5.5 新材料及其应用-沪粤版八年级《物理》上册导学案

5.5新材料及其应用(导学案)1.了解纳米材料、半导体材料、超导材料的核心特性，知道三类新材料是现代科技发展的重要基础。2.理解晶体二极管的单向导电性，掌握半导体材料3.知道超导材料的零电阻特性，了解超导材料的应用前景4.通过跨学科实践活动，提升实验设计、资料整理与合作探究能力，认识新材料对社会发展的推动作1.纳米材料、半导体材料、超导材料的典型物理特性1.目前广泛研究的典型新材料包括纳米材料、半导体材料和超导材料等，它们具备特殊的物理性能，2.当材料的微粒小到纳米尺寸时，材料的性能会发生显著变化：纳米陶瓷可在室温下任意弯曲、碳纳米管强度是钢的上百倍，都属于纳米材料的特殊性质。4.某些材料在温度降低到特定值时，电阻会突然接近于零，这种特性称为超导性，具备该特性的材料5.用超导材料远距离输电，可大大节约能源和材料；我国研制的铜氧化物超导材料零电阻温度已达到134K,科研水平处于世界前列。·磁学特性：纳米磁性材料的磁记录密度远高于普通磁性材料；·扩散特性：气体通过纳米材料的扩散速度，比通过普通材料快几千倍。我国传统文房四宝中的墨，本质就是纳米炭材料。桐油或松油不完全燃烧产生的超微粒炭黑，尺寸达到纳米级，对光和电磁波的吸收率高、反射率极低，因此呈现浓黑色。1.请再列举2个纳米材料在生活或科技领域的应用实例。2.隐形飞机能够避开雷达探测，和纳米材料的哪一项特性直接相关?请简要说明原理。原理：雷达依靠发射电磁波，并接收目标反射的回波来探测物体；隐形飞机表面的纳米涂层可以大量吸收雷达发射的电磁波，使反射回雷达的信号极其微弱，因此雷达难以探测到飞机。纳米材料可以制作具有特定性质的新材料，用纳米级金属微粉制成的材料强度和熔点随粒子直径减小而降低。例如金的熔点为1064℃但10nm金粉熔点降低到940℃,5nm金粉熔点降低到830℃,因而烧制温度可以大大降低。2023年12月，武汉理工大学用磁性纳米粒子研制出可溶栓纳米机器人，通过静脉注射磁性纳米粒子，在磁力作用下形成棒状机器人疏通血管进行溶栓，如图甲所示。这些机器人在完成任免在血管内聚集和器官损伤。磁性纳米粒子尺寸在1~100nm之间，结合了纳米材料的特性和磁性。甲(1)纳米材料的优点是(写出一点)。(2)纳米材料的熔点随着材料细粉直径的减小而o(3)某种用于血管清理的纳米机器人，直径仅为20nm,合(1m=10⁹nm)。(4)溶栓纳米机器人是拆分后从静脉注射入人体，在(6)图乙是纳米陶瓷刀、合金钢刀、普通菜刀磨损程度随时间变化的曲线，其中反映纳米陶瓷刀磨损特点的曲线是(填字母)。【答案】(1)韧性好(合理即可);(2)降低；(3)2×10-8m;(4)磁力；(5)2.04×10¹²;降低到940℃,5nm金粉熔点降低到830℃,因而烧制温度可以大大降低。(3)因为1m=10⁹nm,所以20nm=20×109m=2×10-8m①将晶体二极管正向接入电路(长引脚接电源正极一侧),依次连接电池、开关、小灯泡、二极②断开开关，将晶体二极管的正负极反向接入电路(短引脚接电源正极一侧),【例题2】光刻机是制造手机、电脑芯片的核心设备，被誉为“芯片之母”。芯片的主要制作材料——硅是一种重要的材料(选填“导体”、“半导体”或“超导体”)。在光刻过程中，光源发出的光在真空中的传播速度约为m/s。1911年，荷兰物理学家昂内斯发现：当温度降至4.2K(约-269℃)时，汞的电阻会突然接近于零，电流几乎可以无阻碍地通行。材料的这种零电阻特性称为超导性，具有超导性的材料称为超导材料。·常规超导材料需要极低的温度才能进入超导状态，目前全球科研人员都在向“常温超导”方向攻·我国超导研究处于世界先进水平：铜氧化物超导材料的零电阻温度达134K,铁基超导体临界温度率先突破40K。·医疗设备：用于核磁共振设备，制造高强度、低能耗的磁场；·交通领域：应用于磁悬浮列车，实现高速、低噪、低损耗的运行。④医疗领域：核磁共振等依靠强磁场的设备成本大幅降低，成像精度更高，普及度显著提升。2.请结合电能损耗的相关知识，解释为什么超导材料用于远距离输电可以大大节约能源。电距离越远，损耗越大。超导材料的电阻接近于零，电流通过时几乎不产生热量，输电过程中的电能损耗超导现象金属的电阻随温度的升高而增大，当金属的温度降低时，它的电阻减小。1911年，荷兰物理学家昂导现象。并不是所有物体都会发生超导现象，而能够发生超导现象的物阻转变为零，物质电阻变为零的温度称为超导转变温度，以下是几种材料的超导转变温度：我国于1989本低更适用于产业化运作而被市场看好，超导产品品类也逐渐增加，现已进行产业化超导限流器、超导滤波器、超导储能等，虽然我国整体超导研发水平与国际尚有一定物质铝铅锡钨超导转变温度/℃这种现象称为_,达到该现象的温度称为;(3)通过文中的描述，超导的转变温度越(选填“高”或“低”),越容易应用到日常生产【答案】(1)超导现象超导转变温度；(2)铅；(3)高纳米复合材料反射率低、吸收电磁波(作隐形飞机涂层)气体扩散速度比普通材料大几千倍特性发现：1911年昂内斯发现汞在4.2K(-269℃)时电阻近零，新材料及其应用【答案】AB.