八年級(jí)物理上冊(cè) 第二章 物質(zhì)世界的尺度、質(zhì)量和密度 四. 新材料及其應(yīng)用快樂(lè)學(xué)案1 北師大版

第四節(jié)新材料及其應(yīng)用學(xué)案 探究目標(biāo)1.知識(shí)與技能 了解納米材料、“綠色”能源、記憶合金等新材料及應(yīng)用.2.過(guò)程與方法 經(jīng)歷上網(wǎng)查資料了解新材料的過(guò)程.3.情感、態(tài)度與價(jià)值觀 通過(guò)了解新材料的應(yīng)用及新的前景，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)展視野.探究指導(dǎo)物理宮殿1.納米材料（1）某些物質(zhì)的尺度加工到1100nm，它的物理性質(zhì)或者化學(xué)性能與較大尺度時(shí)相比，發(fā)生了異常變化，這些物質(zhì)組成的材料為納米材料；（2）納米技術(shù)的應(yīng)用：納米技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)保、醫(yī)療、國(guó)家安全等各個(gè)方面都有廣泛的應(yīng)用，如圖2.4-1，我國(guó)和世界其他國(guó)家都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)納米產(chǎn)品.圖2.4-2是1993年中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自行操縱原子寫(xiě)出的“中國(guó)”二字，標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始在世界納米領(lǐng)域占有一席之地.如：洗衣機(jī)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(xì)菌生長(zhǎng)的功能；普通領(lǐng)帶的表面經(jīng)過(guò)納米方法處理后會(huì)有很強(qiáng)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(fā)動(dòng)機(jī)的缸體，汽車(chē)會(huì)跑得更快.圖2.4-1 納米材料的應(yīng)用領(lǐng)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(zhǎng)期以來(lái)使用的干電池較輕便，但只能用一次，丟棄后會(huì)污染環(huán)境；鉛蓄電池能反復(fù)使用，但又太笨重；而新材料做成的鋰電池是有體積小、質(zhì)量輕、能夠多次充電、對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地用于移動(dòng)通信、小型攝像機(jī)等設(shè)備上（如圖2.4-3）；硅光電池能夠把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能，并且完全不會(huì)造成污染，它廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星和照明（如圖2.4-4）.圖2.4-3圖2.4-4 太陽(yáng)能汽車(chē)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(shí)能像彈簧一樣被拉長(zhǎng)和扭曲，冷卻后可以保持這個(gè)形狀不變；當(dāng)再次加熱時(shí)，它們又恢復(fù)到被拉長(zhǎng)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(dāng)溫度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了外形的變化；（4）應(yīng)用：如將記憶合金制成的彈簧安裝在熱水器的出水閥門(mén)內(nèi)，當(dāng)水溫超過(guò)某一溫度（例如80）時(shí)，彈簧自動(dòng)伸長(zhǎng)，將閥門(mén)關(guān)閉而停止出水，避免發(fā)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(gè)中隊(duì) F-117A隱形戰(zhàn)斗轟炸機(jī)，躲過(guò)晝夜處于高度戒備狀態(tài)的巴拿馬對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)，突然出現(xiàn)在巴拿馬城西120km處的一個(gè)軍用機(jī)場(chǎng)上空，為美軍大規(guī)模入侵巴拿馬奪取了制空權(quán).雷達(dá)能監(jiān)測(cè)普通飛機(jī)的飛行情況，為什么不能發(fā)現(xiàn)隱形飛機(jī)呢？思路與技巧 雷達(dá)是利用無(wú)線電波測(cè)定物體位置的無(wú)線電設(shè)備，它的天線可以轉(zhuǎn)動(dòng)，它向一定的方向發(fā)射不連續(xù)的無(wú)線電波，然后根據(jù)反射波的方向和時(shí)間判斷目標(biāo)的方位和距離.隱形戰(zhàn)斗機(jī)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.