19.3 《探索新材料》學(xué)案（滬科版九年級）初中物理

.:PAGE:;第三節(jié)探究新資料學(xué)案學(xué)習(xí)目的〔1〕曉得“電阻為零〞是超導(dǎo)資料的特性外，超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象是它的另一個重要特性之一。〔2〕初步理解納米資料的有關(guān)知識；能收據(jù)有關(guān)超導(dǎo)資料、納米資料的一些資料，并進(jìn)展交流。釋疑解難1、磁懸浮列車是怎樣運(yùn)行的呢?我國在上海建成世界上第一條商用磁懸浮列車線(2001年3月1日開工)，列車時速可超越300km。上海磁懸浮列車在2003年元旦前一天運(yùn)行勝利，這標(biāo)志著我國在這個領(lǐng)域已到達(dá)了世界先進(jìn)程度，倍受世人矚目。那么，磁懸浮列車到底是怎樣運(yùn)行的呢?我們曉得磁極間的互相作用原理是：“同名磁極互相排擠，異名磁極互相吸引〞。磁懸浮列車就是利用了這一原理的高科技交通工具，即排擠力使列車懸浮起來，吸引力讓列車開動。磁懸浮列車車箱上裝有超導(dǎo)磁鐵，鐵路底部裝置線圈。通電后．地面線圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁的極性與車箱的電磁鐵的極性總堅持一樣，兩者“同名磁極互相排擠〞，排擠力使列車懸浮起來。與常規(guī)的動力來自于機(jī)車頭的火車不同，磁懸浮列車的動力來自于軌道。軌道兩側(cè)裝有線圈，交變電流使線圈變?yōu)殡姶盆F，它與列車上的磁鐵互相作用。列車行駛時，車頭的磁鐵(N極)被軌道上靠前一點的電磁鐵(S極)所吸引，同時被軌道上稍后一點的電磁鐵(N極)所排擠。這一結(jié)果就形成對列車前面“拉〞，后面“推〞的場面，使列車前進(jìn)。當(dāng)列車到達(dá)目的位置時，線圈中的電流就反轉(zhuǎn)過來了，即原來的S極線圈，如今變成N極線圈了；反之亦然。這樣，列車由于電磁極性的轉(zhuǎn)換而得以持續(xù)向前高速飛馳。高速飛馳的磁懸浮列車在運(yùn)行中假設(shè)高度發(fā)生了偏向，豈不非常危險嗎?磁懸浮列車是怎樣調(diào)節(jié)控制的?磁懸浮列車運(yùn)行時，車與軌道始終堅持10cm的間隙。磁懸浮列車發(fā)生的任何偏向，都由磁場來處置。由于在軌道底端的磁體與車廂的磁體是同一極性，它們之間總有排擠力。假設(shè)由于某種事故使得列車懸浮高于10cm，它得到的懸浮力減少，這樣列車又回落到10cm的高度。相反，假如車廂大靠近軌道，將得到較大的排擠力，這就使列車又能與軌道堅持正常間隔。這樣就沒有必要去監(jiān)控懸浮的高度了。2、有趣的低溫和超導(dǎo)現(xiàn)象。0K到120K為低溫物理學(xué)研究的溫度范圍，在這個溫度范圍里，物質(zhì)會表現(xiàn)出許多奇特的現(xiàn)象。例如，鮮嫩的花瓣變得像玻璃一樣脆，彈性很好的橡膠制品會一敲就碎，鉛皮制作的小鈴能發(fā)出清脆的響聲，等等。除此之外，在極低溫度下，物質(zhì)還能呈現(xiàn)出更奇特的性質(zhì)。超流動性液體流動時，由于液體各局部之間以及液體跟器壁之間有摩擦力，通常液體很難通過很長的毛細(xì)管。例如，在4K時，把液氦盛放在中間用很細(xì)的管子連接的左側(cè)容器中，液氦不能流過毛細(xì)管，如圖甲所示；但當(dāng)溫度降到2.172K時，液氦竟可以從連通器的左側(cè)通過毛細(xì)管射向右側(cè)的容器中，如圖乙所示。科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，這個溫度下的液氦可以流過直徑為0.00001cm(頭發(fā)絲直徑的1/10)的小孔。可以說，在2K超導(dǎo)電性金屬的電阻隨著溫度的降低會減小，在溫度接近絕對零度時，電阻會怎么樣呢?1911年昂尼斯在丈量低溫下汞的電阻時發(fā)現(xiàn)：在4．2K時汞的電阻突然完全消失。這時汞中的電流，不需要外電壓來維持，長期堅持著，永不衰減。像低溫下汞那樣，電阻完全消失的導(dǎo)體，叫超導(dǎo)體。如今已經(jīng)曉得，元素周期表中約占半數(shù)的金屬元素以及相當(dāng)多的化合物和合金，都能在一定的溫度下轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體。超導(dǎo)體具有的超導(dǎo)電性，對科學(xué)技術(shù)的開展有很大的意義。