《新材料及其应用》

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1、新材料及其应用【名师解读】八年级物理精品导学学案第二章物质性质的初步认识第四节探究目标知识与技能了解纳米材料、“绿色”能源、记忆合金等 新材料及应用.过程与方法经历上网查资料了解新材料的过程.情感、态度与价值观通过了解新材料的应用及新的前景，激发学习兴趣，扩展视野 .探究指导物理宫殿纳米材料某些物质的尺度加工到1100n,它的物理性质或者化学性能与较大尺度时相比，发生了异常变化，这些物质组成 的材料为纳米材料；纳米技术的应用：纳米技术在工业、 农业、能源、环保、 医疗、国家安全等各个方面都有广泛的应用，如图2.4-1 ,我国和世界其他国家都在竞相开发纳米产品.图2.4-2是1993年中国科学院

2、北京真空物理实验室自行操纵原子写出 的“中国”二字，标志着我国开始在世界纳米领域占有一席 之地.如：洗衣机桶的表面上用了纳米尺度的氧化硅微粒和 金属离子的组合，就具有抑制细菌生长的功能；普通领带的 表面经过纳米方法处理后会有很强的自洁性能，不沾水也不 沾油；陶瓷中加了纳米陶瓷粉就具有一定的可韧性，如果用 它制造发动机的卸体，汽车会跑得更快 .图2.4-1纳米材料的应用领域图 2.4-2“绿色”能新材料能制成各种高效的“绿色”能源.以电源为例,长期以来使用的干电池较轻便，但只能用一次，丢弃后会污 染环境；铅蓄电池能反复使用，但乂太笨重；而新材料做成 的锂电池是有体积小、质虽轻、能够多次充电、对环

3、境污染 小等特点，已经被广泛地用于移动通信、小型摄像机等设备 上；硅光电池能够把太阳能直接转换成电能，并且完全不会 造成污染，它广泛应用于人造卫星和照明.图2.4-3图2.4-4太阳能汽车的上表面覆盖着很多硅光 电池记忆合金有些合金在加热时能像弹簧一样被拉长和扭曲，冷却后 可以保持这个形状不变；当再次加热时，它们乂恢复到被拉 长或扭曲前的形状.这种合金叫做形状记忆合金；主要成分是：镣和钛;物理特性：当温度达到某一数值时，材料内部的晶体结构会发生变化，从而导致了外形的变化；应用：如将记忆合金制成的弹簧安装在热水器的出水阀 门内，当水温超过某一温度时，弹簧自动伸长，将阀门关闭 而停止出水，避免发生

4、烫伤人的事故 .图 2.4-5【例】在1989年12月20日凌晨，美军的两个中队F-117A 隐形战斗轰炸机，躲过昼夜处于高度戒备状态的巴拿马对空 监视雷达系统，突然出现在巴拿马城西120处的一个军用机场上空，为美军大规模入侵巴拿马夺取了制空权.雷达能监测普通飞机的飞行情况，为什么不能发现隐形飞机呢？思路与技巧雷达是利用无线电波测定物体位置的无线 电设备，它的天线可以转动，它向一定的方向发射不连续的 无线电波，然后根据反射波的方向和时间判断目标的方位和 距离.隐形战斗机将具有良好的吸波性的隐性材料涂在其表 面上，使其具有超凡的隐身能力.答案隐形战斗机是利用新型的隐形材料制成的重要军 事武器，涂

5、有隐形材料的战斗机能将雷达发射出的无线电波 大部分吸收掉，反射回去的却很少，使雷达变成了 “睁眼瞎”. 而普通飞机反射回去的无线电波信号很强，雷达接收屏能接 收到，因此能显示出普通飞机的存在.图 2.4-6探究体验不同的材料具有不同的物理性质，如导热性、导电性、磁性、密度、弹性、硕度、延展性等等.下面探究材料的硕度.探究器材自选若干待测材料，如肥皂、泥块、塑料、铝 片、陶瓷片等.探究过程组成如图 2.4-7装置；图2.4-7材料硕度测虽示意图 将被测材料置于一个空心竖直管的底部，从管的顶部 释放一钢钉，钢钉作用在该材料上会产生一个小小的凹痕； 从凹痕的大小和深度，判断材料的硕度并排序.分析与结