答案 隱形戰(zhàn)斗機(jī)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(zhàn)斗機(jī)能將雷達(dá)發(fā)射出的無(wú)線電波大部分吸收掉，反射回去的卻很少，使雷達(dá)變成了“睜眼瞎”.而普通飛機(jī)反射回去的無(wú)線電波信號(hào)很強(qiáng)，雷達(dá)接收屏能接收到，因此能顯示出普通飛機(jī)的存在（如圖2.4-6）.圖2.4-6探究體驗(yàn)不同的材料具有不同的物理性質(zhì)，如導(dǎo)熱性、導(dǎo)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(cè)材料，如肥皂、泥塊、塑料、鋁片、陶瓷片等.探究過(guò)程 組成如圖2.4-7裝置；圖2.4-7 材料硬度測(cè)量示意圖將被測(cè)材料置于一個(gè)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)小小的凹痕；從凹痕的大小和深度，判斷材料的硬度并排序.分析與結(jié)論 材料有軟有硬，較硬的材料能使較軟的材料產(chǎn)生，材料的硬度不同，不一樣.探究點(diǎn)撥 材料的區(qū)分可根據(jù)材料的不同性質(zhì)，通過(guò)比較進(jìn)行區(qū)分.聊天室話題：納米材料的應(yīng)用前景胖胖：老師，您能介紹一下納米材料在實(shí)際中的應(yīng)用嗎？老師：納米材料的應(yīng)用非常廣泛，具體概括為以下幾點(diǎn)：1.在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用.隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)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(shù)可以實(shí)現(xiàn)天梯.2002年3月中央電視臺(tái)新聞聯(lián)播曾做過(guò)報(bào)道：科學(xué)家能夠造出天梯，地點(diǎn)選在太平洋上.用來(lái)做天梯的材料就是碳納米管.這種材料從1991年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，就一直被譽(yù)為未來(lái)的材料.碳納米管在強(qiáng)度上大約比鋼強(qiáng) 100倍，其傳熱性能優(yōu)于所有已知的其他材料.它有良好的導(dǎo)電性，在常溫下導(dǎo)電時(shí)，幾乎不產(chǎn)生電阻，科學(xué)家合成的碳納米材料在室溫下能儲(chǔ)存和凝聚大量的氫氣，用于燃料電池以驅(qū)動(dòng)汽車(chē)等.它為“清潔能源”氫能的開(kāi)發(fā)、利用提供了良好條件.3.在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用.用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可立即搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)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(yīng).在生物醫(yī)學(xué)方面，納米科技更是潛力巨大.納米技術(shù)可以在微小尺度里重新排列遺傳密碼，基因生物制作技術(shù)就是典型的納米和基因生物學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物.人類(lèi)可以利用基因芯片迅速查出自己基因密碼中的錯(cuò)誤，并迅速利用納米技術(shù)進(jìn)行修正，使人類(lèi)消滅各種遺傳缺陷的理想得以真正實(shí)現(xiàn).仿生學(xué)將是納米技術(shù)大展宏圖的領(lǐng)域，人類(lèi)可以制造出細(xì)胞內(nèi)工作的機(jī)器人。并將其放入人體內(nèi)，它可以在血液和細(xì)胞中工作，幫助我們清除垃圾和病兆，還我們一個(gè)健康的身體.4.在化工領(lǐng)域的應(yīng)用.把納米技術(shù)運(yùn)用到涂料中，使外墻涂料的洗刷性由原來(lái)約1000多次提高到10 000多次，老化時(shí)間也延長(zhǎng)了兩倍多.輪胎通常是“一統(tǒng)天下”的黑色，原因是生產(chǎn)橡膠過(guò)程中需要加入炭黑末提高強(qiáng)度、耐磨性和抗老化性，但運(yùn)用納米材料生產(chǎn)的輪胎不僅色彩鮮艷，性能也大大提高，輪胎側(cè)面膠的抗折性能由10萬(wàn)次提高到50萬(wàn)次。納米級(jí)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(jí)轎車(chē)輪胎、飛機(jī)輪胎上可提高安全系數(shù).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(shí)因摩擦而引起煩人的靜電現(xiàn)象.5.在軍事上的應(yīng)用.主要是在三個(gè)方面：一是在信息領(lǐng)域，使信息傳輸更快捷；二是用納米隱身材料，讓那些飛機(jī)、坦克成為隱形飛機(jī)、隱形坦克，讓敵方的雷達(dá)看不見(jiàn)它.