新材料及其应用正式版

《新材料及其应用》教案教材分析本节内容的安排主要是让学生感受到时代科技发展的脉搏，形成并保持积极向上的精神状态，初步认识科技发展对人类社会发展所产生的影响，激发学生的学习兴趣，增强学生的科技意识，鼓励学生努力学习，力争将来能在新材料的开发和应用上做贡献，有对国家和人民的使命感和责任感，对于知识方面不做具体的要求．教材上所涉及到的知识也只是起到一个抛砖引玉的作用，对新材料的认识还给同学和老师留了很广阔的空间，搜集资料的过程和同学们交流的过程是本节课的关键．在内容的实施过程中，老师对学生的活动过程的监控就显得非常重要，及时发现学生准备过程中的问题，既保证了交流活动的顺利进行，也在过程培养了学生有计划完成调查研究的科学素养．教师在这节课中重点突出了引导者的角色和参与者的角色．教学案例教学目标：知识与技能了解纳米材料、“绿色能源”和记忆合金等新材料在现代科技、工农业生产和日常生活中的应用．了解其它新材料的有关应用，培养收集整理信息的能力过程与方法通过利用不同的渠道收集信息，体验收集整理信息的过程．尝试一种新的学习方法．通过研究小组交流调查、研究结果，了解新材料的广泛应用和未来发展前景．情感、态度和价值观通过了解新材料的应用，初步认识科技对现代社会生活的影响，引导学生关心社会发展．通过学习新材料的有关知识，了解科技为人类带来的便利，提高学生学习科学的兴趣．培养学生乐于参加调查、收集资料等社会实践活动的品质．在合作中培养协作精神教学重点：对学生收集、整理信息的过程的指导教学难点：对学生整理信息、加工信息的指导以及交流过程的指导教学方式：教师指导下学生自主学习课前准备：课前布置学生上网查询有关资料提出问题：提前两周向学生提供如下的调查研究的问题，要求学生完成调查报告．问题如下：１.纳米技术、２.记忆合金、３.单晶硅、多晶硅（太阳能电池），太阳能电池；４.钕铁硼材料；液晶材料；５.防弹衣、贫铀弹、不锈钢；６.高温超导陶瓷、航天飞机、宇航服、合成材料、稀土材料；７.交通标志和反光涂料、光导纤维、光缆以下此表格可作为参考，但又不拘一格，从以下几个方面来了解新材分工合作：由于内容太多，对所有的同学来说，不可能在有限的时间内把所有的以上涉及的材料都查找清楚，为避免学生在自由组合过程中将一些比较内向的同学遗漏，采取按教室里的座位分成6组可7组，由学生自己选出组长，每组认领课题可以是上面的问题，也可以是与新材料有关的其李课题．指导学生利用互联网、图书馆、音像、报刊杂志等各种渠道收集与研究问题有关的资料．选出全班总活动的主持人．教学过程：在课堂上每组派一名代表向同学汇报．可以借助幻灯片等软件的方式汇报，可以用实物演示，可以演讲．每组成员汇报完毕，下面的同学可以提问、质疑．评价的标准：评价可有教师评价和学生评价两种方式．可以设单项评奖，也可综合评奖．或以学生选票的方式评出以下几种奖项．例如：材料最详实的，讲解最深入浅出的（能让同学听懂的），讲解最清楚的……交流、学习学生做主持，各组选派代表汇报本组的调查情况．最后教师对整个活动做简要概括．资料的内容见媒体素材．为了更充分地调动全体学生的参与意识，特设置以下表格，使学生更太阳能的利用人类生存和发展基本上依赖于太阳能，地球上除了核能以外，其他各种形式的能源，包括化石燃料（煤、石油、天然气等）能、生物质能（柴草、树木等）、风能、水力能、潮汐能和海洋能等都起源于太阳能．地球表面上每年所接受的太阳辐射能，大约是目前人类全年所消耗能量的1—2万倍．太阳能起源于太阳内部物质在高温、高压状态下的聚变反应．据推算，太阳这个巨型聚变反应球还可能维持100亿年以上．地球上常规能源的储量被大量开发而迅速减少，促使人们更加重视太阳能的利用．二十世纪五十年代中期，各国政府和广大科技工作者开始有计划有组织进行太阳能利用的研究工作，目前，很多方面已经得到实际应用并且已经形成产业，不仅且有巨大的社会效益，同时也具有很大的经济效益．太阳能的优越性还在于它不需要开采和运输，干净清洁，不会造成污染．太阳能必将逐步取代常规能源，同核能一起成为未来人类社会两大主要能源．我国的太阳能利用起步于二十世纪七十年代，主要是光热、光电转换方面的利用．在光热转换方面，全国拥有太阳灶十几万台，居世界第一位，转换器的性能和使用效果居发展中国家前列．热水器超过了150万平方米，被动式太阳房已建成上千幢．在光电转换方面，近年来主攻方向是研制各种太阳能电池，通过自身开发和引进生产线，目前已开成（3．5～4．0）兆瓦的生产能力，转换效率达到10％．纳米塑料所谓“纳米塑料”是指无机填充物以纳米尺寸分散在有机聚合物基体中形成的有机／无机纳米复合材料．在纳米复合材料中，分散相的尺寸至少在一维方向小于100nm．由于分散性的纳米尺寸效应、大比表面积和强界面结合，纳米复合材料具有一般工程塑料所不具备的优异性能，因此是一种全新的高技术新材料．具有广阔的商业开发和应用前景．经济实用的制备工艺纳米塑料中用作纳米无机相材料的蒙脱土(MMT)，是我国丰产的一类天然粘土矿物，是一种层状硅酸盐．其结构片层是纳米尺度的，包含有三个亚层，在两个硅氧四面体亚层中间夹含一个铝氧八面体亚层．亚层之问通过共用氧原子以共价键连接、结合极为牢固．整个结构片层约厚1nm，长宽约100nm，由于铝氧八面体亚层中的部分铝原子被低价原子取代，片层带有负电荷．过剩的负电荷靠游离于层间的Na、Ca和Mg等阳离子平衡，因此容易与烷基季铵盐或其它有机阳离子进行离子交换反应生成有机化蒙脱土，交换后的蒙税土成亲油性，并且层间的距离增大．有机蒙脱土能进一步与单体或聚合物熔体反应，在单体聚合或聚合物熔体混合的过程中剥离为纳米尺度的结构片层，均匀分散到聚合物基体中，从而形成纳米塑料．这种插层复合技术是基于在传统工艺基础上的技术革新，不需要新的高昂设备投资，工艺简单，操作方便，环境友好，特别适合于聚合物改性，容易实现工业化生产．可以根据要求提供多种规格的纳米土和设计、制造纳米塑料生产线．优异的物理力学性能高强度和耐热性插层复合技术能够实现有机物基体与天机物分散相在纳米尺度上的复合，所得的纳米塑料能够将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、可加工性及介电性完美地结合起来．纳米塑料中含蒙脱土量较少，一般在10wt．％以下，通常仅3－5wt．但其刚性、强度、耐热性等性能与常规玻纤或矿物填充增强复合材料(填充量30wt．％左右甚至更高)相当，因而纳米塑料的比重较低，比强度和比模量高而又不损失其抗冲击强度．能够有效地降低制品重量．方便运输．同时，由于纳米粒子尺寸小于可见光波长，纳米塑料具有高的光泽和良好的透明度．高阻隔及自熄灭性纳米技术在医学上的应用随着纳米技术的发展，在医学上该技术也开始崭露头脚．研究人员发现，生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在15~20nm之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子．10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动．如果将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段．科研人员已经成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等．另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实验，估计不久的将来即可服务于人类．研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息．科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞．这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而将使医学研究发生一次革命．纳米技术在陶瓷领域方面的应用陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用．但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制．