資源簡介

(共18張PPT)
第十一單元 化學與社會
跨學科實踐活動10
調(diào)查我國航天科技領域中新型材料、新型能源的應用
人教版 化學 九年級 下冊
近年來，我國航天重大工程取得了一系列輝煌成就。“神舟”問天、“嫦娥”攬月、“北斗”指路、“祝融”探火、“羲和”逐日、“天和”遨游星辰、“悟空”“慧眼”探索宇宙奧秘……飛天逐夢變?yōu)楝F(xiàn)實，離不開對新型材料和新型能源的不斷探索。
1. 了解新型材料和新型能源在我國航天科技領域中的應用，加深對物質(zhì)的性質(zhì)與應用、能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移等的認識。
2. 形成創(chuàng)新意識，進一步樹立民族自豪感。
任務一 了解我國宇航產(chǎn)品的基本情況
查閱資料，了解我國宇航產(chǎn)品的發(fā)展、種類和主要用途，嘗試繪制包含這些信息的示意圖。
我國宇航產(chǎn)品
人造衛(wèi)星
通信衛(wèi)星：實現(xiàn)全球通信、廣播電視信號傳輸
氣象衛(wèi)星：用于氣象觀察、天氣預報
導航衛(wèi)星：為全球提供定位、導航服務，如北斗導航
載人飛船
空間站
月球探測器
火星探測器
進行太空科學實驗、太空技術研究，以及培養(yǎng)宇航員等，如神舟系列飛船、中國空間站“天宮”
對月球進行地質(zhì)勘探、資源探測等，如嫦娥探測器
探索火星的地質(zhì)、氣候等，為開發(fā)火星做準備，如天問一號
1. 查閱資料，結合金屬材料、高分子材料等知識，了解并分析宇航產(chǎn)品的主體結構、外部涂層、功能部件等所使用的材料及其特點。
任務二 了解宇航產(chǎn)品的材料選擇
（1）主體結構方面:常用的金屬材料包括鈦合金和鋁合金。鈦合金具有高強度、高耐腐蝕性和良好的高溫性能,能夠承受太空環(huán)境中的極端壓力和溫度變化。鋁合金則具有輕質(zhì)、良好的加工性能和一定的強度,有助于減輕宇航產(chǎn)品的整體重量。
（2）外部涂層方面:通常會采用耐高溫、耐磨損、抗輻射的涂層材料。例如,一些特殊的陶瓷涂層,能夠有效保護宇航產(chǎn)品免受太空高能粒子的輻射和微小隕石的撞擊;高分子材料聚酰亞胺，具有優(yōu)異的耐高溫性能和絕緣性能,也常用于外部涂層,以提供防護和絕緣作用。
（3）功能部件方面:對于一些需要高精度和高可靠性的部件,如傳感器、光學儀器等,會使用具有良好導電性、導熱性且穩(wěn)定性的金屬材料,如金、銀、銅等。而對于一些需要減震、密封和絕緣的部件,則會使用高分子材料,如橡膠、塑料等,它們具有良好的彈性和柔韌性。
總之,在宇航產(chǎn)品中,材料的選擇取決于其特定的性能需求,以確保產(chǎn)品在極端的太空環(huán)境中能夠安全、可靠地運行。
2.根據(jù)調(diào)查的材料信息完善示意圖。
宇航產(chǎn)品材料
主體結構方面
鈦合金
外部涂層方面
功能部件方面
鋁合金
陶瓷
高分子材料
金屬材料
高分子材料
1.火箭的能源。查閱資料，結合燃燒、能量等知識，了解并分析火箭的推進劑，說明不同推進劑的特點。
任務三 了解宇航產(chǎn)品的能源選擇
（1）化學推進劑:
①液體推進劑:常見的有液氧和液氫組合。液氧和液氫組合具有很高的比沖（單位質(zhì)量推進劑產(chǎn)生的沖量）,燃燒效率高,但儲存和使用條件苛刻,需要低溫和復雜的儲存系統(tǒng)。