三是用納米材料做成微小的納米機(jī)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彈，像蒼蠅一樣大小的飛機(jī).總之，一個(gè)嶄新的0.1100nm的世界提供給人類(lèi)的將是不同于以往任何經(jīng)驗(yàn)的東西，它不僅會(huì)給人類(lèi)生活帶來(lái)一場(chǎng)革命，還會(huì)使我們?cè)僖淮蔚馗惺艿剑嚎茖W(xué)與技術(shù)正以日新月異的速度向前飛行發(fā)展.快樂(lè)套餐1.你認(rèn)為所有的材料達(dá)到納米尺度就一定是納米材料，或者說(shuō)一定具備納米效應(yīng)嗎（ ）A.是B.不是C.目前還不知道2.上海磁懸浮列車(chē)在2020年元旦前一天運(yùn)行成功，這標(biāo)志著我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)水平，備受世人矚目.磁懸浮列車(chē)中用到下列哪種材料（ ）A.超導(dǎo)材料B.納米材料C.記憶合金D.隱形材料3.在我國(guó)“三星堆遺址”的出土文物中，發(fā)現(xiàn)了用極薄的金箔貼飾的精美“金器”.黃金可以被做成極薄的金箔，主要是因?yàn)辄S金的（ ）A.延展性好B.硬度大C.彈性好D.密度大4.當(dāng)材料的微粒小到納米尺寸時(shí)，材料的性能就會(huì)發(fā)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(xué)性質(zhì)可以制成高效率的光熱、光電轉(zhuǎn)換材料將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)槟?、? 圖2.4-85.光電池是一種把能轉(zhuǎn)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(jì)算器、收音機(jī)、玩具等方面，在人造衛(wèi)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(gè)鋰電池的體積為8.5cm3，它的質(zhì)量為g.鋰電池的特點(diǎn)是小、輕、能夠多次、對(duì)環(huán)境污染等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于、等設(shè)備上.7.科普展覽會(huì)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(huì)，如圖（填“左”或“右”），關(guān)上燈又會(huì)，如圖（填“左”或“右”）.8.某班同學(xué)進(jìn)行“使用塑料的利與弊”的辯論.甲方認(rèn)為“利大于弊”，理由是：大部分塑料的抗腐蝕能力強(qiáng)，不與酸或堿反應(yīng)等；乙方認(rèn)為“弊大于利”，理由是：回收利用廢棄塑料時(shí)，分類(lèi)十分困難，而且經(jīng)濟(jì)上不合算等，你愿意加入方（填“甲”或“乙”），并寫(xiě)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(fā)射前，天線先被壓縮成小球團(tuán)，到達(dá)月球表面后，它為什么能展開(kāi)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(dú)厚的地理和氣候優(yōu)勢(shì)，盛產(chǎn)反季節(jié)瓜菜和海產(chǎn)品.在北運(yùn)海產(chǎn)品的包裝箱中，一般都選用泡沫塑料制作.據(jù)你認(rèn)為，在利用該材料的過(guò)程中：優(yōu)點(diǎn)是 缺點(diǎn)是（1）；（4）；（2）；（5）；（3）.（6）.12.有記憶本領(lǐng)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(lǐng)，科學(xué)家對(duì)形狀記憶塑料做了大膽的設(shè)想：家里一些平時(shí)用不著的桌椅等家具，可以把它們壓扁堆在一個(gè)很小的角落，一旦來(lái)了客人，就可以魔術(shù)般地把它們清理出來(lái)，只要往它們身上澆點(diǎn)熱水，桌椅馬上就會(huì)“變”回來(lái).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(shí)只要澆上一點(diǎn)熱水，這些用具就可以一個(gè)個(gè)“站”起來(lái)供你使用；不用了，又可以把它們壓扁成一堆，放在車(chē)上帶回.請(qǐng)你大膽猜想，將來(lái)的記憶材料有哪些方面的應(yīng)用？13.在航天飛機(jī)的超音速燃燒沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒室里的溫度會(huì)超過(guò)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(cè)要承受極高的溫度，另一側(cè)要承受極低的溫度.