随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性．英国材料学家Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径．所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上．要制备纳米陶瓷，这就需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散．块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制．Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延性的，能够发生100%的范性形变．并且发现，纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180℃经受弯曲而不产生裂纹．许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，从而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的纳米陶瓷，则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点．上海硅酸盐研究所在纳米陶瓷的制备方面起步较早，他们研究发现，纳米3Y-TZP陶瓷(100nm左右)在经室温循环拉伸试验后，在纳米3Y-TZP样品的断口区域发生了局部超塑性形变，形变量高达380%，并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线． Tatsuki等人对制得的Al2O3-SiC纳米复相陶瓷进行拉伸蠕变实验，结果发现伴随晶界的滑移，Al2O3晶界处的纳米SiC粒子发生旋转并嵌入Al2O3晶粒之中，从而增强了晶界滑动的阻力，也即提高了Al2O3-SiC纳米复相陶瓷的蠕变能力．虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景．纳米材料的特性1 纳米材料的表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化．粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例．当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面．由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性．2 纳米材料的体积效应由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小．因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应．其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子．久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的．久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为：δ=4EF/3N ∞ V-1 ∞ 1/d3其中 N为一个金属纳米粒子的总导电电子数，V为纳米粒子的体积；EF为费米能级随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体．3 纳米材料的量子尺寸效应当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应．在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等．当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常．如光吸收显著增加，超导相向正常相转变，金属熔点降低，增强微波吸收等．利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐型飞机等．由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高．其结构颗粒对光，机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性，例如：纳米相铜强度比普通铜高5倍；纳米相陶瓷是摔不碎的，这与大颗粒组成的普通陶瓷完全不一样．纳米材料从根本上改变了材料的结构，可望得到诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属间化合物以及性能特异的原子规模复合材料等新一代材料，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开拓了新的途径．载人航天与太空碎片太空碎片是指人类的太空活动过程中遗留在太空的废弃物．从航天飞机的飞行实践和国际空间站为时不长的飞行记录来看，太空碎片的问题已经不容忽视了，特别是载人航天，随着我国载人航天技术的突破，长期的载人航天势在必行，太空碎片的防护研究也应及早进行．太空碎片对所有的航天器都有破坏作用，载人航天器更需要防护，原因如下：“人”是最宝贵的，也是最脆弱的载人航天器的最大特点就是有“人”，而“人”是最宝贵的，也是最脆弱的，其价值是所有其他航天器所无法比拟的，它需要的环境条件也远远超过其他航天器，载人航天需要有更高的可靠性，这是无庸置疑的．如果说目前的太空碎片对一般航天器造成的威胁还能承受的话，对载人航天来说就已经是必须采取措施了．载人航天器是大型航天器因为宇航员必须带有生命保障系统，宇航员还需要有一定的活动空间，所以载人航天器的体积一般都比较大，现在航天飞机的尺度在数十米，空间站的尺度在数百米的量级．而我们知道太空碎片造成的风险是与航天器的面积（尺度的平方）成正比的，面积越大，受太空碎片碰撞的概率也越大．载人航天器是复杂和易损的载人航天器除了要具备一般航天器所具备的功能以外，它还需要保证宇航员的生命和健康，为宇航员的工作提供必要的条件．因此载人航天器比一般的卫星更为复杂，需要采用更多的新技术，这不可避免地使它更容易受到损坏．载人航天器有密封加压舱在宇航员生活、居住的舱段里，需要为宇航员营造一个与地面相近的舒适的环境，必定要有一个大气环境，气压接近一个大气压．而太空碎片打在舱壁上造成的直接后果是穿孔，它将立即造成舱内大气迅速向外泄漏，直接威胁宇航员的生命安全．它比不充加压气体的航天器更容易受到太空碎片的损伤．载人航天器需要及时抢修随着航天技术的发展，在太空对航天器进行维修将越来越普遍，但往往需要较长的等候时间，这对一般的应用卫星来说是不成问题的，但是对载人航天器来说，一旦受到损伤就必须立即抢救，时间就是生命，给抢救工作带来很大的困难，事后抢救的困难转嫁到事前防范工作的加强上，更需要周密细致的防范．载人航天器在低高度上运行为了避开地球辐射带对航天器的辐射效应，载人航天的轨道一般选择在低地球轨道上，虽然它不是太空碎片最密集的区域，但是太空碎片的密度仍然很大．而且由于大气的作用，所有轨道比它高的碎片最后都要通过它飞行的高度并最后陨落．最近在考虑减少太空碎片影响的措施时，还有人提出工作任务完毕的航天器要“离轨”，方向之一就是将这些航天器的轨道降低到寿命较短的轨道上来，就是说将它们移到低高度轨道上来，这必然要增加低高度上的太空碎片密度，增加在这个轨道上运行的载人航天器的风险．载人航天器将在太空长期飞行空间站是今后载人航天的重要形式，它的特点是将在太空长时间运行，在轨道上运行的时间将在十余年到数十年之间．航天飞机每次飞行的时间虽然都不长，但多次反复使用的结果，一艘航天飞机总的飞行时间积累也将很长．而太空碎片的威胁是和运行时间成正比的，这也是载人航天更需要考虑太空碎片防护的重要原因．太空碎片的研究工作是十分广泛的，与载人航天项目关系最密切，需要载人航天项目支持的有：1、载人航天器运行轨道附近的太空碎片模式；2、太空碎片模式必须能给出运行轨道．。

