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第三节 材料的开发和利用
知识点一 材料与社会 精练版P46
1．材料的发展史
(1)天然材料：100万年以前，原始人就学会利用不同性能的天然材料了，如把木料、石头、动物的皮、骨等制成工具或用作生活用品。这是原始人智力迈出的重要一步。
(2)青铜材料：大约在5000年前，人类学会了冶炼金属铜并用其来制造工具。后来通过在冶炼钢时加入少量的锡，获得了比纯铜更坚硬、密度更小，强度更高的青铜。
(3)钢铁材料：铁的利用为人类大规模制造机器提供了材料基础，开创了人类历史的又一个新纪元。以铁为主发展出的高性能钢铁材料，如今已经成为材料家庭的主体。
(4)材料与社会的关系
社会发展带动了材料的研发，新材料的出现又促进社会的发展。
(5)材料的大量使用也会带来不少资源浪费和环境污染问题。
例1 塑料方便袋、一次性塑料杯制品的出现，确实给人类生活带来了很大的方便，但遗弃的塑料方便袋和塑料杯等已泛滥成灾，造成了可怕的“白色污染”。为了合理地利用资源，有效地保护环境，请你就“白色污染”问题提出两条合理化的建议：
(1)________________________________________________________________________；
(2)________________________________________________________________________。
解析：水污染、气体污染、固体废弃物污染、噪声污染被称为当今社会的四大污染、四大公害。其中固体废弃物污染中以“白色污染”最严重。为了保护环境，控制“白色污染”可从下面几个方面来考虑：用无公害的替代物取代塑料方便袋、塑料杯的使用；对污染物进行回收处理。
答案：(1)用手提布袋、纸袋取代一次性塑料方便袋，用纸杯取代一次性塑料杯
(2)集中回收、分类处理，不让塑料方便袋、塑料杯遗弃在自然环境中
知识点二 材料的导电性 精练版P46
1．决定因素：材料的导电性能是由材料内部电子的运动状况决定的。
2．根据材料的导电性能，材料可分为导体、半导体及绝缘体三大类。
(1)导体：金、银、铜、铁等金属材料都是导电性能较好的材料，由于铜和铝的价格便宜，通常被用来制成传导电流的导线。
(2)绝缘体：一般情况下，玻璃和橡胶等材料都是绝缘体，绝缘体的电阻很大，电流几乎不能通过，因此绝缘体常被用来隔离带电物体。
(3)半导体：硅、锗和砷化镓等是常用的半导体。半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，具有一些特殊的物理性质。
半导体有许多特殊的物理性质，压力、温度、光照、杂质等外界因素都可能对它的物理性质产生很大的影响。利用半导体材料可制成二极管、三极管等多种半导体元件和集成电路。
①二极管：半导体器件中，第一个应用到电子线路中的是半导体二极管。半导体二极管具有单向导电性，其电路符号为。有的二极管通电时能发光，称为发光二极管，可应用于各种指示灯。
②三极管：可以用来放大电信号。
③压敏元件：有的半导体在受到压力后电阻会发生较大变化，用这种半导体可以做成体积很小的压敏元件，它可以把压力的变化转变成电流的变化。
④热敏元件：有的半导体在受热后电阻会随温度的升高而迅速减小，利用这种半导体可以制作体积很小的热敏电阻。热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度变化，不仅反应快，而且精确度高。用热敏电阻还可以实现温度自动控制。
⑤光敏元件：有的半导体在光照下电阻会迅速减小，像导体那样导电；没有光照时电阻非常大，像绝缘体那样不容易导电。利用这种半导体可以制造光敏电阻，用于对光照反应灵敏的自动控制设备中。
例2 下列关于半导体的说法中，正确的是( )
A．半导体二极管可以放大电信号
B．半导体三极管具有单向导电性
C．家用电器上的电源指示灯常用发光二极管
D．半导体的导电性比导体的导电性强
解析：半导体二极管具有单向导电性，B错误；半导体三极管可以放大电信号，A错误；家用电器上的电源指示灯常用发光二极管，C正确；半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，D错误。
答案：C
知识点三 开发新材料 精练版P46
1．超导材料
(1)超导现象和超导体
①超导现象：某些材料的温度降低到一定程度时，电阻突然变为零，这种现象叫超导现象。
②超导体：能够发生超导现象的物体叫做超导体。物体的电阻变为零时的温度叫做这种物体的超导临界温度，也叫超导转变温度。物体的温度高于超导临界温度时失去超导性，低于超导临界温度时才具有超导性。
③超导材料：电阻为零的材料。
(2)超导材料的特性
超导材料和常规导电材料的性能有很大不同，主要有以下两点。
①零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。
