21.3 跨学科：材料的利用与开发 教案（表格式）2025-2026学年物理沪科版九年级全一册

第三节跨学科:材料的利用与开发物理观念:能结合实例了解一些新材料的特点及其应用,了解半导体、超导体、纳米材料等的主要特点,知道材料对人类社会发展的促进作用,知道新材料的发展为科学技术发展提供了物质基础。科学思维:通过根据材料的导电性,材料分为导体、半导体和绝缘体,体验根据物理性质对物质进行分类的思维。科学探究:梳理人类利用材料的历史和人类社会发展史,能体会材料技术的研发与应用对社会发展的影响。通过收集相关信息,初步了解超导材料、纳米材料等新材料的知识及其应用。科学态度与责任:能感受到超导、纳米等新材料的神奇,能关注新材料研究的动向,能体会科技发展无止境,人类的探索将不断深入。能为我国在新材料研发方面的成就感到自豪。教学重点:知道半导体、超导体、纳米材料等的主要特点及其应用。教学难点:能关注新材料研究的动向,体会材料技术的研发与应用对社会发展的影响。教师准备:课件、若干半导体二极管、三极管、热敏电阻、集成电路、芯片等。学生准备:电源、开关、导线(一端带导线夹)、灯泡、纯净水、盐水、LED灯珠、白炽灯泡玻璃支杆等。教学环节设计意图一、创设情境导入新课视频导入1:观看视频:神奇材料。随着科学技术的日新月异,人们制造出了有很多神奇功能的新材料,这些材料又反过来促进了科学技术的发展。你知道有哪些神奇的材料,说出来分享给大家。学生:……今天我们就来学习材料的知识。情境导入2:教师:今天天气比较热,我穿了一件白色T恤,棉质材料,透气性好,吸汗性好。你的衣服都是什么面料?感觉有什么优点?学生列举出各种材料,如丝绸,颜色鲜亮丝滑;棉麻,透气性好;尼龙纤维,造价低,耐磨性好。教师:我们的衣服面料种类就这么多种,生活中我们的生活用品各种各样,那么做这些物品的材料就会各式各样。今天我们就来学习:材料的开发和利用。学源于思,思源于疑。创造情景,引导学生带着任务问题,怀有兴趣地去学习新内容二、新课讲解探究新知探究点一人类早期对材料的利用1.活动(1)材料是用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。请学生举例说明我们周围有哪些物品?是由什么材料制成的?提示:身边的物品有文具盒、钢笔、铅笔、圆珠笔、胶水、课本、桌凳、黑板、墙壁、门窗、粉笔、电线、灯具……构成材料如木头、塑料、金属、布料、玻璃、纸张……(2)请逐一说出这些材料的来源。木头从树林里砍伐,金属来自冶炼厂,布料来自纺织厂,纸张来自造纸厂……(3)其中,能直接取自自然界的材料称为天然材料,如木材、棉花、陶土等,而由人工合成的材料称为人造材料,如塑料、合金等。2.人类对材料的认识、开发和利用历程指导学生阅读课本P211~212“人类早期对材料的利用”部分,讨论总结人类使用材料的几个阶段。(1)石器时代:有木料、石头、兽皮、兽骨等。(2)青铜时代:能冶炼铜并能用来制作武器和工具。(3)铁器时代:能冶炼铁并用来大规模制造机器。通过学生举例,加深对材料类型的理解3.材料使用跟社会发展的关系老师通过课件对比社会发展阶段、使用材料阶段及生产力发展水平讲解。结论:一部人类社会发展史,就是一部人类开发、利用材料的历史。材料的发展也为科学技术的发展提供了物质基础。探究点二导电性材料的利用与开发我们身处电气化时代,材料的导电性是物理学研究的一个重要方面。1.设计实验,检验常见材料的导电性。(1)组装如图所示电路。(2)将要测试的材料物品,如塑料尺子、铅笔芯、橡皮、纸张、纯净水、盐水等接入两个导线夹之间,观察灯泡发光情况确定其导电性能。这种研究问题的方法是转换法。当接入材料后灯泡较亮,说明其导电性能较好。