6、论材料有软有硕，较硕的材料能使较软的材料 产生，材料的硕度不同，不一样 .探究点拨材料的区分可根据材料的不同性质，通过比较 进行区分.聊天室话题：纳米材料的应用前景胖胖：老师，您能介绍一下纳米材料在实际中的应用吗？老师：纳米材料的应用非常广泛， 具体概括为以下几点:在陶瓷领域的应用.随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，它在1600 C高温下能像橡皮泥那样柔软，在室温下也能自由弯曲 因而克服了陶瓷的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔软性和 可加工性.用纳米技术可以实现天梯.XX年3月中央电视台新闻联播曾做过报道：科学家能够造出天梯，地点选在太平洋上 .用来做天梯的材料就是碳纳 米管.这种材料从

7、1991年被发现以来，就一直被誉为未来的 材料.碳纳米管在强度上大约比钢强100倍，其传热性能优于所有已知的其他材料.它有良好的导电性，在常温下导电 时，几乎不产生电阻，科学家合成的碳纳米材料在室温下能 储存和凝聚大虽的氢气，用于燃料电池以驱动汽车等.它为“清洁能源”一一氢能的开发、利用提供了良好条件在医学上的应用.用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可立即搜 索并攻击癌细胞或修补受伤组织：在人体器官表面涂上某些 纳米粒子可防止器官移植后的排异反应.在生物医学方面，纳米科技更是潜力巨大.纳米技术可以在微小尺度里重新排 列遗传密码，基因生物制作技术就是典型的纳米和基因生物 学结合的产物.人类可

8、以利用基因芯片迅速查出自己基因密 码中的错误，并迅速利用纳米技术进行修正，使人类消灭各 种遗传缺陷的理想得以真正实现.仿生学将是纳米技术大展 宏图的领域，人类可以制造出细胞内工作的机器人。并将其 放入人体内，它可以在血液和细胞中工作，帮助我们清除垃 圾和病兆，还我们一个健康的身体 .在化工领域的应用.把纳米技术运用到涂料中，使外墙涂料的洗刷性由原来 约1000多次提高到10000多次，老化时间也延长了两倍多 轮胎通常是“一统天下”的黑色，原因是生产橡胶过程中 需要加入炭黑末提高强度、耐磨性和抗老化性，但运用纳米 材料生产的轮胎不仅色彩鲜艳，性能也大大提高，轮胎侧面 胶的抗折性能由10万次提高到

9、50万次。纳米级的氧化锌用 于橡胶制品，可防止老化，提高耐磨性、抗摩擦起火，用于 高级轿车轮胎、飞机轮胎上可提高安全系数.添加了纳米氧化锌的陶瓷釉面，具有不擦洗而自清洁的特性，在高层建筑 和公路隧道中不便清洗的地方，这种自洁功能格外受欢迎 有些纳米材料制成纤维布料 .不仅可以杀菌、防臭也可摆脱 在脱衣服时因摩擦而引起烦人的静电现象在军事上的应用.主要是在三个方面：一是在信息领域，使信息传输更快 捷；二是用纳米隐身材料， 让那些飞机、坦克成为隐形飞机、 隐形坦克，让敌方的雷达看不见它.三是用纳米材料做成微小的纳米机器，组成神通广大的纳米微型军备.可以制成像针尖一样大小的炸弹，像苍蝇一样大小的飞机

10、总之，一个崭新的0.1100n的世界提供给人类的将是 不同于以往任何经验的东西，它不仅会给人类生活带来一场 革命，还会使我们再一次地感受到：科学与技术正以日新月 异的速度向前飞行发展.快乐套餐你认为所有的材料达到纳米尺度就一定是纳米材料，或 者说一定具备纳米效应吗A.是B.不是c.目前还不知道上海磁悬浮列车在 XX年元旦前一天运行成功，这标志 着我国在这个领域已达到世界先进水平，备受世人瞩目.磁悬浮列车中用到下列哪种材料A.超导材料B.纳米材料c.记忆合金D.隐形材料 在我国“三星堆遗址”的出土文物中，发现了用极薄的 金箔贴饰的精美“金器”.黄金可以被做成极薄的金箔，主 要是因为黄金的A.延展