第二章第4节新材料及其应用一、单选题1.碳化硅纤维是一种陶瓷纤维类材料，具有高强度、耐高温、抗腐蚀、易加工编织等特性，用做增强材料时，常与碳纤维、玻璃纤维、金属铝复合，具有耐磨损、质轻、耐疲劳等特性。

下列可以直接用碳化硅纤维来制作的是（）A. 喷气式飞机的刹车片B. 体育用品C. 过滤高温气体的滤布D. 汽车部件2.各种新材料正在提高我们的生活品质，坚硬的纳米材料一石墨烯，就是其中的一种，它几乎是完全透明的，并有着出色的导电性和导热性。

下列物体中不适合使用石墨烯制作的是（）A. 防弹衣B. 电脑元件C. 隔热手套D. 太阳能电池3.清华大学的研究人员发明一种新型陶瓷，既可以像海绵一样变形，也能像陶瓷一样隔热、绝缘，同时具有超轻、高韧性等特点这种材料适合用来制造下列哪种物品（）A. 自行车的车架B. 新型消防服C. 输电导线D. 便携式水果刀4.近年来，我国在科研领城不断取得新的突破，一些研究和应用已经步入世界先进行列。

下列研究中我国与世界先进国家还存在较大差距，需要努力追赶的是（）A. 量子科技B. 5G通信C. 北斗导航系统D. 芯片设计制造5.“智能纤维”是一种新型材料，能对外界环境和内部状态的变化做出响应．其中，相变纤维能够通过吸热、放热来实现对温度的调节；凝胶纤维能够对温度做出反应；电子纤维能够导电以及消除静电；记忆纤维能够在特定环境下恢复原状．下列说法正确的是（）A. 相变纤维制成的衣服可以调节体温是通过做功来实现的B. 用凝胶纤维有可能制成显示体温的衣服C. 电子纤维是一种绝缘体D. 记忆纤维发生形变后无法恢复原状6.纳米陶瓷作为高科技材料应用广泛，它具有耐磨、耐腐蚀、耐高温、防浸透、完全无磁性等特点，但它不可用于下列哪项技术中（）A. 纳米陶瓷刀B. 公交IC卡C. “嫦娥二号”外表涂层D. 装浓硫酸的容器7.纳米磁性材料采用磁性颗粒作为记录介质，具有记录密度大、矫顽力高、记录质量好等特点，下列器件可用纳米磁性材料制成的是（）A. 洗衣机内壁B. 耐腐蚀容器C. 计算机存储器D. 高性能防弹背心8.“纳米材料”的出现成了人们谈论的热门话题，下列关于“纳米材料”的说法正确的是（）A. 人们找到了一种特殊的“纳米材料”，制成了“纳米抗菌奶瓶”B. “纳米防水布”是利用纳米能防水的特性制成的C. 只要认真的去探究寻找还可以找到许许多多的纳米材料D. 某些物质的尺度加工到1﹣100nm，它们的物理性质或化学性能发生了异常变化，这就是我们说的纳米材料9.下列现象中有悖文明的做法是（）A. 将秤砣内部用密度小的材料填充B. 用黄金制作首饰C. 将纳米技术应用于生活之中D. 用铝这种轻质材料制造飞机10.纳米陶瓷作为高新科技材料应用广泛，它具有坚硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、完全无磁性等特点，它不能应用于（）A. 公交IC卡B. 切割硬物的刀具C. “嫦娥二号”外表涂层D. 装浓硫酸的容器11.2010年诺贝尔物理学奖授予英国两位科学家，他们研究的石墨烯是只有一个原子厚度的碳纳米新型材料，该材料属性奇特，其中还具有良好的导电性．则下列说法错误的是（）A. 研究和生产石墨烯需要纳米技术B. 纳米技术是微观范围内的科学技术C. 石墨烯虽然是非金属但可以作为导体使用D. 石墨烯是超导体材料12.下列关于纳米的叙述错误的是（）A. 纳米是一个长度单位，符号是nmB. 人们在纳米尺度内发现很多新的现象，给技术上带来很多新进展C. 纳米技术是现代科学技术的前沿，我国在这方面的研究具有世界先进水平D. 所有的高科技产品都与纳米技术有关13.纳米技术在研究电学材料、光学材料、高密度材料方面有广泛的应用前景，纳米是下列哪种物理量的计算单位（）A. 长度B. 体积C. 质量D. 时间14.纳米陶瓷是一种高新科技材料，具有耐磨、耐腐蚀、耐高温、防渗透、完全无磁性等特点，以下选项中哪项可以利用纳米陶瓷材料制造（）A. 高压输电线B. 装浓硫酸的容器C. 银行储蓄卡D. LED发光二极管15.在下列有关现象的解释中，正确的是（）A. 纳米材料颗粒能制造出很多特殊功能的物体，但它并不是分子B. 封闭在容器内的液体很难被压缩，说明分子间仅有排斥力C. 用手捏海绵，海绵的体积变小了，说明分子间有吸引力D. 铅笔笔芯在白纸上划出一条断断续续的细线，说明分子间有空隙二、填空题16.纳米技术是以0.1～100nm这样的尺度为研究对象的前沿科学，目前我国在纳米技术的研究方面已经跻身世界前列，我国制造出来的最薄的金箔的厚度为91nm=________dm．17.纳米是________的单位．1nm=________m，纳米技术是________尺度内的极微科学技术．18.石墨烯被证实是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质，它的导电性能好、导热性能强，熔点超过3000℃．你认为用石墨烯做成的导线________用来做保险丝（即熔丝）；________用来做高压输电线（选填“能”或“不能”）．科学试验表明：向空烧杯内倒入酒精与水的混合物（如图所示），盖紧石墨烯薄膜，一个月后，检查发现薄膜覆盖紧密完好，烧杯内只剩余酒精，再以后，烧杯内液体体积保持不变．在一个月时间内，烧杯内剩余液体的密度________（选填“变大”“变小”或“不变”）．此实验说明石墨烯薄膜能使________的分子通过（选填“酒精”或“水”）．19.纳米技术是在0.10纳米至100纳米的空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术．纳米技术研究领域被公认为是21世纪最具有前途的科研领域之一．纳米是________的单位．（填写物理量的名称）20.我国对纳米技术的研究具有世界先进水平，纳米实际上是________单位，1nm=________m．21.经过纳米方法处理的领带具有很强的________性能，不沾水也不沾油．用纳米陶瓷粉制成的陶瓷具有一定的________性，不易碎．22.纳米技术是高新科学技术和工作技术．纳米（nm）是________单位，若一个原子的直径为10nm，合________m．把________个原子一个挨一个地排列起来长度是1mm．三、解答题23.我们学习了新材料及其作用，除了纳米材料、“绿色”能源、记忆合金外，写出你还知道的一种新材料的名称．答案解析部分一、单选题1.【答案】C【考点】纳米材料及其应用【解析】【解答】碳化硅纤维主要用做耐高温材料和增强材料，耐高温材料包括热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高温气体的滤布等。