(3)你所测得的导电性能较好的材料有:。

导电性能不好的材料有:。

2.导体和绝缘体的相对性老师拿出一根玻璃棒,展示给学生,它是导体还是绝缘体?(1)目的:演示玻璃在高温下变成导体。(2)器材:废灯泡内的玻璃支杆(制取时应确保导线引出线完好)、电流表(10~30mA)、发光二极管、导线若干、电源、酒精灯等。(3)操作步骤①将电源、玻璃支杆的两导线、LED灯珠组成一个串联电路。由于玻璃是绝缘体,可以观察到发光二极管不发光。说明玻璃在常温下是绝缘体。②用酒精灯对玻璃杆加热,随着玻璃杆温度的升高,发光二极管也发光,说明烧红的玻璃已变成了导体。③停止加热,温度下降,玻璃又会变成绝缘体,灯珠又不发光了。(4)结论:玻璃在常温下导电能力很弱,是绝缘体,而在高温下的红炽状态时导电能力变强,成为导体。说明导体和绝缘体没有绝对的界限。3.探究二极管的单向导电性(1)老师拿出一些二极发光管(其“+”“-”标志已刮去)。老师:猜猜它是导体还是绝缘体?学生有的说是导体,有的说是绝缘体。老师指导学生用实验去检验。(2)可是有的小组接入后灯泡发光,说明它是导体,而有的小组接入后灯泡不发光,说明它又是绝缘体。问题出在哪儿呢?通过该图,以时间为主线,对比呈现了社会发展阶段、所处时间材料特点、对应生产力水平,使材料的利用与社会发展的关系跃然纸上通过实验探究,激发学生的兴趣,加深对材料导电性质的理解通过巧妙的设计,使得探究二极管的单向导电性实验成为五个系列实验中间承上启下的实验,分开是五个实验,但是五个实验成序列化展现,逐步递进,使学生对材料的导电性能有了具体形象且深入的认识(3)老师指导学生,你们把接入的这个二极管两个接线柱对调,再接入原电路进行观察。奇迹出现了,原来不发光的现在发光了,原来发光的接线柱对调之后不发光了,原来它有时是导体,有时是绝缘体。(4)是不是更换接线后改变了二极管的电阻呢?我们加深探究:我们拿一个普通的电阻放在电路中量两导线夹中间,观察小灯泡的亮度,然后将电阻两接线柱对调或将电源正负极对调,接通电路后再观察灯泡的亮度,发现灯泡的亮度不变。进而我们得出结论:电阻跟电流的方向无关,而半导体二极管的导电性却与电流方向有关。(5)老师顺势强调:这个二极管是由半导体材料制成的,半导体的导电能力介于导体和半导体之间。刚才我们就探究了二极管具有单向导电的特性,即仅允许电流由一个方向通过元件。

(6)当电流从二极管的正极流入,负极流出时,允许电流通过,反过来不允许电流通过。请你利用手中的器材探究一下二极管的正负极吧。4.根据材料的导电性能,材料可分为导体、半导体及绝缘体三大类。金、银、铜、铁和铝等金属材料是导电性能较好的良导体,而橡胶、塑料等,它们的电阻很大,电流几乎不能通过,是绝缘体。而半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间,它们具有一些特殊的物理性质,如材料硅、锗、砷化镓等都属于半导体。

5.思考问题:有人认为导体可以用来导电为我们服务,那绝缘体不导电,半导体有时导电有时不导电,在日常生活中用处就不大了,这种说法对吗?提示:好的绝缘体可以用来隔离带电物体,半导体材料更是具有很多特殊的用途,如半导体二极管具有单向导电性,半导体三极管可以放大电信号,所以他们在电学中同样重要。

6.老师展示半导体元件,如三极管、热敏电阻、集成电路、芯片等。你知道半导体材料在生活中都有哪些应用?提示:太阳能电池、条形码扫描器、微处理器、机器人等。探究点三开发新材料1.观看超导材料、纳米材料的疏水性和气凝胶的视频,感受超导材料、纳米材料的特性。2.阅读课本P213~215“开发新材料”部分。(1)超导材料问题1:什么现象叫超导现象?谁发现的?什么材料叫超导材料?提示:1911年昂内斯发现的;有些材料当温度降低到某一温度时,材料的电阻突然变为零的现象叫超导现象;能够发生超导现象的材料叫超导材料。问题2:什么是超导磁悬浮现象?谁发现的?提示:1933年迈斯纳和奥森菲尔德发现了超导磁悬浮现象。问题3:超导材料有哪些应用呢?小结:运用电阻为零的特性制作电动机线圈、输电导线等,可减少电能损失,提高电能利用率;运用磁悬浮的特性制造磁悬浮列车、超导船等。(2)纳米材料问题1:什么是纳米材料?纳米材料的特性及应用?小结:纳米材料统指全成材料的基本单元大小限制在1~100nm范围的材料。纳米技术可以大大提高材料的强度和硬度,降低烧结温度,提高材料的磁性等.问题2:人们正在研制纳米尺度的微小机器;由纳米材料制成的导线将大大提高计算机的性能,并缩小计算机芯片的体积。你还知道纳米材料有哪些神奇的应用?请分享给大家。通过分享交流,拓宽学生的思路和视野超导材料、纳米材料气凝胶以及纳米材料的疏水性等很难用语言描述,用视频展现,既让学生形象感受到,又开拓了学生的视野3.请课后查阅资料,从跨学科视角综合了解气凝胶的物质结构及应用前景,写一篇相关的小论文。三、归纳概括课堂小结学生讨论发言,梳理本节知识要点,老师随时补充。(“课堂小结”内容见PPT课件)培养学生归纳总结的意识和能力第三节跨学科:材料的利用与开发一、人类早期对材料的利用1.材料使用的三个阶段:(1)石器时代;(2)青铜器时代;(3)铁器时代。2.材料的开发使用与社会二、导电性材料的利用与开发1.根据材料的导电性分类:(1)导体;(2)绝缘体;(3)半导体。2.不同导电性能材料的应用3.探究半导体二极管的单向导电性三、开发新材料1.超导材料2.纳米材料见PPT课件。学生每天接触生活用品