九年级物理全册 第二十章 能源、材料与社会 第三节 材料的开发和利用课件 （新版）沪科版

第三节第三节 材料的开发与利材料的开发与利用用一、半导体一、半导体 1.半导体材料的导电性能介于导体半导体材料的导电性能介于导体与绝缘体之间，具有一些特殊的与绝缘体之间，具有一些特殊的物理性质。物理性质。2.半导体材料有硅、锗和砷化镓等。半导体材料有硅、锗和砷化镓等。 实物图实物图材料材料灯的亮暗灯的亮暗结论结论塑塑 料料 铜铜 铁铁 竹条竹条 铅笔铅笔芯芯（石（石墨）墨）亮亮不亮不亮不亮不亮亮亮亮亮根据材料的导电性能：材料可分为根据材料的导电性能：材料可分为1，导体：，导体： 容易导电容易导电的材料的材料2，绝缘体：，绝缘体：不容易导电不容易导电的材料的材料3，半导体：，半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间导电性能介于导体与绝缘体之间 的材料的材料 实物图实物图 操作操作现象现象 结论结论发发光光二二极极管管A接正接正B接负接负 A接负接负B接正接正实验探究：发光二极管的独特功能实验探究：发光二极管的独特功能二二极极管管发发光光二二极极管管不不发发光光发光发光二极二极管具管具有单有单向导向导电性电性 实物图实物图操作操作现现象象 结论结论光光敏敏电电阻阻1，光敏，光敏电阻接电阻接入电路入电路2，再用，再用手指捏手指捏住光敏住光敏电阻电阻二二极极管管发发光光二二极极管管变变暗暗探究：光敏电阻的独特功能光敏光敏电阻电阻的阻的阻值随值随光照光照强度强度而改而改变。变。 实物图实物图操作操作现象现象结论结论热热敏敏电电阻阻1，热敏，热敏电阻接电阻接入电路入电路2，再用，再用烛焰加烛焰加热热灯灯不不亮亮灯灯亮亮热敏热敏电阻电阻的阻的阻值随值随温度温度改变改变而改而改变。变。探究：热敏电阻的独特功能太阳能电池原理当光照到某些半导体时，半导体内将会产生电流太阳能电池就根据这个原理制成的最新的微处理器奔腾双核酷睿处理器机器人无人探测器内部有大量半导体元件构成的电路二、超导材料二、超导材料其中有一种性能较好的材料叫超导材料其中有一种性能较好的材料叫超导材料 为了制造物美价廉、性能更好的物品，人们为了制造物美价廉、性能更好的物品，人们正在不断地研究性能更好、更容易制造的材料。正在不断地研究性能更好、更容易制造的材料。1911年，翁尼斯在研究汞电阻随温年，翁尼斯在研究汞电阻随温度的变化时，观察到在测试降低到度的变化时，观察到在测试降低到4.2K时，汞的电阻突然降低到测量时，汞的电阻突然降低到测量不到的微小值。从而发现超导电性。不到的微小值。从而发现超导电性。超导体超导体1超导现象和超导体：当温度降低到绝对零度附近时，某超导现象和超导体：当温度降低到绝对零度附近时，某些材料的电阻率突然减小到无法测量的程度，可以认为其些材料的电阻率突然减小到无法测量的程度，可以认为其电阻率突然变为零，这种现象叫做电阻率突然变为零，这种现象叫做超导现象超导现象，能够发生超能够发生超导现象的物质称为导现象的物质称为超导体超导体 2转变温度转变温度TC ：材料由正常状态转变为超导状态的温度，：材料由正常状态转变为超导状态的温度，叫做超导材料的转变温度叫做超导材料的转变温度3、超导体的两个基本特性：超导体的两个基本特性：零电阻性、抗磁性零电阻性、抗磁性超导材料出现以后，人们超导材料出现以后，人们首先想到的是利用超导体的零首先想到的是利用超导体的零电阻性实现远距离大功率输电。电阻性实现远距离大功率输电。超导材料不仅电阻为零，超导材料不仅电阻为零，而且还有其它令人注目而且还有其它令人注目的特性。的特性。超导磁悬浮现象使人们想到可以利超导磁悬浮现象使人们想到可以利用超导体来实现交通工具的无摩擦运行，用超导体来实现交通工具的无摩擦运行，大大提高交通工具的安全性能和运行速大大提高交通工具的安全性能和运行速度。度。二、纳米材料二、纳米材料1、纳米是一个长度单位：、纳米是一个长度单位：1nm=10-9m2、1nm小到什么程度？小到什么程度？(10个分子紧密排布个分子紧密排布 的尺度，大约是一根头发丝的的尺度，大约是一根头发丝的1%)3、纳米材料除了其基本单元空间尺度小、纳米材料除了其基本单元空间尺度小 外，在力、热、声、光、电、磁等方外，在力、热、声、光、电、磁等方 面还表现出许多特殊的性能。