新材料及其应用（教学设计）主备人备课成员教学内容《5.5 新材料及其应用》章节选自2024-2025学年八年级物理上册同步精品课堂（沪粤版2024）。

本节课主要内容包括：1. 新材料的概念及分类2. 新材料的特性3. 常见的新材料及其应用领域4. 新材料在生活中的应用实例5. 新材料对现代科技发展的影响核心素养目标1. 科学探究：通过观察、实验和讨论，培养学生对新材料的探究兴趣，提高学生的实验操作能力和问题解决能力。

2. 科学态度：培养学生对科学新知的开放态度，激发学生对新材料研究的热情和好奇心。

3. 科学思维：训练学生运用物理知识分析新材料特性，培养逻辑思维和创新思维。

4. 科学责任：引导学生理解新材料应用的社会意义，培养学生的社会责任感和可持续发展意识。

学习者分析1. 学生已经掌握了哪些相关知识：- 学生已经学习过物质的性质和变化，对材料的分类和特性有初步了解。

- 学生对物理学中的力、热、光、电等基础知识有一定的掌握。

- 学生可能已经接触过一些简单的材料应用实例，如塑料、金属等。

2. 学生的学习兴趣、能力和学习风格：- 学生对新型科技产品和新材料通常有较高的兴趣，容易激发学习热情。

- 学生具备一定的观察、分析和实验操作能力，能够通过实验探究新材料特性。

- 学生的学习风格多样，有的喜欢通过实验动手操作，有的喜欢理论分析，有的则擅长小组讨论。

3. 学生可能遇到的困难和挑战：- 对新材料的理解可能停留在表面，难以深入理解其科学原理和应用机制。

- 在实际操作中，可能遇到实验设备不足、实验操作不熟练等问题。

- 对于一些抽象的材料特性和应用领域，学生可能难以形成清晰的认识和联想。

学具准备多媒体课型新授课教法学法讲授法课时第一课时步骤师生互动设计二次备课教学资源- 硬件资源：物理实验室、实验器材（如传感器、电流表、电压表等）、多媒体投影仪- 软件资源：物理模拟软件、教学PPT、实验操作视频- 课程平台：校园网络教学平台- 信息化资源：在线物理学习资源、虚拟实验室- 教学手段：小组讨论、实验探究、案例教学、互动问答教学过一、导入新课1. 各位同学，我们之前学习了许多关于物理的基础知识，今天我们将进入一个全新的领域——新材料。

