另外,石墨烯超級(jí)電池的成功研發(fā)也解決了新能源汽車(chē)電池的容量不足以及充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題,極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。石墨烯過(guò)濾器比其他海水淡化技術(shù)要使用得多。水環(huán)境中的氧化石墨烯薄膜與水親密接觸后,可形成約0.9nm寬的通道,小于這一尺寸的離子或分子可以快速通過(guò)。通過(guò)機(jī)械手段進(jìn)一步壓縮石墨烯薄膜中的毛細(xì)通道尺寸,控制孔徑大小,能高效過(guò)濾海水中的鹽分。石墨烯有望在諸多應(yīng)用領(lǐng)域中成為新一代器件,為了探尋石墨烯更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,還需繼續(xù)尋求更為優(yōu)異的石墨烯制備工藝,使其得到更好的應(yīng)用。石墨烯雖然從合成和證實(shí)存在到今天只有短短十幾年的時(shí)間,但是