產(chǎn)生強(qiáng)磁場的電磁鐵工作時，需要很大的電流，由于線圈電阻的作用，使得通電導(dǎo)線產(chǎn)熱，把電能消耗掉。較大的電磁鐵工作時，消耗的功率達(dá)幾千瓦甚至更多。但是，假如用超導(dǎo)線圈，只需要一個40kW左右的電源，就可以發(fā)揮同樣的作用，大大地節(jié)省了電能。目前，這種超導(dǎo)磁鐵已應(yīng)用在科學(xué)研究上。在輸電線路上使用超導(dǎo)資料，大約可以節(jié)約1/4以上的電能。超導(dǎo)磁鐵和磁鐵之間能產(chǎn)生強(qiáng)大的磁力，使磁體上浮，就像兩個磁體的同名磁極相對一樣，如圖甲所示；有電流的超導(dǎo)鉛環(huán)可以托起超導(dǎo)鉛球，如圖乙所示。這說明超導(dǎo)體被磁化后，變成磁性相反的物質(zhì)，這種性質(zhì)叫做抗磁性。人們利用超導(dǎo)體的抗磁性設(shè)計了磁懸浮列車，這種列車能懸浮在鐵軌上空幾厘米處，行車阻力小，無噪聲、無污染、速度大，很受人們的賞識，目前超導(dǎo)磁懸浮列車的研究已處于實用性研究階段。電流的超導(dǎo)區(qū)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性還可用在進(jìn)步計算機(jī)的功能和速度上。假如將超導(dǎo)資料用在計算機(jī)上，可使計算機(jī)動作更快，比如今的速度快10～100倍呢!3、一個震驚科學(xué)界的新觀念——納米科學(xué)技術(shù)的靈感被科學(xué)界公認(rèn)為納米科學(xué)技術(shù)的思想來源，即納米科學(xué)技術(shù)的靈感，來自于已故諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、量子物理學(xué)家費米于1959年所作的一次演講，人類從石器時代的磨尖箭頭到現(xiàn)代的光刻芯片，所有技術(shù)都與一次性削去或者交融數(shù)以億計的原子，以便把物質(zhì)做成有用的形態(tài)有關(guān)。他當(dāng)時間道：“為什么我們不可以從另一個角度動身，從單個分子甚至單個原子開場組裝，以到達(dá)我們的要求呢?至少依我看來，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個原子、一個原子地制造物品的可能性。〞這是一個震驚科學(xué)界的新觀念，也就是被公認(rèn)為納米科學(xué)技術(shù)的思想來源。納米是一個非常微小的長度單位，一根頭發(fā)絲大約有7萬到8萬nm。物質(zhì)到達(dá)納米顆粒時，它的理化性質(zhì)都有所變化，具有一些奇異和反常的性質(zhì)。如塊狀金的熔點是1064℃，而制成納米的超細(xì)顆粒后，熔點只要330納米顆粒具有優(yōu)良的光、力、電、熱、磁性質(zhì)，應(yīng)用前景極為廣泛。估計納米技術(shù)將超越計算機(jī)工業(yè)，成為將來信息技術(shù)時代的核心。到那時，納米電子學(xué)將用量子元件替代微電子器件，巨型計算機(jī)可以裝入口袋里；通過納米技術(shù)，如今幾噸重的衛(wèi)星將可被制成僅有幾克；微型機(jī)器人可進(jìn)入人體血管進(jìn)展工作。納米技術(shù)將使人類進(jìn)一步掌握物質(zhì)的規(guī)律，掌握改造微觀世界的武器。2000年l0月29日，中國科學(xué)院納米技術(shù)科學(xué)研究中心成立，進(jìn)展納米根底理論與應(yīng)用開發(fā)的研究。自我檢測1、假如以下電器選用超導(dǎo)資料制作，不能正常工作的是()A微波爐B電飯鍋C電動機(jī)D發(fā)電機(jī)2、有一種碳納米管的直徑只要1.4nm，5萬個這種碳管并排起來只要一根頭發(fā)絲那么粗，那么這種碳納米管的直徑約等于m，—根頭發(fā)絲的直徑等于nm，合μm。3、科學(xué)家們在研究導(dǎo)體的電阻與溫度的關(guān)系時，觀察到局部導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而增大．然后猜測：導(dǎo)體的電阻隨溫度降低會不會減小呢?并且通過實驗證實了本人的猜測．這里運(yùn)用了思維．運(yùn)用這種思維研究的成果還有(舉一例)。4、目前超導(dǎo)資料的兩個典型特性(1)(2)。它們的應(yīng)用分別舉一例、。5、科普展覽會上有一種神奇的金屬花，它的花瓣是用一種特殊的金屬片——記憶合金制成的(如圖)。它具有記憶才干，燈光一照它會，如圖(填“左〞或“右〞)，關(guān)上燈又會，如圖(填“左〞或“右〞)。