②超导磁浮：超导体具有抗磁性，利用超导体的抗磁性可以实现磁浮。
(3)超导材料的应用前景
①超导输电导线。因为超导体的零电阻特性，使得输电线不会发热，所以可以无损耗地输送极大的电流，这意味着用细导线就可以输送强电流。
②超导磁浮列车。用超导磁浮特性实现交通工具的无摩擦运行，可以大大提高交通工具的运行速度和安全性能，减小能量的损耗以节约能源。
③超导发电机、电动机。用超导体做导线缠绕成发电机、电动机的线圈，线圈不会发热，可以大大提高电机的效率且长时间运转也不会烧坏。
④超导计算机。将超导体应用于电子工业，在低温环境中大大减小这些电子元件的体积和能耗(因不必考虑散热问题，超导电子元件可以做得很小)。
⑤超导发射火箭。可将发射速度提高3倍以上。
⑥用超导体制成各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小等特点。
例3 当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会变为零，这种现象叫超导现象。常温超导体的应用有着十分诱人的前景。下面的几个电路元件可用超导体制作的是( )
A．家用保险丝 B．电动机的线圈
C．电炉的电热丝 D．白炽灯泡的灯丝
解析：假如科学家已研制出常温下就能使用的超导体，适合制作人们不需要电热的电器。如：输电导线和电动机线圈等。由于超导体不会产生电热，所以人们需要电热的地方是不能用超导体的。如电饭锅、白炽灯泡的灯丝、保险丝、电炉的电热丝等。
答案：B
2．纳米材料
(1)纳米材料：纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在1nm～100nm范围内的材料，这大约相当于10～1000个原子紧密排列在一起的尺度。(注意：纳米是长度单位)
(2)纳米技术：是指在0.1nm～100nm的尺度内，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。
(3)纳米材料的特征：纳米材料除了其基本单元尺度小以外，在力、热、声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的性能，如它可以大大提高材料的强度和硬度，降低烧结温度，提高材料的磁性等。
(4)纳米材料的基本单元。
纳米材料的基本单元可分为三类：
纳米颗粒：指空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。
纳米管：指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等。
纳米膜：纳米尺度的薄膜材料，如超薄膜、多层膜、超晶体等。
(5)当前纳米技术研究的几大热点：①纳米制造工艺与结构材料；②纳米在食品与农业领域的应用；③纳米电子材料与计算设备；④纳米在卫生健康领域的应用；⑤纳米在能源领域的应用；⑥消费品方面出现纳米新点子。
(6)纳米材料的应用：纳米技术是现代科学技术的前沿，在国际上备受重视。科学工作者正在通过对分子或原子的操纵，实现心中的理想。例如：在电子和通信方面，用纳米薄层和纳米点制造纳米电子器件，使器件的尺寸更小、运行的速度更快、耗能更少；利用纳米技术，人类有可能在原子和分子尺度诊断和治愈疾病，甚至修补细胞；在制造业方面，可以利用纳米机械制造蜜蜂大小的直升机……纳米科学技术是人类在探索物质世界微观结构的进程中发展起来的一项技术。
例4 陶瓷刀是用纳米材料“氧化锆”加工而成的新型刀具，如图所示。它可轻易切割很多较坚硬的物品，号称是永远锋利的刀具，这说明该刀具的硬度________(选填“大”或“小”)，但它却不能摔打、跌落，否则将会破损、断裂，这说明该刀________(选填“有”或“无”)延展性。
解析：硬度是描述材料的坚硬程度的物理量，较硬的材料能使较软的材料产生凹陷、划痕或断裂，该陶瓷刀能轻易切割坚硬的物品，说明该刀具的硬度大；具有延展性的材料可以锻打成片、拉成丝，而不具有延展性的材料在外力作用下容易破碎、断裂，由题意可知，该刀无延展性。
答案：大 无
易错点 对超导材料的特性与应用不清楚
超导材料的特性主要体现在如下两点：一是零电阻性，二是超导磁浮。超导材料所具有的特性和超导材料的应用前景主要体现在如下三个方面：一是远距离大功率输电；二是超导磁浮列车；三是超导发电机、电动机。
例5 下列不属于超导材料应用的是( )
A．利用超导材料实现远距离大功率输电
B．利用超导材料实现交通工具无摩擦运动
C．利用超导材料制作电动机线圈，可减少电能损失，提高电能利用率
D．利用超导材料制成条形码扫描器
解析：利用超导材料在特定温度下电阻为零的特性，可以实现无损耗远距离输电和电动机线圈不发热提高电动机效率和使用寿命，A、C选项正确。利用超导材料的超导磁浮特性可以制成磁浮列车，B选项正确。条形码扫描器是利用了半导体材料的特性制成的，D选项错误。
答案：D
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