《新材料及其应用》教学设计一、教学目标1、知识与技能目标学生能够了解常见的新材料，如纳米材料、超导材料、形状记忆合金等。

理解新材料的特性和应用领域。

培养学生对科学新技术的关注和兴趣。

2、过程与方法目标通过查阅资料、小组讨论等方式，提高学生获取信息、分析问题和解决问题的能力。

培养学生的创新思维和实践能力。

3、情感态度与价值观目标激发学生对新材料研究的热情和探索精神。

增强学生的环保意识和可持续发展观念。

二、教学重难点1、教学重点常见新材料的特性和应用。

培养学生对新材料的认识和理解能力。

2、教学难点新材料的原理和微观结构的理解。

引导学生从生活实际出发，思考新材料的应用和发展。

三、教学方法1、讲授法通过讲解，让学生对新材料的概念、分类和特性有初步的了解。

2、讨论法组织学生进行小组讨论，分享他们对新材料应用的想法和见解。

3、案例分析法通过实际案例，让学生更直观地感受新材料在生活和生产中的应用。

4、实验探究法如有条件，可安排简单的实验，让学生亲身体验新材料的特性。

四、教学过程1、导入（5 分钟）展示一些传统材料制作的物品，如钢铁制品、塑料制品等，提问学生这些材料的特点和局限性。

再展示一些用新材料制作的物品，如纳米衣物、超导磁悬浮列车模型等，引发学生的好奇心，从而引出新材料的话题。

2、知识讲解（20 分钟）纳米材料介绍纳米材料的定义，强调其尺寸在 1 100 纳米之间。

讲解纳米材料的特性，如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等。

举例说明纳米材料在医疗、环保、电子等领域的应用，如纳米药物载体、纳米涂料、纳米芯片等。

超导材料解释超导材料的概念，即在一定条件下电阻为零的材料。

阐述超导材料的特性，如零电阻、迈斯纳效应等。

介绍超导材料在电力输送、磁悬浮列车、核磁共振等方面的应用。

形状记忆合金说明形状记忆合金的特点，即在一定条件下能够恢复到原来形状。

讲解形状记忆合金的原理，与晶体结构的变化有关。

举例其在航空航天、医疗器械、日常生活等中的应用，如卫星天线、牙齿矫正丝、温控阀门等。

新材料及其应用的教案第一章：新材料概述1.1 教学目标了解新材料的定义和分类掌握新材料的研究和发展趋势理解新材料在现代科技领域的应用1.2 教学内容新材料的定义和分类新材料的研究和发展趋势新材料在现代科技领域的应用1.3 教学方法讲授法：讲解新材料的定义、分类和研究发展趋势案例分析法：分析新材料在现代科技领域的应用实例1.4 教学评价课堂问答：学生能够回答新材料的定义和分类小组讨论：学生能够分析新材料在现代科技领域的应用实例第二章：纳米材料2.1 教学目标了解纳米材料的定义和特性掌握纳米材料的制备方法和应用领域理解纳米材料在现代科技发展中的重要性2.2 教学内容纳米材料的定义和特性纳米材料的制备方法纳米材料的应用领域2.3 教学方法讲授法：讲解纳米材料的定义、特性和制备方法实践操作法：学生动手制作纳米材料样品2.4 教学评价课堂问答：学生能够回答纳米材料的定义和特性第三章：复合材料3.1 教学目标了解复合材料的定义和分类掌握复合材料的制备方法和应用领域理解复合材料在工程和科技领域的重要性3.2 教学内容复合材料的定义和分类复合材料的制备方法复合材料的应用领域3.3 教学方法讲授法：讲解复合材料的定义、分类和制备方法案例分析法：分析复合材料在工程和科技领域的应用实例3.4 教学评价课堂问答：学生能够回答复合材料的定义和分类小组讨论：学生能够分析复合材料在工程和科技领域的应用实例第四章：功能材料4.1 教学目标了解功能材料的定义和特性掌握功能材料的制备方法和应用领域理解功能材料在现代科技发展中的重要性4.2 教学内容功能材料的定义和特性功能材料的制备方法功能材料的应用领域4.3 教学方法讲授法：讲解功能材料的定义、特性和制备方法实践操作法：学生动手制作功能材料样品4.4 教学评价课堂问答：学生能够回答功能材料的定义和特性第五章：新材料的发展趋势5.1 教学目标了解新材料的发展趋势掌握新材料研究和应用的前沿领域理解新材料对人类社会发展的影响5.2 教学内容新材料的发展趋势新材料研究和应用的前沿领域新材料对人类社会发展的影响5.3 教学方法讲授法：讲解新材料的发展趋势和前沿领域案例分析法：分析新材料对人类社会发展的影响实例5.4 教学评价课堂问答：学生能够回答新材料的发展趋势小组讨论：学生能够分析新材料对人类社会发展的影响实例第六章：新材料的制备技术6.1 教学目标理解常见新材料制备技术的原理和过程掌握不同新材料制备技术的特点和应用了解新材料制备技术的发展趋势6.2 教学内容常见新材料制备技术：化学气相沉积、物理气相沉积、溶液加工、熔融加工等制备技术的原理和过程制备技术的特点和应用6.3 教学方法讲授法：讲解不同制备技术的原理和过程案例分析法：分析具体新材料制备技术的应用实例6.4 教学评价课堂问答：学生能够回答常见新材料制备技术的名称和特点第七章：新材料在能源领域的应用7.1 教学目标理解新材料在能源领域的关键作用掌握新材料在太阳能、风能、电池等领域的应用了解新材料在能源领域的发展趋势7.2 教学内容新材料在能源领域的关键作用：催化剂、储氢材料、超级电容器等新材料在太阳能、风能、电池等领域的应用实例新材料在能源领域的发展趋势7.3 教学方法讲授法：讲解新材料在能源领域的关键作用和应用实例案例分析法：分析具体新材料在能源领域的应用实例7.4 教学评价课堂问答：学生能够回答新材料在能源领域的关键作用和应用领域小组讨论：学生能够分析新材料在能源领域的发展趋势第八章：新材料在电子领域的应用8.1 教学目标理解新材料在电子领域的关键作用掌握新材料在半导体、集成电路、显示技术等领域的应用了解新材料在电子领域的发展趋势8.2 教学内容新材料在电子领域的关键作用：半导体材料、纳米线、石墨烯等新材料在半导体、集成电路、显示技术等领域的应用实例新材料在电子领域的发展趋势8.3 教学方法讲授法：讲解新材料在电子领域的关键作用和应用实例案例分析法：分析具体新材料在电子领域的应用实例8.4 教学评价课堂问答：学生能够回答新材料在电子领域的关键作用和应用领域小组讨论：学生能够分析新材料在电子领域的发展趋势第九章：新材料在医药领域的应用9.1 教学目标理解新材料在医药领域的关键作用掌握新材料在药物输送、生物传感器、组织工程等领域的应用了解新材料在医药领域的发展趋势9.2 教学内容新材料在医药领域的关键作用：纳米颗粒、生物可降解材料、智能材料等新材料在药物输送、生物传感器、组织工程等领域的应用实例新材料在医药领域的发展趋势9.3 教学方法讲授法：讲解新材料在医药领域的关键作用和应用实例案例分析法：分析具体新材料在医药领域的应用实例9.4 教学评价课堂问答：学生能够回答新材料在医药领域的关键作用和应用领域小组讨论：学生能够分析新材料在医药领域的发展趋势第十章：新材料的产业化与商业化10.1 教学目标理解新材料产业化与商业化的过程和挑战掌握推动新材料产业化和商业化的策略和方法了解新材料产业化和商业化的未来趋势10.2 教学内容新材料产业化与商业化的过程和挑战推动新材料产业化和商业化的策略和方法新材料产业化和商业化的未来趋势10.3 教学方法讲授法：讲解新材料产业化与商业化的过程、策略和方法案例分析法：分析具体新材料产业化与商业化的成功案例10.4 教学评价课堂问答：学生能够回答新材料产业化与商业化的过程和挑战小组讨论：学生能够分析推动新材料产业化和商业化的策略和方法重点和难点解析重点环节：1. 新材料的概念、分类和特性2. 新材料的制备方法3. 新材料在各领域的应用实例4. 新材料的产业化与商业化过程难点环节：1. 新材料的制备技术原理和过程2. 新材料在能源、电子、医药等领域的具体应用3. 推动新材料产业化和商业化的策略和方法详细补充和说明：1. 新材料的概念、分类和特性：新材料是现代科技发展的基石，理解其定义、分类和特性对于深入研究新材料具有重要意义。

