資源簡介

第三節 材料及其應用
教學課件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第二章 固體與液體
高中物理魯科版（2019）選擇性必修第三冊
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素養目標
新課講解
新課導入
經典例題
目錄
CONTENTS
PART.2
PART.4
課堂練習
課堂小結
1.了解材料對人類社會的影響。
2.了解材料的種類。
3.了解半導體、納米材料、石墨烯等幾種新型材料的應用前景。
素養目標
新課講解
New lesson explanation
新課講解
一、材料對人類社會的影響
人類在不同時代對材料的開發與應用有所不同，每一種重要材料的開發和應用，都把人類文明推向一個新的階段。
石器時代以石頭為工具材料，雖硬但易斷裂，加工困難。
這種材料限制了生產力發展，效率低下，社會進步緩慢。
石器時代
青銅是合金材料，制作成本較高。
但其出現給農業和手工業生產帶來強大助力，推動社會進步。用于生產數量少。
青銅時代
鐵作為工具材料，堅硬、韌性高、鋒利，勝過石器和青銅器。
帶來發達生產力，促進中華文明發展，推動社會變革。
鐵器時代
新課講解
半導體材料促進了計算機技術的發展
耐高溫高強度的結構材料推動了航天技術的發展
低消耗的光導纖維引領了光纖通信技術的發展
信息時代
材料已經與信息、能源一起，被當今國際社會公認為現代文明的三大支柱。
新課講解
二、材料的種類
1、按照材料的特性，可將材料分為結構材料和功能材料兩類。
①結構材料主要利用材料的力學特性
②功能材料主要利用材料的聲、光、熱、電、磁等特性。
2、按照材料的應用領域，又可將材料分為信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。
3、習慣上，人們把材料分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。
新課講解
(1)金屬材料
金屬材料一般包括金屬與合金。合金是由兩種或兩種以上的金屬,或者金屬與非金屬結合而成的具有金屬特性的材料。
例如，鋼是鐵和碳的合金，再加上鉻就成了不銹鋼，不銹鋼具有很強的耐腐蝕，廣泛用于制造餐具、外科手術器械及化工設備等。
新課講解
(2)無機非金屬材料:主要有陶瓷和玻璃等。
傳統的陶瓷材料主要用于制造碗、碟、衛生潔具等日常生活用品。如今，陶瓷新材料有驚人的耐腐蝕性能,能耐受強堿氫氧化鈉、幾乎所有的無機酸及有機酸的腐蝕,同時它又是一種高性能的電絕緣材料,在現代工業和航空航天領域得到了廣泛的應用。
新課講解
(3)有機高分子材料
是由含碳、氫、氧、氮、硅、硫等元素的有機化合物構成的材料。塑料、合成纖維和合成橡膠這三大合成高分子材料,已經成為生產和生活中必不可少的重要材料。
例如，人工合成的有機玻璃不但具有玻璃的各種優點，而且非常堅韌，即使受到猛烈撞擊也不易破碎，可用于制造飛機的座艙蓋及汽車的擋風玻璃，還可用于制造文具、樂器（圖2-30）和工藝品等。
新課講解
（4）復合材料
復合材料是由以上幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料。它既能保留原組成材料的主要優點，又能通過復合效應獲得原組合成分所不具備的性能，還可通過材料設計使各組合成分的性能互相補充并彼此關聯，從而獲得新的優越性能。
例如，玻璃鋼、碳纖維和陶瓷復合材等新型復合材料具有強度高、耐腐蝕、剛性好、質量輕等優良特性，在許多方面都得到了應用（圖2-31）。
新課講解
三、材料的應用
1.半導體
（1）半導體是具有優異特性的微電子材料。從導電性能上看，半導體的電阻率介于金屬導體（電阻率＜10-3Ω·m）和絕緣體（電阻率＞10Ω·m）之間。