面还表现出许多特殊的性能。4、纳米材料、纳米材料纳米机械零件纳米机械零件药物做成纳米颗粒药物做成纳米颗粒将来人们可以用纳米技术一个一个地将来人们可以用纳米技术一个一个地将原子组装起来将原子组装起来 制成各种纳米机器制成各种纳米机器 纳纳米米镜镜面面 纳米衣服不用洗、纳米衣服不用洗、“纳米水纳米水”喝出健康喝出健康从上世纪从上世纪90年年代起，实验室里的尖端科技纳米技术一下子被媒体推到了代起，实验室里的尖端科技纳米技术一下子被媒体推到了市民面前，它神秘又令人憧憬：纳米究竟是种什么市民面前，它神秘又令人憧憬：纳米究竟是种什么“米米”？怎么怎么“种种”出来的？对我们的生活将产生怎样的影响？武出来的？对我们的生活将产生怎样的影响？武汉汉“种植纳米种植纳米”的水平如何？带着这些问题，本报记者探的水平如何？带着这些问题，本报记者探访了武汉的一些高校和科研机构，请科学家来揭开访了武汉的一些高校和科研机构，请科学家来揭开“纳米纳米”的面纱。的面纱。 纳米是种什么纳米是种什么“米米”？ 近日，中国地质大学（武汉）材料科学与化学工程学院的近日，中国地质大学（武汉）材料科学与化学工程学院的纳米研究课题组再次接到了深圳某美容机构传真的纳米研究课题组再次接到了深圳某美容机构传真的“纳米纳米硫硫”订单。去年，地大在世界上首次研制出订单。去年，地大在世界上首次研制出“纳米硫磺纳米硫磺”，在面膜、膏霜等化妆品中应用纳米硫材料，对治疗脂溢性在面膜、膏霜等化妆品中应用纳米硫材料，对治疗脂溢性皮炎、螨虫、青春痘等有奇效。皮炎、螨虫、青春痘等有奇效。 “纳米纳米”译自英文译自英文“nanometer”，它并不是什么特殊的物质，而是，它并不是什么特殊的物质，而是一种度量单位。一种度量单位。1纳米等于十亿分之一米，相当于针尖大小的百万分纳米等于十亿分之一米，相当于针尖大小的百万分之一，约相当于之一，约相当于45个原子串起来那么长。纳米技术就是指在纳米尺寸个原子串起来那么长。纳米技术就是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的范围内，通过直接操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。当物质颗粒小到新物质。当物质颗粒小到100纳米以下，这种物质就可被称为纳米材纳米以下，这种物质就可被称为纳米材料。其物理性能与化学性质就会较原来有意想不到的巨变，这些料。其物理性能与化学性质就会较原来有意想不到的巨变，这些“巨巨变变”正在生物学、材料学、信息技术等各个领域展开，它们对人类未正在生物学、材料学、信息技术等各个领域展开，它们对人类未来的生活产生重大影响。来的生活产生重大影响。 纳米带来美好生活纳米带来美好生活 最近，新加坡科学家在利用纳米技术治疗裂骨方面取得突破。实验中，最近，新加坡科学家在利用纳米技术治疗裂骨方面取得突破。实验中，专家在大鼠脚骨上制造了大约专家在大鼠脚骨上制造了大约3毫米的裂缝，然后把以纳米材料制成毫米的裂缝，然后把以纳米材料制成的骨头构架植入裂缝中，结果的骨头构架植入裂缝中，结果5个月后成功让骨头完全愈合。这是纳个月后成功让骨头完全愈合。这是纳米技术在医学领域的又一次成功应用，但米技术在医学领域的又一次成功应用，但“纳米纳米”究竟会给我们带来究竟会给我们带来怎样的新生活呢？怎样的新生活呢？ 从第一次工业革命到现在，真正称得上主导技术的只有从第一次工业革命到现在，真正称得上主导技术的只有4次，而次，而“纳纳米米”技术将成为第五次推动社会经济各领域快速发展的主导技术。更技术将成为第五次推动社会经济各领域快速发展的主导技术。更重要的是，传统的技术进步往往会耗费巨大的自然资源，而重要的是，传统的技术进步往往会耗费巨大的自然资源，而“纳米技纳米技术术”则将在知识经济中成为最大的节省再生资源和能源的标志。则将在知识经济中成为最大的节省再生资源和能源的标志。 