《材料及其应用》教案教材分析本节内容的安排主要是让学生感受到时代科技进展的脉搏，形成并保持乐观向上的精神状态，初步生疏科技进展对人类社会进展所产生的影响，激发学生的学习兴趣，增加学生的科技意识，鼓舞学生努力学习，力争将来能在材料的开发和应用上做奉献，有对国家和人民的使命感和责任感，对于学问方面不做具体的要求．教材上所涉及到的学问也只是起到一个抛砖引玉的作用，对材料的生疏还给同学和教师留了很宽阔的空间，搜集资料的过程和同学们沟通的过程是本节课的关键．在内容的实施过程中，教师对学生的活动过程的监控就显得格外重要，准时觉察学生预备过程中的问题，既保证了沟通活动的顺当进展，也在过程培育了学生有打算完成调查争论的科学素养．教师在这节课中重点突出了引导者的角色和参与者的角色．教学案例教学目标：学问与技能了解纳米材料、“绿色能源”和记忆合金等材料在现代科技、工农业生产和日常生活中的应用．了解其它材料的有关应用，培育收集整理信息的力气过程与方法通过利用不同的渠道收集信息，体验收集整理信息的过程．尝试一种的学习方法．通过争论小组沟通调查、争论结果，了解材料的广泛应用和将来进展前景．情感、态度和价值观通过了解材料的应用，初步生疏科技对现代社会生活的影响，引导学生关心社会进展．通过学习材料的有关学问，了解科技为人类带来的便利，提高学生学习科学的兴趣．培育学生乐于参与调查、收集资料等社会实践活动的品质．在合作中培育协作精神教学重点：对学生收集、整理信息的过程的指导教学难点：对学生整理信息、加工信息的指导以及沟通过程的指导教学方式：教师指导下学生自主学习课前预备：课前布置学生上网查询有关资料提出问题：提前两周向学生供给如下的调查争论的问题，要求学生完成调查报告．问题如下：１.纳米技术、２.记忆合金、３.单晶硅、多晶硅〔太阳能电池〕，太阳能电池；４.钕铁硼材料；液晶材料；５.防弹衣、贫铀弹、不锈钢；６.高温超导陶瓷、航天飞机、宇航服、合成材料、稀土材料；７.交通标志和反光涂料、光导纤维、光缆以下此表格可作为参考，但又不拘一格，从以下几个方面来了解材 料分工合作：由于内容太多，对全部的同学来说，不行能在有限的时间内把全部的以上涉及的材料都查找清楚，为避开学生在自由组合过程中将一些比较内向的同学遗漏，实行按教室里的座位分成 6 组可 7 组，由学生自己选出组长，每组认领课题可以是上面的问题，也可以是与材料有关的其李课 题．指导学生利用互联网、图书馆、音像、报刊杂志等各种渠道收集与争论问题有关的资料．选出全班总活动的主持人．教学过程：在课堂上每组派一名代表向同学汇报．可以借助幻灯片等软件的方式汇报，可以用实物演示，可以演讲．每组成员汇报完毕，下面的同学可以提问、质疑．评价的标准：评价可有教师评价和学生评价两种方式．可以设单项评奖，也可综合评奖．或以学生选票的方式评出以下几种奖项．例如：材料最详实的，讲解最深入浅出的〔能让同学听懂的〕，讲解最清楚的……沟通、学习学生做主持，各组选派代表汇报本组的调查状况．最终教师对整个活动做简要概括．资料的内容见媒体素材．为了更充分地调动全体学生的参与意识，特设置以下表格，使学生更好地完成任务．表格如下：材 料 的名称 源 起 质 性 特 属 应 点 性 用发 展方向 前 景展望 奖 项 组 123最 最 最 最 最 最 佳 组 织 佳 风 采 佳 制 作 佳 想 象 佳 深 入 佳 内 容奖奖 奖 奖 浅出奖 丰富奖4567参考资料太阳能的利用人类生存和进展根本上依靠于太阳能，地球上除了核能以外，其他各种形式的能源，包括化石燃料〔煤、石油、自然气等〕能、生物质能〔柴草、树木等〕、风能、水力能、潮汐能和海洋能等都起源于太阳能．地球外表上每年所承受的太阳辐射能，大约是目前人类全年所消耗能量的1—2 万倍．太阳能起源于太阳内部物质在高温、高压状态下的聚变反响．据推算，太阳这个巨型聚变反响球还可能维持 100 亿年以上．地球上常规能源的储量被大量开发而快速削减，促使人们更加重视太阳能的利用．二十世纪五十年月中期，各国政府和宽阔科技工作者开头有打算有组织进展太阳能利用的争论工作，目前，很多方面已经得到实际应用并且已经形成产业，不仅且有巨大的社会效益，同时也具有很大的经济效益．太阳能的优越性还在于它不需要开采和运输，干净清洁，不会造成污染．太阳能必将逐步取代常规能源，同核能一起成为将来人类社会两大主要能源．我国的太阳能利用起步于二十世纪七十年月，主要是光热、光电转换方面的利用．在光热转换方面，全国拥有太阳灶十几万台，居世界第一位，转换器的性能和使用效果居进展中国家前列．热水器超过了 150 万平方米，被动式太阳房已建成上千幢．在光电转换方面，近年来主攻方向是研制各种太阳能电池，通过自身开发和引进生产线，目前已开成〔3．5～4．0〕兆瓦的生产力气，转换效率到达 10％．纳米塑料所谓“纳米塑料”是指无机填充物以纳米尺寸分散在有机聚合物基体中形成的有机／无机纳米复合材料．在纳米复合材料中，分散相的尺寸至少在一维方向小于 100nm．由于分散性的纳米尺寸效应、大比外表积和强界面结合，纳米复合材料具有一般工程塑料所不具备的优异性能，因此是一种全的高技术材料．具有宽阔的商业开发和应用前景．经济有用的制备工艺纳米塑料中用作纳米无机相材料的蒙脱土(MMT)，是我国丰产的一类自然粘土矿物，是一种层状硅酸盐．其构造片层是纳米尺度的，包含有三个亚层，在两个硅氧四周体亚层中间夹含一个铝氧八面体亚层．亚层之问通过共用氧原子以共价键连接、结合极为结实．整个构造片层约厚1nm，长宽约 100nm，由于铝氧八面体亚层中的局部铝原子被低价原子取代，片层带有负电荷．过剩的负电荷靠游离于层间的Na、Ca 和Mg 等阳离子平衡，因此简洁与烷基季铵盐或其它有机阳离子进展离子交换反响生成有机化蒙脱土，交换后的蒙税土成亲油性，并且层间的距离增大．有机蒙脱土能进一步与单体或聚合物熔体反响，在单体聚合或聚合物熔体混合的过程中剥离为纳米尺度的构造片层，均匀分散到聚合物基体中，从而形成纳米塑料．这种插层复合技术是基于在传统工艺根底上的技术革，不需要的昂扬设备投资，工艺简洁，操作便利，环境友好，特别适合于聚合物改性，简洁实现工业化生产．可以依据要求供给多种规格的纳米土和设计、制造纳米塑料生产线．优异的物理力学性能高强度和耐热性插层复合技术能够实现有机物基体与天机物分散相在纳米尺度上的复合，所得的纳米塑料能够将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、可加工性及介电性完善地结合起来．纳米塑料中含蒙脱土量较少，一般在 10wt．％以下，通常仅 3－5wt．但其刚性、强度、耐热性等性能与常规玻纤或矿物填充增加复合材料(填充量 30wt．％左右甚至更高)相当，因而纳米塑料的比重较低，比强度和比模量高而又不损失其抗冲击强度．能够有效地降低制品重量．便利运输．同时，由于纳米粒子尺寸小于可见光波长，纳米塑料具有高的光泽和良好的透亮度．高阻隔及自熄灭性纳米技术在医学上的应用随着纳米技术的进展，在医学上该技术也开头崭露头脚．争论人员觉察，生物体内的RNA 蛋白质复合体，其线度在15~20nm 之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子．10nm 以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流淌．假设将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段．科研人员已经成功利用纳米 SiO2微粒进展了细胞分别，用金的纳米粒子进展定位病变治疗，以削减副作用等．另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物试验，估量不久的将来即可效劳于人类．争论纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细构造及其与功能的关系，猎取生命信息．科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进展检测、诊断，并实施特别治疗，疏通脑血管中的血栓，去除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞．这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而将使医学争论发生一次革命．纳米技术在陶瓷领域方面的应用陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用．但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制．随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，期望以此来抑制陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性．