滬科版九年級物理全冊教案：20.3 材料的開發(fā)和利用

1、.第三節(jié) 材料的開發(fā)和利用 教學(xué)目的1知識與技能 1理解材料在人類開展的歷史進(jìn)程中的作用；認(rèn)識到合理利用資源，有效保護(hù)環(huán)境的重要性。2知道導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的差異，知道半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦浴?知道超導(dǎo)材料是一種電阻為零的材料，知道超導(dǎo)材料具有超導(dǎo)磁懸浮的特性，理解納米材料的有關(guān)知識。2過程與方法 通過探究實(shí)驗(yàn)認(rèn)識導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體二極管的電氣特性；理解超導(dǎo)材料與納米材料的特性及應(yīng)用前景。3情感、態(tài)度與價(jià)值觀 理解半導(dǎo)體材料的廣泛使用及其對科學(xué)、社會的促進(jìn)作用教學(xué)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材：電源、燈泡、導(dǎo)線、假設(shè)干待測材料如 銅、鐵、鋁等導(dǎo)體，酸、堿、鹽的水溶液，純水、自來水，玻璃、橡膠、鉛筆

2、桿、塑料圓珠筆桿等、接線板、接線柱或帶導(dǎo)線的金屬夾、開關(guān)、電阻、半導(dǎo)體二極管、光電二極管、熱敏電阻、發(fā)光二極管、三極管及集成電路。酒精燈、電磁繼電器教學(xué)設(shè)計(jì)說明老師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)復(fù)習(xí)引入進(jìn)展新課進(jìn)展新課一、材料與社會開展讓學(xué)生閱讀“材料與社會的開展后考慮：材料與社會開展的關(guān)系？我國在材料開展的歷史中有何重要奉獻(xiàn)？材料的開展與資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題 對照板書，讓學(xué)生總結(jié)穩(wěn)固二、材料的導(dǎo)電性1、1讓學(xué)生讀課本相關(guān)內(nèi)容，口頭填表導(dǎo)體絕緣體定義種類作用原因聯(lián)絡(luò)2實(shí)驗(yàn)探究：物質(zhì)的導(dǎo)電性儀器與器材：電源、燈泡、導(dǎo)線、帶導(dǎo)線的金屬夾俗稱鱷魚夾、待測材料如硬幣、鉛筆芯、水濕木材、橡皮擦，塑料尺等可以用其他材料代

3、替，另老師提供部分待測材料實(shí)驗(yàn)參考電路，如右圖所示3導(dǎo)體和絕緣體并沒有絕對界限如右圖甲，閉合開關(guān)燈不亮用酒精燈給玻璃加熱到紅熾狀態(tài)，小燈泡發(fā)光如圖乙這一現(xiàn)象說明了什么?玻璃在通常情況下是相當(dāng)好的絕緣體當(dāng)對其加熱到紅熾狀態(tài)時(shí)，小燈泡發(fā)光，說明玻璃變成導(dǎo)體了。2.半導(dǎo)體元件1展示各種半導(dǎo)體元件：半導(dǎo)體二極管、光電二極管、熱敏電阻、發(fā)光二極管、三極管及集成電路等2演示實(shí)驗(yàn)：探究半導(dǎo)體二極管單向?qū)щ娞匦詢x器與器材：電源、半導(dǎo)體二極管V、電阻R、燈泡、導(dǎo)線、接線板、接線柱實(shí)驗(yàn)電路，如右圖所示步驟：1取一個(gè)電阻R和一個(gè)半導(dǎo)體二極管V，分別接成如圖中a、b所示電路閉合開關(guān)，觀察燈泡發(fā)光情況2把電池的正、負(fù)極