专家预言，借助纳米技术，未来我们有可能用基因芯片、蛋白质芯片专家预言，借助纳米技术，未来我们有可能用基因芯片、蛋白质芯片组装成组装成“纳米机器人纳米机器人”，通过血管送入人体去侦察疾病；携带，通过血管送入人体去侦察疾病；携带DNA去去更换或修复有缺陷的基因片段。有可能用纳米药物来阻断血管饿死癌更换或修复有缺陷的基因片段。有可能用纳米药物来阻断血管饿死癌细胞。使用纳米诊断仪只需检测微量血液就可从蛋白质和细胞。使用纳米诊断仪只需检测微量血液就可从蛋白质和DNA上诊断上诊断出各种疾病。利用碳纳米管，我们可以搭建强度比钢高一百倍，但重出各种疾病。利用碳纳米管，我们可以搭建强度比钢高一百倍，但重量只有钢的六分之一的新型建筑，摩天大楼将修得更高。而用碳纳米量只有钢的六分之一的新型建筑，摩天大楼将修得更高。而用碳纳米材料替代硅芯片，将引发电脑行业的革命材料替代硅芯片，将引发电脑行业的革命 未来会出现很多自然界并不存在的强度高、对环境友好、节省能源和未来会出现很多自然界并不存在的强度高、对环境友好、节省能源和资源的新型材料，这一影响不会低于现在的计算机、微米技术给人类资源的新型材料，这一影响不会低于现在的计算机、微米技术给人类带来的影响。带来的影响。 纳米虽是一个尺度单位，但却成为近年来最时髦的商业纳米虽是一个尺度单位，但却成为近年来最时髦的商业“亮点亮点”“纳米家电纳米家电”、“纳米水纳米水”、“纳米服装纳米服装”等概念盛行一时。它们等概念盛行一时。它们都是真纳米吗？目前市场上的纳米产品，往往给人们带来一些误解。都是真纳米吗？目前市场上的纳米产品，往往给人们带来一些误解。比如纳米冰箱，通常是添加了氧化钛的纳米无机物，具备了一定的抗比如纳米冰箱，通常是添加了氧化钛的纳米无机物，具备了一定的抗菌性能；所谓纳米洗衣机，也只能说是添加了纳米材料的洗衣机，而菌性能；所谓纳米洗衣机，也只能说是添加了纳米材料的洗衣机，而且纳米材料还只是应用在滚筒洗衣机外桶的内壁上，对于最容易产生且纳米材料还只是应用在滚筒洗衣机外桶的内壁上，对于最容易产生污垢的内桶的外壁还没有很好的解决办法。污垢的内桶的外壁还没有很好的解决办法。 在目前我国相关行业、产品技术标准还是空缺的情况下，这些产品能在目前我国相关行业、产品技术标准还是空缺的情况下，这些产品能否被称之为否被称之为“纳米产品纳米产品”还是一个问题，而炒作相关的纳米概念显然还是一个问题，而炒作相关的纳米概念显然不是科学和负责任的态度。不是科学和负责任的态度。 从世界范围看，纳米研究正在向应用和产业化努力，这也从侧面说明从世界范围看，纳米研究正在向应用和产业化努力，这也从侧面说明“纳米技术纳米技术”离大规模的应用还有一个过程。比如美国前总统克林顿离大规模的应用还有一个过程。比如美国前总统克林顿曾提出的用一个方糖大小的存储器可存下国家图书馆的资料，这就是曾提出的用一个方糖大小的存储器可存下国家图书馆的资料，这就是“纳米晶体管纳米晶体管”技术，但其目前还仅是实验室产品，不能用于大规模技术，但其目前还仅是实验室产品，不能用于大规模生产，原因在于改造的成本过于昂贵、产品的可靠性和耐久性难以验生产，原因在于改造的成本过于昂贵、产品的可靠性和耐久性难以验证，证，“纳米科技展示的前景非常美好，但要想使纳米材料真正大批量纳米科技展示的前景非常美好，但要想使纳米材料真正大批量应用在现实生活中，还需要科学家和政府的不断努力。应用在现实生活中，还需要科学家和政府的不断努力。” 纳米，有时也会带来伤害纳米，有时也会带来伤害 不少专家对纳米概念的炒作表示出担心。纳米技术可能出现负效果，不少专家对纳米概念的炒作表示出担心。纳米技术可能出现负效果，纳米材料是非常小的微粒，如果应用不得当，比如在一些药物中任意纳米材料是非常小的微粒，如果应用不得当，比如在一些药物中任意应用，也可能突破人体内的一些屏障，对人类的健康造成伤害。应用，也可能突破人体内的一些屏障，对人类的健康造成伤害。 课题组曾在一项中药研究项目中提出纳米的方向，但有专家表示疑虑：课题组曾在一项中药研究项目中提出纳米的方向，但有专家表示疑虑：这种药材需要做到那么细吗？具体微小到什么程度能有最好疗这种药材需要做到那么细吗？具体微小到什么程度能有最好疗效？效？这些都值得商榷。全面看待纳米技术带来的技术进步和可能这些都值得商榷。