11、性好B.硕度大c.弹性好D.密度大当材料的微粒小到纳米尺寸时，材料的性能就会发生显著的变化，这就是的特性，如图2.4-8 ,黄金在正常情况下呈金黄色，而它的纳米颗粒却变成了黑色，尺寸越小，颜色 越深，且显著下降.还有银白色的钳在纳米尺寸下变成了钳 黑，金属铭变成铭黑.利用纳米的这种特殊的光学性质可以 制成高效率的光热、光电转换材料将太阳能转变为能、能 .图 2.4-8光电池是一种把能转化为能的电池.硅光电池是一种典 型的光电池，它的主要中分用制成，这种电池性能、使用寿 命，已广泛用到电子计算器、收音机、玩具等方面，在人造 卫星和其他太空仪器上也用它做电源 .锂是密度最小的一种金属，为 g/c3

12、. 一个锂电池的体积 为8.5c3 ,它的质虽为g.锂电池的特点是小、 轻、能够多次、 对环境污染等特点，已经被广泛应用于、等设备上 科普展览会上有一种神奇的金属花，它的花瓣是用一种 特殊的金属片一一记忆合金制成的.它具有记忆能力，灯光一照它会，如图，关上灯乂会，如图.某班同学进行“使用塑料的利与弊”的辩论.甲方认为“利大于弊”，理由是：大部分塑料的抗腐蚀能力强，不与 酸或碱反应等；乙方认为“弊大于利”，理由是：回收利用 废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上不合算等，你愿意 加入方，并写出另一条理由.图2.4-9记忆合金“花朵”图 2.4-10如图2.4-10，用形状记忆合金可制成月面天线.发

13、射前,天线先被压缩成小球团，到达月球表面后，它为什么能展开 成正常工作的半球面状呢？0.观察热水瓶使用了哪些材料，采取了哪些保温措施？1.海南有着得天独厚的地理和气候优势，盛产反季节瓜 菜和海产品.在北运海产品的包装箱中，一般都选用泡沫塑料制作.据你认为，在利用该材料的过程中:优点是缺点是.有记忆本领的不只是金属或合金，塑料等一些非金属材 料也有这种本领，科学家对形状记忆塑料做了大胆的设想： 家里一些平时用不着的桌椅等家具，可以把它们压扁堆在一 个很小的角落，一旦来了客人，就可以魔术般地把它们清理 出来，只要往它们身上浇点热水，桌椅马上就会“变”回来.人们出外野炊带上这种形状记忆塑料做成的桌椅

14、餐具，到时 只要浇上一点热水，这些用具就可以一个个“站”起来供你 使用；不用了，乂可以把它们压扁成一堆，放在车上带回.请你大胆猜想，将来的记忆材料有哪些方面的应用？3.在航天飞机的超音速燃烧冲压式发动机中，燃烧室里 的温度会超过XXC；而在燃烧室的隔壁， 是放置作为燃料的 被冷却了的液氢，温度为 -200 C .“一边是海水，一边是火 焰”.这样，燃烧室壁一侧要承受极高的温度，另一侧要承 受极低的温度.于是人们将耐高温的陶瓷和耐低温的金属 “融”为一体，不断地改变这两种材料的内部结构，使它们 既能融相处乂保留各自耐热耐冷的本领，这就是材料领域的 新明星梯度材料.现已开发出多种制造它的方法，如：

15、化学气相沉积法、等离子喷涂法、颗粒梯度排列法等等.请你判断图2.4-11中图是一般材料的分子结构，图是梯度材 料的分子结构.图 2.4-11阅读材料俗话说得好，“人各有所长”世界上所有的材料跟人一 样，不可能十全十美，每一种材料都有自己的优点和缺点， 科学家就研制出各种新型的复合材料，就是把两种或两种以 上的材料结合在一起，使它们各自发挥自身的特长，避开各 自的缺点.目前最重要的复合材料分为两类：一类是纤维增强复合材料，主要是长纤维铺层复合材料，如玻璃钢，如图 2.4-12 甲；另一类是粒子增强复合材料，如建筑工程中广泛应用的 混凝土 .因为它们都是优势互补的产品，所以它们有许多别 的材料所没有的优点.复合材料乂轻乂结实，它的比强度和比刚度较高.这两个参虽是衡虽材料承载能力的重要指标.比强度和比刚度较高说明材料重虽轻，而强度和刚度大，这是结构设计，特别 是航空、航天结构设计对材料的重要要求.现代飞机、导弹和卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复合材料的比 例.图 2.4-12复合材料不知疲劳，它的抗疲劳性能良好.一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40% 50%,而某些复合材料可高达70% 80%用复合材料制成的直升机旋翼，其疲劳寿