4、互相調(diào)換后，將變成如圖中c、d所示的電路閉合開關(guān)，觀察燈泡發(fā)光情況分析得出結(jié)論3半導(dǎo)體的應(yīng)用1讓學(xué)生看課本P148149頁，通過“太陽能電池、條形碼掃描器、微處理器、機(jī)器人等內(nèi)容，理解半導(dǎo)體的應(yīng)用。2演示實(shí)驗(yàn)：光控照明電路思路與技巧： 根據(jù)光電二極管的特性，光照射光電二極管時(shí)，光電二極管導(dǎo)通，被控制的燈泡發(fā)光，此時(shí)的光電二極管相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)其原理圖如圖甲但光電二極管的工作電流較小，直接將光電二極管與燈泡串聯(lián)，容易燒壞光電二極管；因此，電路設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)用電磁繼電器以小電流控制大電流其設(shè)計(jì)圖如圖乙三、開發(fā)新材料1.超導(dǎo)材料1超導(dǎo)材料是一種電阻為零的材料。讓學(xué)生看課本后答復(fù)：什么現(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象？什么材料

5、叫超導(dǎo)材料？強(qiáng)調(diào)： 只有當(dāng)溫度在某一低溫稱轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度以下才具有超導(dǎo)性。不同材料的轉(zhuǎn)變溫度不同，如汞4.15K、鎢0.012K、鋅0.75K等。如今的一些高溫超導(dǎo)材料，由一般導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體的溫度已到達(dá)100K以上。我國研制的超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度已到達(dá)134K。2、讓學(xué)生看課本，提出問題。師生共同作答：超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象是一個(gè)超導(dǎo)體與一個(gè)永磁體或電磁鐵疊放時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，超導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流激發(fā)很強(qiáng)的磁場與永磁體或電磁鐵的磁場在它們中間因同名磁極互相排斥，磁場的排斥力與被懸起來的物體的重力相平衡時(shí)，就形成了穩(wěn)定的磁懸浮現(xiàn)象，超導(dǎo)材料的應(yīng)用： 運(yùn)用電阻為零的特性制作電動(dòng)機(jī)線圈、輸電導(dǎo)線等

6、，可減少電能損失，進(jìn)步電能利用率。運(yùn)用磁懸浮的特性制造磁懸浮列車、超導(dǎo)船等既減少了能量損失，又進(jìn)步了交通工具的運(yùn)行速度和平安性能。2.納米材料讓學(xué)生看課本P209內(nèi)容，知道什么是納米材料？納米材料的特性及應(yīng)用？強(qiáng)調(diào)：納米是長度單位，符號“nm，1nm10-9m 不是所有材料到達(dá)納米尺度時(shí)就一定是納米材料，只有當(dāng)材料到了納米尺度時(shí)性能發(fā)生突變，才能稱為納米材料。只有產(chǎn)品的主導(dǎo)技術(shù)或主要材料是由納米構(gòu)造單元構(gòu)成的，才是真正的納米產(chǎn)品。投影“納米材料的應(yīng)用閱讀“材料與社會的開展，考慮老師提出的問題。社會的開展帶動(dòng)了材料的研究和開發(fā)；新材料的出現(xiàn)又促進(jìn)了社會的開展，合理地利用資源，有效地保護(hù)環(huán)境是每個(gè)

7、人應(yīng)盡的義務(wù)對照板書，總結(jié)穩(wěn)固1、讀課本P206、207內(nèi)容，理解材料按導(dǎo)電性分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體及絕緣體三大類。導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而且電阻隨溫度的增加而減小，這種材料叫做半導(dǎo)體。常見的半導(dǎo)體材料有：硅、砷化鎵、銻化銦、鍺等學(xué)會設(shè)計(jì)判斷導(dǎo)體與絕緣體的實(shí)驗(yàn)裝置電路圖，并用身邊材料進(jìn)展實(shí)驗(yàn)絕緣體在一定條件下可以變成導(dǎo)體！1、觀察老師展示的各種半導(dǎo)體元件，并對照課本P147內(nèi)容，初步認(rèn)識各種半導(dǎo)體元件及其某些特點(diǎn)。2、明確實(shí)驗(yàn)的器材、電路及步驟。對實(shí)驗(yàn)觀察、記錄，分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。半導(dǎo)體二極管僅允許電流從其正極流入，這種特性叫做半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦浴?、看課本，理解半導(dǎo)體的應(yīng)用。甲1超導(dǎo)現(xiàn)