全面看待纳米技术带来的技术进步和可能出现的弊端，表明人们对纳米技术的认识更加理性、成熟。出现的弊端，表明人们对纳米技术的认识更加理性、成熟。 皮教授的观点与近日英国科学家针对纳米危害提出的一份报告的观点皮教授的观点与近日英国科学家针对纳米危害提出的一份报告的观点相近。该报告呼吁重视这种微粒给人类生活带来的影响，建议规范和相近。该报告呼吁重视这种微粒给人类生活带来的影响，建议规范和检验纳米产品，把纳米产品对人体健康和环境的潜在危害降到最低限检验纳米产品，把纳米产品对人体健康和环境的潜在危害降到最低限度。度。 目前的问题是，人们不清楚人造纳米微粒及纳米管被人体目前的问题是，人们不清楚人造纳米微粒及纳米管被人体吸入、通过皮肤吸收及在环境中蓄积，会给人体健康和环吸入、通过皮肤吸收及在环境中蓄积，会给人体健康和环境带来什么危害。他强调，目前国内对纳米产品的监控还境带来什么危害。他强调，目前国内对纳米产品的监控还是一片空白，对于涉及到普通市民安全的纳米产品，人们是一片空白，对于涉及到普通市民安全的纳米产品，人们对应当怎样防护考虑得还不够。纳米技术是美好的，但我对应当怎样防护考虑得还不够。纳米技术是美好的，但我们应该把未来的不确定性和风险性降到最低，在这样的情们应该把未来的不确定性和风险性降到最低，在这样的情况下逐步发挥纳米技术的应用潜力，为人类造福。况下逐步发挥纳米技术的应用潜力，为人类造福。 纳米科技纳米科技历程历程 1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。技术最早的梦想。 20世纪世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，技的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。一词描述精密机械加工。 1982年，科学家发明研究纳米的重要工具年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧扫描隧道显微镜，揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科道显微镜，揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。技发展产生了积极的促进作用。 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的强度却是钢的100倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，碳纳米管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广斯莫利教授认为，碳纳米管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。 1993年，继年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团年美国斯坦福大学搬走原子团“写写”下斯坦福大学下斯坦福大学英文名字、英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排个氙原子排出出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出功写出“中国中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。之地。 1999年，巴西和美国科学家在进行碳纳米管实验时发明了世界上最年，巴西和美国科学家在进行碳纳米管实验时发明了世界上最小的小的“秤秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。了美国和巴西科学家联合创造的纪录。 到到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。占纳米技术战略高地。 在在超级纤维超级纤维领域实力不弱的我国科学家近年来也开展了相关研究，领域实力不弱的我国科学家近年来也开展了相关研究，并于今年并于今年7月取得突月取得突 破。