6、如圖是導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的圖像，請你分析圖像，可得出哪些結(jié)論？{參考答案：1、B2、1.4×10-97×104703、逆向電能產(chǎn)生磁，磁能否產(chǎn)生電呢？4、〔1〕電阻為零〔2〕超導(dǎo)磁懸浮輸電線路磁懸浮列車5、開放左閉合右6、〔1〕導(dǎo)體電阻雖溫度升高而增大〔2〕導(dǎo)體電阻雖溫度降低而減小〔3〕當(dāng)溫度降到4.2K時，電阻為零}交流園地課外空間1、21世紀(jì)是智能資料的時代假如說20世紀(jì)人類社會文明的標(biāo)志是合成資料，那么21世紀(jì)將會是智能資料的時代．智能資料就是那些能感知外部刺激，并作出判斷和適當(dāng)處置，并且可以本人去執(zhí)行的資料，這種全新資料的作用和功能可隨外界條件的變化而有意識地調(diào)節(jié)、修飾和修復(fù)．智能資料的概念是日本高木俊宜教授在1989年提出來的，以后，成為將來資料的重點研究方向．智能資料包括壓電資料、電致伸縮資料、磁致伸縮資料、形態(tài)記憶合金和智能凝膠等資料．廣義上的智能資料也包括生傘資料．請答復(fù)：(1)智能資料包括哪幾個方面?(2)結(jié)合實際生活中遇到的問題，想像你應(yīng)選擇什么資料進(jìn)展研究?2、納米資料的奇異特性納米資料具有外表效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，在這里只介紹小尺寸效應(yīng)(另兩種效應(yīng)比擬深奧)。納米資料隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化，稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒(納米級)而言，尺寸變小，同時其外表積與體積的比值亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下的一些奇異的特性。(1)特殊的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(10—’m)的尺寸時，即失去原有的富貴光澤而呈黑色，尺寸越小，顏色越黑。銀白色的鉑(白金)變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑?？梢娊饘俪㈩w粒對光的反射率很低，通?？傻陀?％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換資料(吸收光的身手強(qiáng))，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?。此外，還可以應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等(2)特殊的熱學(xué)性質(zhì)。固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細(xì)微化后發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10nm量級時尤其顯著。例如，金的常規(guī)熔點是1064℃，而當(dāng)顆粒尺寸減小到10nm時，那么熔點降低27℃；減小到2nm時，那么熔點僅為327℃左右。銀的常規(guī)熔點是670℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃(3)特殊的力學(xué)性質(zhì)。陶瓷資料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制的納米陶瓷資料卻具有良好的韌性。因為納米資料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)棍亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因而表現(xiàn)出很強(qiáng)的韌性與一定的延展性；也因為晶體細(xì)化，資料中的氣孔和其他缺陷因尺寸減小可獲得小缺陷甚至無缺陷的陶瓷，使陶瓷資料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)，成為打不破的陶瓷。納米技術(shù)的應(yīng)用前景(1)在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，它在1600'C高溫下能像橡皮泥那樣柔軟，在室溫下也能自在彎曲。