第三節材料的開發和利用

教學目標

知識目標1.了解材料在人類發展歷史進程中的作用;認識到合理利用資源,有效保護環境的重要性。2.知道導體、絕緣體、半導體導電性能的差異,知道半導體二極管的單向導電性。3.知道超導材料是一種電阻為零的材料。4.知道超導材料具有超導磁浮的特性。5.了解納米材料的有關知識。能力目標1.通過探究實驗認識導體、絕緣體、半導體二極管的電氣特性。2.了解超導材料與納米材料的特性及應用前景。素養目標了解半導體材料的廣泛使用及其對科學、社會的促進作用。

教學重難點

教學重點了解新材料的性能及運用。教學難點了解更多關于新材料及其應用的信息。

教學過程

一、新課導入人類社會的發展與人們對材料的認識、開發和利用密切相關,當今社會的科技飛速發展離不開新材料的研發。你知道材料研發與科技發展有怎樣的關系嗎?人們正在研發哪些新材料呢?二、教學步驟探究點1材料與社會[閱讀課本]P205“材料與社會”[思考]你知道材料與社會發展的關系嗎?[提示]社會的發展帶動了材料的研究和開發;新材料的出現又促進了社會的發展。[思考]你知道哪些以材料應用劃分的歷史時代呢?[提示]人類經歷過舊石器時代、新石器時代和青銅器時代。[思考]我國在材料發展的歷史中有何重要貢獻?[提示]我國是最早掌握青銅冶煉技術的國家之一,青銅的利用讓人類進入了青銅器時代。探究點2材料的導電性[閱讀課本]P206“材料的導電性……鍺和砷化鎵等。”[思考]根據材料的導電性,材料可分為哪些類呢?[提示]材料可分為導體、半導體和絕緣體三大類。[思考]根據你對材料的了解,你能列舉一些材料,并說出它們所屬的類別嗎?[提示]金、銀、銅、鐵等金屬屬于導體;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體。[歸納提升]材料的導電性是由材料內部電子的運動狀況決定的。[閱讀課本]P206~207“導體與絕緣體……將設計的電路畫在右邊的方框中。”[思考]為了檢驗待測材料是導體還是絕緣體,需要準備哪些實驗器材?[提示]需要組成一個完整的電路,電源、燈泡、導線和開關是必不可少的實驗器材。[思考]實驗中常用帶導線的金屬夾(俗稱鱷魚夾)代替開關,你認為這樣做的好處有哪些?[提示]更換待測材料時,只需要將鱷魚夾夾在待測材料的兩端即可,操作方便。[思考]我們是根據什么現象判斷待測材料的?[提示]小燈泡發光,說明電路是通路,待測材料具有導電性,屬于導體;相反,小燈泡不發光,說明待測材料屬于絕緣體。[歸納提升]導體是容易導電的物體;絕緣體是不容易導電的物體。[思考]絕緣體能夠變成導體嗎?[提示]用酒精燈給玻璃加熱到紅熾狀態,玻璃也可以導電。[歸納提升]導體和絕緣體并沒有絕對界限,在一定的條件下絕緣體也可以變成導體。[思考]半導體材料在日常生活中有哪些應用呢?[提示]半導體二極管、光電二極管、熱敏電阻、發光二極管等。[思考]取一個電阻和一個半導體二極管,串聯接入電路中,閉合開關,觀察半導體二極管發光情況;對調電源的正負極,再次觀察半導體二極管的發光情況,你發現了什么?[提示]半導體二極管第一次發光,第二次不發光。[思考]這一現象說明了什么?[提示]實驗中其他因素都沒有改變,只是改變了電路中的電流方向,說明半導體的導電性與電流的方向有關。[歸納提升]半導體二極管具有單向導電性,即僅允許電流從一個方向通過元件。[習題]閱讀下面材料,回答問題。第四代光源——LED光源如圖甲是時下較為流行的LED手電筒和LED吸頂燈,它的主要部分是高亮度白色發光二極管,這種發光二極管主要由硅、砷等半導體材料制成,具有光效高、耗電少、壽命長、易控制、免維護、安全環保等優點,是繼白熾燈、鹵素燈和節能熒光燈后新興的第四代電光源,是極具發展前途的新光源。與白熾燈先發熱后發光的原理不同,LED的發光原理是直接把電能轉換成光能的器件,因而其發光效率較高,是新一代固體冷光源,將逐步取代傳統光源。圖乙是LED的元件實物及符號。由于二極管具有單向導電性,使用時必須將它的正極與電源正極相連,二極管才能處于導通狀態,否則處于截止狀態。利用圖丙所示電路可以研究發光二極管的工作特性:把一個額定電壓為3V的LED燈接入電源電壓恒為4.5V的電路,閉合開關S,LED即處于導通狀態,調節滑動變阻器滑片,改變LED燈兩端的電壓和電路中電流,記錄多組電壓、電流數據,可以得到電壓表與電流表示數關系,如圖丁所示。(1)LED燈主要由(選填“導體”“半導體”或“超導體”)材料制成;它之所以節能,被稱為冷光源,是因為電熱轉換損耗的能量較白熾燈(選填“高”或“低”)。