纳米材料可以抑制细菌的生长，所以洗衣机桶的表面可以涂上纳米材料，比如纳米抗菌奶瓶，故B正D.纳米技术能造出纳米机器人“医生”,该种类机器人体积甚小，能进入人体杀死癌细胞，故D正确，故选A。2.超导材料具有零电阻、抗磁性等特殊的物理性质，应用领域非常广泛。近年来，我国积极推进常温超导及其应用领域的研究。常温下的超导体，最适合运用于()C.制作电炉的电阻丝D.远距离输电【解析】ABC.常温下的超导体，是指在常温下阻值为0,而电热毯的电阻丝、白炽灯泡的灯丝、电炉的电阻丝都是利用焦耳定律工作的，都需要电阻不为0,故A、B、C不符合题意；D.常温下的超导体阻值为0,用来远距离输电，可以减少电能的损失，故D符合题意。故选D。4.利用飞秒激光制备无涂层超疏水金属材料是中国科学院长春光机所杨建军团队的一项重要研究成果。超疏水金属材料具有疏水性能优异、化学稳定性强、防腐性能突出等特点，优异的疏体材料对其附着性大大降低，稳定的化学性质和防腐性能可使其在高盐高碱等环境列场景中不宜使用该材料的是()A.海洋工程设备B.潜艇外壳C.化工设备D.需要印刷的金属板材B.潜艇外壳在海水中运行，面临海水腐蚀和附着生物等问题，超疏水金属材料的疏水和防腐特性可有效B.超导材料用于制作电饭锅的发热体，可提高发热效率【答案】BC.硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件，不会污染环境，故C正确，不符合题意；6.两个水果组成的电池与发光二极管串联接入如图所示电路，此时二极管发光。若将二极管两极的接线对调，二极管不发光，则说明了发光二极管具有性。制作发光二极管的材料是锗和硅，它们属于 材料。水果电池的A端相当于电源的(正、负)极。B是水果电池的负极。“纳米(nm)”是长度的度量单位，假设一根头发的直径是0.05mm,把它径向平均剖成5万根，每根的厚度大约就是一纳米。0.05mm=nm。纳米技术，是研究结构尺寸在1纳米的材料，强度和硬度大大高于原来的材料，且有良好的韧性。如图是纳米陶瓷刀、合金钢刀、普通菜特殊性，则纳米粒子进入人体的途径可能是。(选填字母“A”“B”或“C”“D”)①皮肤直接接触纳米粒子②呼吸时把纳米粒子吸入肺部③进食故0.05mm=0.05×10⁶nm=5×10⁴nm体。故①②③均正确，故ABC不符合题意，D符合题意。故选D。8.2023年8月29日，横空出世的华为新手机mate60向世界展示了中国高科技企业的集体实力。手机、智能家用电器、军事领域等都离不开芯片，芯片核心主要是由(选填“导体”“半导体”或“绝缘体”)材料制成的；最新芯片技术已采用2纳米制程，纳米是_(选填“长度”“时间”或“质量”)单位；研究发现，铝在-271.76℃以下时，电阻变成了零，这就是【答案】半导体长度超导[3]铝在-271.76℃以下时，电阻变成了零，这就是超导现象，超导体的电阻为0。9.新材料越来越多地进入我们的学习、工作和生活，并正在改变我们的生活方式，提高我们的生活质量，促进社会的进步和发展。目前，各种新材料层出不穷，这里主要研究纳米材料(1)某芯片的制造工艺达到7nm,7nm=m,“芯片”所用的主要材料是半导体，利用该材料制(2)5G通信与折叠屏手机领域都运用了石墨烯等纳米材料。石墨烯在室温下 (选填“好”或“不好”)。(3)我们在超导材料方面的研究也取得了一定的突破。当温度降到一定程度下，铜氧化物超导材料的电【答案】(1)7×10-⁹单向；(2)导电性好；(3)零(或0)输电(或远程输电)【解析】(1)[1]已知1m=10⁹nm,所以7nm=7×10-9m。(2)[1]导电性反映物质传导电流的本领，电子的定向移动形成电流，因此电子传递速度快说明材料的导对电流几乎没有阻碍作用，即铜氧化物超导材料的电阻会突然接近于零(或0);该材料可适用于输电(或远程输电)等领域，可减小电能的损耗。10.LED是英文lightemittingdiode(发光二极管)的缩写，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。LED的心脏是一个半导体的晶片，半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体(称为P区),另一部分是N型半导体(称为N区),在P区和N区之间有一个过渡层，称为P-N结，整个晶片被环氧树脂封装起来，如图1所示。因为组成晶片的P区和N区的半导体材料不同，不同的LED灯发光的颜色透明环氧树脂封装透明环氧树脂封装有发射碗的阴极杆引线架楔形支架阳极杆图120世纪60年代，科技工作者研制成功了LED发光二极管，经过近30年的发展，大家十分熟悉的LED,已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。然而照明需用的白色光LED仅在2000年以后才发展起来。LED灯相比于白炽灯和节