英国材料学家 Cahn 指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径．所谓纳米陶瓷，是指显微构造中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、其次相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上．要制备纳米陶瓷，这就需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的把握，团聚体的把握和分散．块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的把握．Gleiter 指出，假设多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延性的，能够发生 100%的范性形变．并且觉察，纳米TiO 陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180℃经受弯曲而不产生裂2纹．很多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，从而把握陶瓷晶粒尺寸在50nm 以下的纳米陶瓷，则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点．上海硅酸盐争论所在纳米陶瓷的制备方面起步较早，他们争论觉察，纳米3Y-TZP 陶瓷(100nm 左右)在经室温循环拉伸试验后，在纳米 3Y-TZP 样品的断口区域发生了局部超塑性形变，形变量高达 380%，并从断口侧面观看到了大量通常消灭在金属断口的滑移线．Tatsuki 等人对制得的Al O -SiC 纳米复相陶瓷进展拉伸蠕变试验，结果觉察伴随晶界的滑移，2 3Al2O3 晶界处的纳米 SiC 粒子发生旋转并嵌入 Al O 晶粒之中，从而增加了2 3晶界滑动的阻力，也即提高了 Al O -SiC 纳米复相陶瓷的蠕变力气．2 3虽然纳米陶瓷还有很多关键技术需要解决，但其优良的室温存高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在很多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不行替代的作用，具有宽阔的应用前景．纳米材料的特性1纳米材料的外表效应纳米材料的外表效应是指纳米粒子的外表原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化．粒径在 10nm 以下，将快速增加外表原子的比例．当粒径降到 1nm 时，外表原子数比例到达约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的外表．由于纳米粒子外表原子数增多，外表原子配位数缺乏和高的外表能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性．2纳米材料的体积效应由于纳米粒子体乐观小，所包含的原子数很少，相应的质量微小．因此，很多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特别的现象通常称之为体积效应．其中知名的久保理论就是体积效应的典型例子．久保理论是针对金属纳米粒子费米面四周电子能级状态分布而提出的．久保把金属纳米粒子靠近费米面四周的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径 d 的关系为：δ=4EF/3N ∞ V-1 ∞ 1/d3其中 N 为一个金属纳米粒子的总导电电子数，V为纳米粒子的体积；EF 为费米能级随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体．3纳米材料的量子尺寸效应当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面四周电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应．在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特别性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等．当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒外表层四周的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性消灭特别．如光吸取显著增加，超导相向正常相转变，金属熔点降低，增加微波吸取等．利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以转变颗粒尺寸，把握吸取边的位移，制造具有确定频宽的微波吸取纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐型飞机等．由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高．其构造颗粒对光，机械应力和电的反响完全不同于微米或毫米级的构造颗粒，使得纳米材料在宏观上显示出很多奇异的特性，例如：纳米相铜强度比一般铜高5 倍；纳米相陶瓷是摔不碎的，这与大颗粒组成的一般陶瓷完全不一样．纳米材料从根本上转变了材料的结构，可望得到诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属间化合物以及性能特异的原子规模复合材料等一代材料，为抑制材料科学争论领域中长期未能解决的问题开拓了的途径．载人航天与太空碎片太空碎片是指人类的太空活动过程中遗留在太空的废弃物．从航天飞机的飞行实践和国际空间站为时不长的飞行记录来看，太空碎片的问题已经不容无视了，特别是载人航天，随着我国载人航天技术的突破，长期的载人航天势在必行，太空碎片的防护争论也应及早进展．太空碎片对全部的航天器都有破坏作用，载人航天器更需要防护，缘由如下：“人”是最贵重的，也是最脆弱的载人航天器的最大特点就是有“人”，而“人”是最贵重的，也是最脆弱的，其价值是全部其他航天器所无法比较的，它需要的环境条件也远远超过其他航天器，载人航天需要有更高的牢靠性，这是无庸置疑的．假设说目前的太空碎片对一般航天器造成的威逼还能承受的话，对载人航天来说就已经是必需实行措施了．载人航天器是大型航天器由于宇航员必需带有生命保障系统，宇航员还需要有确定的活动空间，所以载人航天器的体积一般都比较大，现在航天飞机的尺度在数十米，空间站的尺度在数百米的量级．而我们知道太空碎片造成的风险是与航天器的面积〔尺度的平方〕成正比的，面积越大，受太空碎片碰撞的概率也越大．载人航天器是简洁和易损的载人航天器除了要具备一般航天器所具备的功能以外，它还需要保证宇航员的生命和安康，为宇航员的工作供给必要的条件．因此载人航天器比一般的卫星更为简洁，需要承受更多的技术，这不行避开地使它更简洁受到损坏．载人航天器有密封加压舱在宇航员生活、居住的舱段里，需要为宇航员营造一个与地面相近的舒适的环境，必定要有一个大气环境，气压接近一个大气压．而太空碎片打在舱壁上造成的直接后果是穿孔，它将马上造成舱内大气快速向外泄漏，直接威逼宇航员的生命安全．它比不充加压气体的航天器更简洁受到太空碎片的损伤．载人航天器需要准时抢修随着航天技术的进展，在太空对航天器进展修理将越来越普遍，但往往需要较长的等候时间，这对一般的应用卫星来说是不成问题的，但是对载人航天器来说，一旦受到损伤就必需马上抢救，时间就是生命，给抢救工作带来很大的困难，事后抢救的困难转嫁到事前防范工作的加强上，更需要周密细致的防范．载人航天器在低高度上运行为了避开地球辐射带对航天器的辐射效应，载人航天的轨道一般选择在低地球轨道上，虽然它不是太空碎片最密集的区域，但是太空碎片的密度照旧很大．而且由于大气的作用，全部轨道比它高的碎片最终都要通过它飞行的高度并最终陨落．最近在考虑削减太空碎片影响的措施时，还有人提出工作任务完毕的航天器要“离轨”，方向之一就是将这些航天器的轨道降低到寿命较短的轨道上来，就是说将它们移到低高度轨道上来，这必定要增加低高度上的太空碎片密度，增加在这个轨道上运行的载人航天器的风险．载人航天器将在太空长期飞行空间站是今后载人航天的重要形式，它的特点是将在太空长时间运行，在轨道上运行的时间将在十余年到数十年之间．航天飞机每次飞行的时间虽然都不长，但屡次反复使用的结果，一艘航天飞机总的飞行时间积存也将很长．而太空碎片的威逼是和运行时间成正比的，这也是载人航天更需要考虑太空碎片防护的重要缘由．太空碎片的争论工作是格外广泛的，与载人航天工程关系最亲热，需要载人航天工程支持的有：1、载人航天器运行轨道四周的太空碎片模式；2、太空碎片模式必需能给出运行轨道．。