微電子工業中使用的半導體材料主要是硅和砷化鎵。硅的機械強度高，結晶性好，在自然界中儲量豐富，成本低，是制造晶體管和集成電路的主要材料。在微電子工業中，集成塊是利用集成工藝將晶體管、電阻、電容及它們之間的連線集成在一塊半導體芯片上制成的（圖2-32）。集成電路是電子設備最重要的元件之一。
新課講解
(2)微電子工業中使用的半導體材料主要是硅和砷化鎵。硅的機械強度高,結晶性好,在自然界中儲量豐富,成本低,是制造晶體管和集成電路的主要材料。
隨著半導體器件的特性尺寸越來越接近原子極限，越來越多的新器件概念被提出，如自旋器件、鐵磁存儲器、量子晶體管等。
半導體是電子信息產業的基礎，是許多工業整機設備的核心，作為芯片、存儲器等應用在計算機、通信、軍事、工業醫療等各個領域。半導體技術在各個領域的應用大大提高了生產效率，為人們帶來各種便利，同時極大地推動著社會的文明和進步
新課講解
2.納米材料
納米是長度單位，1nm＝10-9m。粒度在1～100nm的材料稱為納米材料。
人們發現，當材料小到納米尺度時，其力、熱、聲、光、磁等方面的某些性能會突變。碳納米管（圖2-34）是目前納米材料研究領域的熱點之一。碳納米管是由碳原子層卷曲而成的碳管，管直徑一般為幾納米到幾十納米，管壁厚度僅為幾納米，五萬根碳納米管集中起來也只有人的一根頭發絲粗。它的成分和石墨一樣，但韌性很高，導電性極強，兼具金屬和半導體的特性。
新課講解
納米材料在短短的十幾年中發展十分迅速，填補了一個曾被忽略了的小尺度材料科學研究的空白，使人們對物質世界的認識又向前邁進了一大步；同時，它也為新型材料的發明開辟了一個嶄新的天地，顯示出強大的生命力。納米材料的應用范圍十分廣泛，如在文物保護方面，利用溶膠與凝膠相結合的方法，把新研制的納米材料制成一種透明的膠體，涂在文物表面，可形成一種“無機膜”，使文物完全與外界隔離，有利于文物的長期保護。
新課講解
3.石墨烯
(1)石墨烯:由單層原子構成的材料,碳原子之間相互連接成六角網格。
(2)石墨烯的特性:優異的光學、電學、力學特性,是已知強度最高的材料之一,并且能彎曲,有很好的韌性。
(3)用途:①制作傳感器;②制作晶體管;③作為柔性顯示屏的基礎材料。
課堂練習
Classroom Practice
課堂練習
1.(多選)按照材料的應用領域,可把材料分為（ ）
A.信息材料 B.金屬材料
C.建筑材料 D.航空航天材料
ACD
課堂練習
2.關于材料的分類，以下說法不正確的是(　　)
A.按照材料的特性，可以把材料分為結構材料和功能材料
B.功能材料主要是利用材料的力學性質來分類的
C.按照材料的應用領域可以把材料分為信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等
D.根據不同的分類方法，同一種材料可以同屬于多種類型材料
課堂練習
解析：按照材料的特性，可以把材料分為結構材料和功能材料，A正確；功能材料主要是利用材料的聲、光、熱、電、磁等特性來分類的，B錯誤；按照材料的應用領域可以把材料分為信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等，C正確；根據不同的分類方法，同一種材料可以同屬于多種類型材料，例如，鋁既屬于金屬材料，又屬于導電性很強的功能材料，還屬于航空航天材料，D正確。
課堂練習
3.(多選)下列關于材料的說法正確的是 （ ）
A.金屬材料是指金屬及其合金,通常合金的性能優于純金屬
B.合成橡膠、合金都屬于復合材料
C.塑料屬于有機高分子材料
D.玻璃是無機非金屬材料
ACD
課堂練習
4.如圖所示為石墨、石墨烯的微觀結構,石墨烯是單層的石墨,可以通過剝離石墨而獲得,是現有材料中厚度最薄、強度最高、導熱性最好的新型材料。下列說法正確的是 （ ）
A.單層石墨烯的厚度約在厘米數量級
B.石墨烯可以通過物理方法獲得
C.石墨和石墨烯中的碳原子都固定在六邊形
的頂點不動
D.石墨烯熔化過程中吸熱,碳原子的平均動能增加
B
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