8、象有些材料當(dāng)溫度降低到某一溫度時(shí)，材料的電阻突然變?yōu)榱愕默F(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象可以發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的材料叫超導(dǎo)材料。筆記老師強(qiáng)調(diào)說明的問題。21933年邁斯納和奧森菲爾德發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象。提出問題，如：超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象是怎么回事？答：磁懸浮可以實(shí)現(xiàn)交通工具的無摩擦運(yùn)行看課本內(nèi)容，知道什么是納米材料？納米材料的特性及應(yīng)用？當(dāng)材料的微粒大小到達(dá)納米級10 -9m，就是這種材料的微粒由幾個(gè)分子組成時(shí)，材料的性能會發(fā)生顯著變化，如顏色、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、硬度、磁性等會產(chǎn)生很大的變化。由納米材料組成的物質(zhì)也就有了許多一般物質(zhì)沒有的特性。觀看投影，進(jìn)一步理解納米材料的應(yīng)用。板書設(shè)計(jì)略教學(xué)反思老師課后完成教學(xué)參考半導(dǎo)體

9、和半導(dǎo)體二極管1半導(dǎo)體我們知道，容易導(dǎo)電的物體叫做導(dǎo)體，不容易導(dǎo)電的物體叫做絕緣體。其實(shí)，導(dǎo)體和絕緣體之間的界限。絕緣體并非絕對不導(dǎo)電，只是絕緣體的電阻率很大。在室溫下，金屬導(dǎo)體的電阻率一般約為10-810-6 ·m ，絕緣體的電阻率一般約為1081018·m。假如給長為lm、橫截面積為1×10-4m2的一段絕緣體兩端加上1V電壓，通過的電流僅為10-1410-4A。有些材料，它們的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而且電阻不隨溫度的增加而增加，反而隨溫度的增加而減少，這種材料叫做半導(dǎo)體，半導(dǎo)體的電阻率約為10-5106 ·m。鍺、硅、砷化鎵、銻化銦等都是半

10、導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可以由外界條件所控制，如改變半導(dǎo)體的溫度，使半導(dǎo)體受到光照，在半導(dǎo)體中參加其它微量雜質(zhì)，都可以使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能成百萬倍地發(fā)生變化。這種性能是導(dǎo)體和絕緣體所沒有的。正因?yàn)榘雽?dǎo)體具有這種特性，人們用半導(dǎo)體制成了熱敏電阻、光敏電阻、晶體管等各種電子組件，并且開展成為集成電路。把晶體管以及電阻、電容等組件，同時(shí)制作在很小的一塊半導(dǎo)體芯片上，并且把它們按照電子線路的要求連接起來，使之成為具有一定功能的電路，這就是集成電路。在超大規(guī)模集成電路中，在面積比小拇指的指甲還小的一塊半導(dǎo)體芯片上可以集成上百萬個(gè)電子組件。集成電路的制成開拓了微電子技術(shù)的時(shí)代。隨著微電子技術(shù)的開展，使電子

11、計(jì)算機(jī)得以更新?lián)Q代。20世紀(jì)40年代人類創(chuàng)造的第一臺龐大的電子計(jì)算機(jī)重約30t，開展成為今天日益普及的個(gè)人計(jì)算機(jī)，可以隨身攜帶。個(gè)人計(jì)算機(jī)中的處理器包括運(yùn)算器和控制器、內(nèi)存都是由大規(guī)模集成電路的。半導(dǎo)體在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要的作用。2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的形成N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是電子，P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴靠空穴導(dǎo)電，空穴的正向挪動(dòng)等效于正電荷的挪動(dòng)。把N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起后，N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子電子將向P型半導(dǎo)體一邊擴(kuò)散，P型半導(dǎo)體的空穴將向N型半導(dǎo)體一邊擴(kuò)散。其結(jié)果是使N型和P型半導(dǎo)體的交界面兩側(cè)形成帶電薄層A和B，且A帶正電，B帶負(fù)電。產(chǎn)生一個(gè)電場，如右圖