西安交通大学朱长纯教授率领的小组采用新破。西安交通大学朱长纯教授率领的小组采用新的技术途径，引导碳纳米管有序、定向生长的技术途径，引导碳纳米管有序、定向生长 在导电的硅片衬底上，在导电的硅片衬底上，并进而研制出功能完备的场发射像素管，因纯度高，有序性好，场发并进而研制出功能完备的场发射像素管，因纯度高，有序性好，场发 射性能也大大提高，在碳纳米管平板显示器的实用化进程中做出了中射性能也大大提高，在碳纳米管平板显示器的实用化进程中做出了中国人的独特贡献。国人的独特贡献。和传统显示器比，这种显示器不仅体积小，重量轻，大大省电，和传统显示器比，这种显示器不仅体积小，重量轻，大大省电，显示质量好，而且响应时间显示质量好，而且响应时间 仅为几微秒，从零下仅为几微秒，从零下45度到零上度到零上85度都度都能正常工作，因此拥有极广阔的潜在市场前景。能正常工作，因此拥有极广阔的潜在市场前景。碳纳米管可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、碳纳米管可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、理想的储氢材料。它使壁挂理想的储氢材料。它使壁挂 电视进一步成为可能，并在将来可能替电视进一步成为可能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片中扮演极重要的角色，从而引发计算机行业革命。代硅芯片的纳米芯片中扮演极重要的角色，从而引发计算机行业革命。 人们一直希望自己的衣料能像荷花般出污泥而不染，现在人们一直希望自己的衣料能像荷花般出污泥而不染，现在这种梦想已由中国科学家实现。昨天，中科院化学所专家这种梦想已由中国科学家实现。昨天，中科院化学所专家宣布研制成功一种不粘油污、不粘水的新型纳米材料宣布研制成功一种不粘油污、不粘水的新型纳米材料-超超双疏性界面材料。使用这种材料的纺织品和建材，不用洗双疏性界面材料。使用这种材料的纺织品和建材，不用洗涤，也不沾染油污。这标志着中国在纳米材料研制方面的涤，也不沾染油污。这标志着中国在纳米材料研制方面的又一新突破。纳米是一种长度单位，一纳米等于十亿分之又一新突破。纳米是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，大约相当于几十个原子的长度。科学家发现，当材一米，大约相当于几十个原子的长度。科学家发现，当材料组成的精度达到纳米级时，物质就能表现出一些新特性，料组成的精度达到纳米级时，物质就能表现出一些新特性，从而为新材料的产生创造条件。最具有说明性的例子就是，从而为新材料的产生创造条件。最具有说明性的例子就是，改变碳原子的排列结构，能把廉价的石墨变成价值连城的改变碳原子的排列结构，能把廉价的石墨变成价值连城的钻石。因此，纳米技术是当今各国科技界竞争的焦点钻石。因此，纳米技术是当今各国科技界竞争的焦点。 练习一练习一电阻电阻超导转变超导转变超导临界超导临界TC超导磁悬浮超导磁悬浮1100nm电阻为零电阻为零电能电能超导磁悬浮超导磁悬浮练习二练习二1、关于超导材料的下列说法中错误的是（、关于超导材料的下列说法中错误的是（ ）A、超导材料是一种电阻为零的材料、超导材料是一种电阻为零的材料B、用很细的超导丝可以输送强大的电流、用很细的超导丝可以输送强大的电流C、超导材料电阻只能接近零，不可能等于零、超导材料电阻只能接近零，不可能等于零D、用超导材料输电时，输送电路中无损耗、用超导材料输电时，输送电路中无损耗2、下列关于纳米的叙述错误的是、下列关于纳米的叙述错误的是（）、纳米是一个长度单位，符号是、纳米是一个长度单位，符号是nmB、人们在纳米尺度内发现了很多的新现象，给技术上带、人们在纳米尺度内发现了很多的新现象，给技术上带 来很多新发展来很多新发展C、纳米技术是现代化科学的前沿，我国在这方面的研究具有世界、纳米技术是现代化科学的前沿，我国在这方面的研究具有世界 先进水平先进水平D、所有的高分子科技产品都与纳米技术有关、所有的高分子科技产品都与纳米技术有关CD再再 见见