(2)在圖丙中,閉合S,調節滑動變阻器,使LED燈正常發光;斷開S,改變電源的正、負極后再閉合S,LED燈(選填“能”或“不能”)發光;此時兩電表的示數為(填字母)。

A.4.5V20mA B.3V20mAC.4.5V0 D.3V0[分析]發光二極管主要由硅、砷等半導體材料制成,具有光效高、耗電少、壽命長、易控制、免維護、安全環保等優點,所以,LED燈主要由半導體材料制成;節能燈被稱為冷光源,是因為電熱轉換損耗的能量較白熾燈低;閉合開關S,LED燈發光;斷開S,改變電源的正、負極后閉合S,LED由于具有單向導電性,所以電路處于開路狀態,LED燈不能發光;此時電壓表示數為電源電壓4.5V,電流表的示數為0。[答案](1)半導體低(2)不能C探究點3開發新材料[閱讀課本]P208“超導材料”[思考]什么叫超導現象?什么叫超導材料?[提示]有些材料當溫度降低到某一溫度時,材料的電阻值突然變為零的現象叫超導現象。能夠發生超導現象的材料叫超導材料。[思考]只有當溫度在某一低溫(稱轉變溫度或臨界溫度)以下才具有超導性,那么不同材料的轉變溫度相同嗎?[提示]不同材料的轉變溫度不同,如汞(4.15K)、鎢(0.012K)、鋅(0.75K)等。現在的一些高溫超導材料,由一般導體轉變為超導體的溫度已達到100K以上。我國研制的超導材料的轉變溫度已達到134K。[思考]你對超導磁浮現象有哪些了解呢?[提示]一個超導體與一個永磁體(或電磁鐵)疊放時,由于電磁感應現象,超導體中產生的感應電流激發很強的磁場,與永磁體(或電磁鐵)的磁場因同名磁極相互排斥,磁場的排斥力與被懸起來的物體的重力平衡而形成的穩定的磁浮現象。[歸納提升]超導材料的應用:運用電阻為零的特性制作電動機線圈、輸電導線等;運用磁懸浮的特性制造磁懸浮列車等。[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]當材料的微粒大小達到納米級(10-9m),就是這種材料的微粒由幾個分子組成時,材料的性能會發生顯著變化,如顏色、導電性、導熱性、硬度、磁性等會產生很大的變化。由納米材料組成的物質也就有了許多一般物質沒有的特性。[歸納提升]納米是長度單位,符號是nm,1nm=10-9m;不是所有材料達到納米尺度時就一定是納米材料,只有當材料到了納米尺度時性能發生突變,才能稱為納米材料;只有產品的主導技術或主要材料是由納米結構單元構成的,才是真正的納米產品。[思考]你知道納米材料有哪些應用呢?[提示]納米材料可提高計算機的性能,納米材料的磁盤容量大等。[思考]除了課本的介紹之外,你還了解哪些新材料呢?它對未來社會的發展會有哪些影響呢?[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。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性,在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景,被認為是一種未來革命性的材料。2018年3月31日,中國首條全自動量產石墨烯有機太陽能光電子器件生產線在山東菏澤啟動,該項目主要生產可在弱光下發電的石墨烯有機太陽能電池,破解了應用局限、對角度敏感、不易造型這三大太陽能發電難題。電子產品中的可彎曲屏幕成為未來移動設備顯示屏的發展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊,作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。從理論上來講,人們可以卷起智能手機,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域。美國麻省理工學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能電池的成本,這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外,石墨烯超級電池的成功研發也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題,極大加速了新能源電池產業的發展。石墨烯過濾器比其他海水淡化技術要使用得多。水環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。通過機械手段進一步壓縮石墨烯薄膜中的毛細通道尺寸,控制孔徑大小,能高效過濾海水中的鹽分。石墨烯有望在諸多應用領域中成為新一代器件,為了探尋石墨烯更廣闊的應用領域,還需繼續尋求更為優異的石墨烯制備工藝,使其得到更好的應用。石墨烯雖然從合成和證實存在到今天只有短短十幾年的時間,但是