12、所示。這個(gè)電場，阻礙P型半導(dǎo)體內(nèi)的空穴和N型半導(dǎo)體的電子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。開初，這個(gè)電場較弱，阻礙作用較??；隨著擴(kuò)散的繼續(xù)，這個(gè)電場不斷增強(qiáng)，A、B薄層的厚度不斷增加，使擴(kuò)散逐漸減弱；最后達(dá)平衡時(shí)，這個(gè)電場的大小不再增加，薄層的厚度也不再變，這就是PN結(jié)，又叫阻擋層。PN結(jié)是半導(dǎo)體二極管的根本構(gòu)造。從P、N型半導(dǎo)體的兩端各接出引線，把P型端二極管的正極接在電池正極上，N型端二極管的負(fù)極接在電池負(fù)極上，這叫給二極管加上正向電壓，二極管中的電流較大。因?yàn)橥饧拥恼螂妷?，在PN結(jié)中產(chǎn)生的電場與PN結(jié)原來存在的電場方向相反，如右圖甲所示，而且外加電場比PN結(jié)電場大。這兩個(gè)電場迭加后的電場是由P端指向N端的，

13、使PN結(jié)電場削弱，阻擋層厚度減小，電阻也就減小了。P型端的空穴和N型端的電子在外加電場作用下不斷地移向交界處，通過交界面形成電流。隨著外加的正向電壓增大，PN結(jié)中外加電場變得更強(qiáng)，進(jìn)一步減弱PN結(jié)原來的電場，電阻更減小，所以正向電流隨著外加的正向電壓增加而迅速增大。其正向電流隨電壓變化的伏安特性曲線如右圖所示。甲阻擋層變薄當(dāng)把P型端接電池負(fù)極上，N型端接電池正極，即給二極管加上反向電壓，這時(shí)二極管中的電流很小。因?yàn)橥饧拥姆聪螂妷旱碾妶雠cPN結(jié)產(chǎn)生的電場與PN結(jié)電場方向一樣，如上圖乙所示。兩個(gè)電場迭加的結(jié)果，加強(qiáng)了阻止空穴和電子通過接口形成電流的作用，阻擋層厚度增加，電阻變得很大，所以電流很小。

14、不同半導(dǎo)體材料和不同構(gòu)造、工藝制成的半導(dǎo)體二極管，其伏安特性曲線是有差異的，正向電流隨正向電壓上升的快慢程度，各不一樣，但伏安特性曲線的根本形狀是相似的。常用半導(dǎo)體二極管介紹半導(dǎo)體二極管是用半導(dǎo)體晶體材料制成的，所以又稱晶體二極管。半導(dǎo)體器件中，第一個(gè)應(yīng)用到電子線路中的是半導(dǎo)體二極管。它是具有一個(gè)PN結(jié)的非線性組件。半導(dǎo)體二極管的兩個(gè)電極之間的正反向電阻和反向電阻相差很大，所以，它具有單向?qū)щ娦浴０雽?dǎo)體二極管可以用在檢波器、鑒頻器和整流電路中，也可以用在其它電路中。半導(dǎo)體二極管在收音機(jī)、錄音機(jī)、電視機(jī)和其它家用電器中以及各種電子儀器設(shè)備中，都是不可缺少的組件。半導(dǎo)體二極管的體積很小。由于半導(dǎo)體