《新材料及其应用》教学设计一、教学目标1、知识与技能目标（1）了解新材料的种类和特点，如纳米材料、超导材料、形状记忆合金等。

（2）理解新材料在现代科技和生活中的应用实例。

2、过程与方法目标（1）通过查阅资料、观看视频等方式，培养学生获取信息和处理信息的能力。

（2）通过小组讨论和案例分析，提高学生的合作学习能力和解决问题的能力。

3、情感态度与价值观目标（1）激发学生对新材料的兴趣和探索欲望，培养学生的创新精神。

（2）使学生认识到新材料的发展对社会进步的重要性，增强学生的社会责任感。

二、教学重难点1、教学重点（1）常见新材料的特点和应用。

（2）培养学生对新材料的认识和理解能力。

2、教学难点（1）新材料的原理和性能的理解。

（2）引导学生对新材料发展的思考和创新。

三、教学方法1、讲授法讲解新材料的基本概念、特点和应用，使学生对新知识有初步的了解。

2、讨论法组织学生针对特定的新材料应用案例进行讨论，激发学生的思维，培养合作学习能力。

3、演示法通过多媒体展示新材料的图片、视频等资料，增强学生的感性认识。

4、探究法引导学生自主探究新材料在生活中的应用，培养学生的自主学习能力和创新思维。

四、教学过程通过展示一些现代高科技产品，如智能手机、电动汽车、航空航天设备等，提问学生这些产品中可能用到了哪些新材料，从而引出本节课的主题——新材料及其应用。

2、知识讲解（20 分钟）（1）纳米材料介绍纳米材料的定义（指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料）和特点（小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等），举例说明纳米材料在涂料、医学、电子等领域的应用，如纳米涂料具有更强的耐腐蚀性和耐磨性，纳米药物能够更精准地到达病灶部位。

（2）超导材料讲解超导材料的概念（在特定温度下电阻为零的材料）和超导现象的发现历程，重点阐述超导材料在能源传输、磁悬浮列车等方面的应用优势，如超导电缆能够大大降低电能传输过程中的损耗，磁悬浮列车利用超导磁体能够实现高速、平稳运行。