②固體推進劑:如高氯酸銨復合推進劑。其優(yōu)點是結構簡單、可靠性高、使用方便,能夠長期儲存。但比沖相對較低,且一旦點火難以控制燃燒過程。
（2）非化學推進劑:
①電推進劑:利用電能將推進劑離子化并加速噴出,產(chǎn)生推力。其比沖極高,能夠大幅節(jié)省推進劑質(zhì)量,但產(chǎn)生的推力較小,適用于長時間的軌道調(diào)整和深空探測任務。
②核熱推進劑:利用核反應堆加熱推進劑產(chǎn)生高溫氣體噴出。具有較高的比沖和較大的推力,但技術復雜,存在核安全和輻射防護等問題。
2.航天器開展工作的能源。查閱資料，了解并分析人造衛(wèi)星、宇宙飛船、空間探測器、空間站等航天器在開展工作時所使用的能源種類及其特點。
（1）太陽能:清潔、可持續(xù)、易于獲取。在近地軌道的航天器中廣泛應用,通過太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能。但在遠離太陽的區(qū)域或陰影區(qū)，能源供應會受到限制。
（2）化學電池:如銀鋅電池、鋰電池等。能夠提供穩(wěn)定的電能輸出,不受光照條件影響。但能量密度相對較低,儲存的能量有限,且使用壽命有限。
（3）核能源:如放射性同位素熱電發(fā)生器（RTG）,能在長時間內(nèi)穩(wěn)定提供電能,不受光照和位置的影響,適合在深空探測等任務中使用，但存在核輻射風險,技術復雜,成本高昂。
（4）燃料電池:將燃料（如氫氣）和氧化劑（如氧氣）的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能。能量轉(zhuǎn)化效率較高,能夠提供持續(xù)的電力,但需要儲存燃料和氧化劑。不同的航天器會根據(jù)任務需求、軌道位置、工作時長等因素選擇合適的能源,有時也會采用多種能源組合的方式,以確保航天器在各種工況下都能穩(wěn)定運行。
3.根據(jù)調(diào)查的能源信息進一步完善示意圖。
航天器能源
火箭能源
航天器工作的能源
液體推進劑
固體推進劑
電推進劑
核熱推進劑
太陽能
化學電池
核能源
燃料電池
任務四 設想航天科技領域中未來的新型材料和能源
查閱資料，了解目前正處于試驗階段的新型材料和新型能源。設想一款未來的宇航產(chǎn)品，繪制出它的外觀，并將其用途、所使用的材料、能源等標注在圖中。
（1）新型材料和新型能源:材料有碳納米管復合材料、量子材料等;能源有反物質(zhì)能源、可控核聚變能源等。
（2）提示:未來宇航產(chǎn)品可展開合理想象,大膽采用新型材料和能源,設計能夠進行長距離的星際旅行,探索未知星系,同時具備科學研究和資源勘探的功能的宇航產(chǎn)品。
1.展示最終形成的示意圖，交流并嘗試總結宇航產(chǎn)品在材料和能源選擇時的一般思路。
宇航產(chǎn)品在材料和能源選擇時的一般思路
材料選擇
能源選擇
高強度和輕質(zhì)化
耐極端環(huán)境
抗腐蝕和耐磨損
熱穩(wěn)定性好
高能量密度
可靠性和穩(wěn)定性
適應寬溫度范圍
高效的能量轉(zhuǎn)換效率
地輻射和電磁干擾
良好的加工性能
2.介紹你設想的未來的宇航產(chǎn)品，說明設計思路，并討論未來航天科技領域新型材料和能源可能的發(fā)展方向。
作業(yè)
內(nèi)容
教材作業(yè)
與同學交流討論未來航天科技領域的新型材料和能源
自主安排
配套練習冊練習題

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