15、二極管本身不需要供電就可以接入電路工作。這就省掉了許多組件，簡化了電路，從而縮小了整機(jī)體積。半導(dǎo)體二極管種類、型號很多。常見的幾種半導(dǎo)體二極管的外形如下圖。圖上方是半導(dǎo)體二極管的符號，符號上箭頭的指向表示允許電流通過的方向。圖中a為玻璃管封裝型，b為塑料封裝型，c為金屬封裝型，d為大型金屬封裝管，它可以直接用螺母固定在線路板上。半導(dǎo)體二極管在構(gòu)造工藝上有點(diǎn)接觸型、面接觸型之分。一般來說，點(diǎn)接觸型合適用小信號電路，用在頻率比較高，但允許通過的電流較小。面接觸型允許通過的大電流，主要作大功率整流管。半導(dǎo)體二極管按材料來分有鍺二極管和硅二極管兩大類。半導(dǎo)體二極管有兩根引線，分正極和負(fù)極。小型管可以焊

16、接在印刷板上；而大型管只有一個(gè)引出焊接端，另一極與螺絲相通。根據(jù)用處不同常用二極管可分以下幾類：普通二極管：用在檢波、鑒頻、限幅和其它小電流整流電路中。如2APl2AP9鍺管2CPl2CP20硅管等。整流二極管：用在電源設(shè)備的整流電路中。如2CZll2CZ27硅管等。穩(wěn)壓二極管：用在電源供給電路中，穩(wěn)定電壓值。如2CWl2CWl0硅管等。開關(guān)二極管：用在快速變換的開關(guān)電路、脈沖電路及超高頻電路中。如2AKl2AK鍺管等。發(fā)光二極管：主要用作指示燈。它具有體積小，工作電壓低，工作電流小，發(fā)光均勻穩(wěn)定響應(yīng)速度快，以及壽命長等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦园雽?dǎo)體二極管的這種特性，可用前面所述的二極

17、管伏安特性曲線來進(jìn)一步描繪。如右圖所示，圖中的坐標(biāo)O點(diǎn)，表示當(dāng)二極管兩端不加電壓時(shí)，沒有電流通過。當(dāng)二極管加上正向電壓時(shí)，就有正向電流通過。圖中的OA段較平坦，說明這一段范圍內(nèi)，隨正向電壓增加二極管電流增加甚微。AB段曲線很陡，電流與電壓的關(guān)系近似直線關(guān)系。對應(yīng)于B點(diǎn)的電流IF叫做二極管的額定工作電流，或稱最大整流電流。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，假如電流超過額定值IF，二極管發(fā)熱太多，一旦超過額定溫度一般規(guī)定硅管為1400C，PN結(jié)就會燒毀。B點(diǎn)的電壓UF為二極管額定電流時(shí)的正向管壓降。當(dāng)二極管加上反向電壓時(shí)，PN結(jié)阻擋層厚度加寬，二極管呈現(xiàn)很大的反向電阻，即處于截止?fàn)顟B(tài)。但在反向電壓作用下，仍會有很小的反

18、向電流，只不過由于載流的數(shù)量有限，反向電壓雖有增加，反向電流幾乎不變，如圖中OC段曲線所示。反向電流IR可叫做反向飽和電流，反向飽和電流大那么說明二極管的單向?qū)щ娦阅懿睢ｏ@然，反向飽和電流越小越好，一般硅二極管約在幾十微安以下，鍺二極管約幾百微安。反向飽和電流受溫度影響也極大，它隨溫度升高而急劇增加。當(dāng)二極管反向電壓超過UR，如圖中c點(diǎn)所示，反向電流急劇增大，二極管被反向擊穿，UR叫反向擊穿電壓。反向擊穿電壓也和環(huán)境溫度關(guān)系極大，隨溫度升高，反向擊穿電壓將降低。額定電流IF，正向管壓降UF，反向飽和電流IR和反向擊穿電壓UR是二極管的四個(gè)最根本的參數(shù)都可從半導(dǎo)體手冊中查到，在使用二極管時(shí)，IF和UF都應(yīng)留有余量。太陽電池與“風(fēng)云一號氣象衛(wèi)星太陽電池是半導(dǎo)體材料典型應(yīng)用之一。太陽