因而克制了陶瓷資料的脆性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔軟性和可加工性?！凹{米塑料〞是中國科學(xué)院實行產(chǎn)業(yè)化的第一批產(chǎn)品，據(jù)中國科學(xué)院化學(xué)研究所工程塑料國家重點實驗室教授介紹，歷經(jīng)8年研究和探究，他們終于掌握了陶土合成納米塑料的新技術(shù)。這種陶土學(xué)名叫做蒙脫土，是我國豐產(chǎn)的一種制陶原料?？茖W(xué)家將它制成納米尺度后摻到聚合物中，就成了神奇的納米塑料。納米塑料的特點是耐高溫、耐磨，而且像金屬一樣堅硬。它具備了金屬、塑料和陶瓷的共同優(yōu)點，用它做的酒瓶比玻璃瓶輕一半以上，而且燒不壞(可耐150℃(2)用納米技術(shù)可以實現(xiàn)天梯。2002年3月中央電視臺新聞聯(lián)播曾做過報道：科學(xué)家可以造出天梯，地點選在太平洋上。用來做天梯的資料就是碳納米管。這種資料從1991年被發(fā)現(xiàn)以來，就不斷被譽(yù)為將來的資料。碳納米管在強(qiáng)度上大約比鋼強(qiáng)100倍，其傳熱性能優(yōu)于所有的其他資料。它有良好的導(dǎo)電性，在常溫下導(dǎo)電時，幾乎不產(chǎn)生電阻，科學(xué)家合成的碳納米資料在室溫下能貯存和凝聚大量的氫氣，用于燃料電池以驅(qū)動汽車等。它為“清潔能源〞——氫能的開發(fā)、利用提供了良好條件。(3)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可立即搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)受傷組織；在人體器官外表涂上某些納米粒子可防止器官移植后的排異反響。在生物醫(yī)學(xué)方面，納米科技更是潛力宏大。納米技術(shù)可以在微小尺度里重新排列遺傳密碼，基因生物制作技術(shù)就是典型的納米和基因生物學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。人類可以利用基因芯片迅速查出本人基因密碼中的錯誤，并迅速利用納米技術(shù)進(jìn)展修正，使人類可以消滅各種遺傳缺陷的理想得以真正實現(xiàn)。仿生學(xué)將是納米技術(shù)大展宏圖的領(lǐng)域，人類可以制造出在細(xì)胞內(nèi)工作的機(jī)器人，并將其放入人體內(nèi)，它可以在血液和細(xì)胞中工作，協(xié)助我們?nèi)コ筒≡?，還我們一個安康的身體。(4)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用。把納米技術(shù)運(yùn)用到涂料中，使外墻涂料的洗刷性由原來的1000屢次進(jìn)步到10000屢次，老化時間也延長了兩倍多。輪胎通常是“一統(tǒng)天下〞的黑色，原因是消費橡膠過程中需要參加碳黑來進(jìn)步強(qiáng)度、耐磨性和抗老化性，但運(yùn)用納米資料消費的輪胎不只色彩鮮艷，性能也大大進(jìn)步，輪胎側(cè)面膠的抗折性能由10萬次進(jìn)步到50萬次。納米級的氧化鋅用于橡膠制品，可防止老化，進(jìn)步耐磨性、抗摩擦起火，用于高級轎車輪胎、飛機(jī)輪胎上可進(jìn)步平安系數(shù)。添加了納米氧化鋅的陶瓷釉面，具有不擦洗而自清潔的特性，在高層建筑和公路隧道中不便清洗的地方，這種自潔功能格外受歡送。有些納米資料制成纖維布料，具有殺菌、防臭，也可擺脫在脫衣服時因摩擦而引起煩人的靜電現(xiàn)象。(5)在軍事上的應(yīng)用。納米資料的小尺寸效應(yīng)具有良好的吸波性和較高的電磁波吸收系數(shù)。的涂料涂在飛機(jī)上，可使飛機(jī)具有超凡的隱身才干?？傊粋€嶄新的0.1~100nm的世界提供應(yīng)人類的將是不同于以往任何經(jīng)歷的東西，它不只會給人類生活帶來一場革命，還會使我們再一次地感受到：科學(xué)與技術(shù)正以日新月異的速度向前飛行開展。3、納米技術(shù)開展大事記①1974年，世界上開場使用納米技術(shù)一詞描繪精細(xì)機(jī)械加工。②1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，向我們提醒原子、分子世界，對納米科學(xué)技術(shù)的開展產(chǎn)生了積極作用