于是人們將耐高溫的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(nèi)部結(jié)構(gòu)，使它們既能融相處又保留各自耐熱耐冷的本領(lǐng)，這就是材料領(lǐng)域的新明星梯度材料.現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出多種制造它的方法，如：化學(xué)氣相沉積法、等離子噴涂法、顆粒梯度排列法等等.請(qǐng)你判斷圖2.4-11中圖是一般材料的分子結(jié)構(gòu)，圖是梯度材料的分子結(jié)構(gòu).圖 2.4-1114.閱讀材料俗話說(shuō)得好，“人各有所長(zhǎng)”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(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，科學(xué)家就研制出各種新型的復(fù)合材料，就是把兩種或兩種以上的材料結(jié)合在一起，使它們各自發(fā)揮自身的特長(zhǎng)，避開(kāi)各自的缺點(diǎn).目前最重要的復(fù)合材料分為兩類(lèi)：一類(lèi)是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，主要是長(zhǎng)纖維鋪層復(fù)合材料，如玻璃鋼，如圖2.4-12甲；另一類(lèi)是粒子增強(qiáng)復(fù)合材料，如建筑工程中廣泛應(yīng)用的混凝土.因?yàn)樗鼈兌际莾?yōu)勢(shì)互補(bǔ)的產(chǎn)品，所以它們有許多別的材料所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn).復(fù)合材料又輕又結(jié)實(shí)，它的比強(qiáng)度和比剛度較高.這兩個(gè)參量是衡量材料承載能力的重要指標(biāo).比強(qiáng)度和比剛度較高說(shuō)明材料重量輕，而強(qiáng)度和剛度大，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是航空、航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)材料的重要要求.現(xiàn)代飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等機(jī)體結(jié)構(gòu)正逐漸擴(kuò)大使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比例（如圖2.4-12乙）.圖 2.4-12復(fù)合材料不知疲勞，它的抗疲勞性能良好.一般金屬的疲勞強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的40%50%，而某些復(fù)合材料可高達(dá)70%80%，用復(fù)合材料制成的直升機(jī)旋翼，其疲勞壽命比用金屬制成的長(zhǎng)數(shù)倍.復(fù)合材料的安全性好.在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基體中有成千上萬(wàn)根獨(dú)立的纖維，當(dāng)用這種材料制成的構(gòu)件超載，并有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個(gè)構(gòu)件不至于在短時(shí)間內(nèi)喪失承載能力.此外，復(fù)合材料還具有減振性能良好、能耐高溫、成型工藝簡(jiǎn)單等許多的優(yōu)點(diǎn).請(qǐng)回答下列問(wèn)題：（1）目前的復(fù)合材料分成哪幾類(lèi)？（2）復(fù)合材料有哪些優(yōu)點(diǎn)？（3）你知道哪些物體是由復(fù)合材料制成的嗎？請(qǐng)舉一例.參考答案探究體驗(yàn) 凹陷、劃痕；劃痕快樂(lè)套餐 1.B 2.A 3.A 4.納米材料；熔點(diǎn)；熱；電 5.光；電；硅；穩(wěn)定；長(zhǎng)6.0.534×10-3；4.5；體積；質(zhì)量；充電；?。灰苿?dòng)通信；小型攝像機(jī)7.綻開(kāi)；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(chǎn)生有毒氣體、石油資源有限等）9.到達(dá)月球表面后，受陽(yáng)光照射加熱而恢復(fù)記憶，便展開(kāi)成正常工作的半球面狀10.熱水瓶瓶塞用軟木制在蓋上后可密封瓶口，軟木塞導(dǎo)熱性較差；玻璃易加工制作成雙層，兩層玻璃間鍍銀，使熱量不易向外輻射；兩層間抽成真空，熱量不易向外傳遞11.優(yōu)點(diǎn)：輕便、保溫、防擠壓、成本低等；缺點(diǎn)：白色污染、機(jī)械強(qiáng)度不夠等12.略 13.甲；乙14.（1）目前復(fù)合材料分為兩類(lèi)：一類(lèi)是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，如玻璃鋼；另一類(lèi)是粒子增強(qiáng)復(fù)合材料，如工程中使用的混凝土 （2）輕而結(jié)實(shí)；不知疲勞；安全性好；減振性能好；能耐高溫等 （3）撐桿是由高性能的復(fù)合材料制成的，它已經(jīng)成為決定撐桿跳高勝負(fù)的重要因素