1、八年級物理第二章 第四節新材料及其應用 精品導學學案(北師大版)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用.2.過程與方法 經歷上網查資料了解新材料的過程.3.情感、態度與價值觀 通過了解新材料的應用及新的前景，激發學習興趣，擴展視野.探究指導物理宮殿1.納米材料（1）某些物質的尺度加工到1100nm，它的物理性質或者化學性能與較大尺度時相比，發生了異常變化，這些物質組成的材料為納米材料；（2）納米技術的應用：納米技術在工業、農業、能源、環保、醫療、國家安全等各個方面都有廣泛的應用，如圖2.4-1，我國和世界其他國家都在競相開發納米產品.圖2.4-2是1993年中國

2、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；普通領帶的表面經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，如果用它制造發動機的缸體，汽車會跑得更快.圖2.4-1 納米材料的應用領域圖2.4-22.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，丟棄后會污染環境；鉛蓄電池能反復使用，但又太笨重；而新材料做成的鋰電池是有體積小、質量輕、能夠多次充電、對環境污染小等特點，已

3、經被廣泛地用于移動通信、小型攝像機等設備上（如圖2.4-3）；硅光電池能夠把太陽能直接轉換成電能，并且完全不會造成污染，它廣泛應用于人造衛星和照明（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：當溫度達到某一數值時，材料內部的晶體結構會發生變化，從而導致了外形的變化；（4）應用：如將記憶合金制成的彈簧安裝在熱水器的出水閥門內，當水溫超過某一溫度（例如80）時

4、，彈簧自動伸長，將閥門關閉而停止出水，避免發生燙傷人的事故（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隱形戰斗轟炸機，躲過晝夜處于高度戒備狀態的巴拿馬對空監視雷達系統，突然出現在巴拿馬城西120km處的一個軍用機場上空，為美軍大規模入侵巴拿馬奪取了制空權.雷達能監測普通飛機的飛行情況，為什么不能發現隱形飛機呢？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備，它的天線可以轉動，它向一定的方向發射不連續的無線電波，然后根據反射波的方向和時間判斷目標的方位和距離.隱形戰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

5、.答案 隱形戰斗機是利用新型的隱形材料制成的重要軍事武器，涂有隱形材料的戰斗機能將雷達發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，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.探究過程 組成如圖2.4-7裝置；圖2.4-7 材料硬度測量示意圖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生一個小

6、小的凹痕；從凹痕的大小和深度，判斷材料的硬度并排序.分析與結論 材料有軟有硬，較硬的材料能使較軟的材料產生 ，材料的硬度不同， 不一樣.探究點撥 材料的區分可根據材料的不同性質，通過比較進行區分.聊天室話題：納米材料的應用前景胖胖：老師，您能介紹一下納米材料在實際中的應用嗎？老師：納米材料的應用非常廣泛，具體概括為以下幾點：1.在陶瓷領域的應用.隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產生，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.用納米技術可以實現天梯.2002年3月中央電視臺新聞聯播曾做過報道：科學家能夠造出天

7、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年被發現以來，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，用于燃料電池以驅動汽車等.它為清潔能源-氫能的開發、利用提供了良好條件.3.在醫學上的應用.用數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.在生物醫學方面，納米科技更是潛力巨大.納米技術可以在微小尺度里重新排列遺傳密碼，基因生物制

8、作技術就是典型的納米和基因生物學結合的產物.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進行修正，使人類消滅各種遺傳缺陷的理想得以真正實現.仿生學將是納米技術大展宏圖的領域，人類可以制造出細胞內工作的機器人。并將其放入人體內，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.在化工領域的應用.把納米技術運用到涂料中，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.輪胎通常是一統天下的黑色，原因是生產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的輪胎不僅色彩鮮艷，性能也大大提高，輪胎

9、側面膠的抗折性能由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.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起煩人的靜電現象.5.在軍事上的應用. 主要是在三個方面：一是在信息領域，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

10、彈，像蒼蠅一樣大小的飛機.總之，一個嶄新的0.1100nm的世界提供給人類的將是不同于以往任何經驗的東西，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：科學與技術正以日新月異的速度向前飛行發展.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嗎（ ）A.是 B.不是 C.目前還不知道2.上海磁懸浮列車在2003年元旦前一天運行成功，這標志著我國在這個領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，發現了用極薄的金箔貼飾的精美金器.黃金可以被

11、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可以制成高效率的光熱、光電轉換材料將太陽能轉變為 能、 能. 圖2.4-85.光電池是一種把 能轉化為 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

12、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，它的質量為 g.鋰電池的特點是 小、 輕、能夠多次 、對環境污染 等特點，已經被廣泛應用于 、 等設備上.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，而且經濟上不合算等，你愿意加

13、入 方（填甲或乙），并寫出另一條理由 .圖 2.4-9 記憶合金花朵 圖 2.4-109.如圖2.4-10，用形狀記憶合金可制成月面天線.發射前，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勢，盛產反季節瓜菜和海產品.在北運海產品的包裝箱中，一般都選用泡沫塑料制作.據你認為，在利用該材料的過程中：優點是 缺點是（1） ； （4） ；（2） ； （5） ；（3） . （6） . 12.有記憶本領的不只是金屬或合金，塑料等一些非金屬材料也有這種本領，科學家對形狀記憶塑料做了大膽的

14、設想：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用？13.在航天飛機的超音速燃燒沖壓式發動機中，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-200.一邊是海水，一邊是火焰.這樣，燃燒室壁一側要承受極高的溫度，另一側要承受極低的溫度.于是人們將耐高溫的

15、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部結構，使它們既能融相處又保留各自耐熱耐冷的本領，這就是材料領域的新明星-梯度材料.現已開發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構， 圖是梯度材料的分子結構.圖 2.4-1114.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點和缺點，科學家就研制出各種新型的復合材料，就是把兩種或兩種以上的材料結合在一起，使它們各自發揮自身的特長，避開各自的缺點.目前最重要的復合材料分為兩類：一類是纖維增強復合材料，主要是長纖維

16、鋪層復合材料，如玻璃鋼，如圖2.4-12甲；另一類是粒子增強復合材料，如建筑工程中廣泛應用的混凝土.因為它們都是優勢互補的產品，所以它們有許多別的材料所沒有的優點.復合材料又輕又結實，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，這是結構設計，特別是航空、航天結構設計對材料的重要要求.現代飛機、導彈和衛星等機體結構正逐漸擴大使用纖維增強復合材料的比例（如圖2.4-12乙）.圖 2.4-12復合材料不知疲勞，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%，而某些復合材料可高達70%80%，用復合材料制成的直升機旋

17、翼，其疲勞壽命比用金屬制成的長數倍.復合材料的安全性好.在纖維增強復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，因此整個構件不至于在短時間內喪失承載能力.此外，復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點.請回答下列問題：（1）目前的復合材料分成哪幾類？（2）復合材料有哪些優點？（3）你知道哪些物體是由復合材料制成的嗎？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；穩定；長 6.0.53410-3；4.5；體積；質量；充電；小；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、產生有毒氣體、石油資源有限等）9.到達月球表面后，受陽