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 教學目的1知識與技能 1理解材料在人類開展的歷史進程中的作用；認識到合理利用資源，有效保護環(huán)境的重要性。2知道導體、絕緣體、半導體導電性能的差異，知道半導體二極管的單向?qū)щ娦浴?知道超導材料是一種電阻為零的材料，知道超導材料具有超導磁懸浮的特性，理解納米材料的有關(guān)知識。2過程與方法 通過探究實驗認識導體、絕緣體、半導體二極管的電氣特性；理解超導材料與納米材料的特性及應用前景。3情感、態(tài)度與價值觀 理解半導體材料的廣泛使用及其對科學、社會的促進作用教學準備實驗器材：電源、燈泡、導線、假設干待測材料如 銅、鐵、鋁等導體，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、接線柱或帶導線的金屬夾、開關(guān)、電阻、半導體二極管、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、電磁繼電器教學設計說明老師活動學生活動復習引入進展新課進展新課一、材料與社會開展讓學生閱讀“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？材料的開展與資源浪費和環(huán)境污染問題 對照板書，讓學生總結(jié)穩(wěn)固二、材料的導電性1、1讓學生讀課本相關(guān)內(nèi)容，口頭填表導體絕緣體定義種類作用原因聯(lián)絡2實驗探究：物質(zhì)的導電性儀器與器材：電源、燈泡、導線、帶導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驗參考電路，如右圖所示3導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好的絕緣體當對其加熱到紅熾狀態(tài)時，小燈泡發(fā)光，說明玻璃變成導體了。2.半導體元件1展示各種半導體元件：半導體二極管、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演示實驗：探究半導體二極管單向?qū)щ娞匦詢x器與器材：電源、半導體二極管V、電阻R、燈泡、導線、接線板、接線柱實驗電路，如右圖所示步驟：1取一個電阻R和一個半導體二極管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半導體的應用1讓學生看課本P148149頁，通過“太陽能電池、條形碼掃描器、微處理器、機器人等內(nèi)容，理解半導體的應用。2演示實驗：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，光電二極管導通，被控制的燈泡發(fā)光，此時的光電二極管相當于一個開關(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，電路設計應運用電磁繼電器以小電流控制大電流其設計圖如圖乙三、開發(fā)新材料1.超導材料1超導材料是一種電阻為零的材料。讓學生看課本后答復：什么現(xiàn)象叫超導現(xiàn)象？什么材料

5、叫超導材料？強調(diào)： 只有當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材料，由一般導體轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢w的溫度已到達100K以上。我國研制的超導材料的轉(zhuǎn)變溫度已到達134K。2、讓學生看課本，提出問題。師生共同作答：超導磁懸浮現(xiàn)象是一個超導體與一個永磁體或電磁鐵疊放時，由于電磁感應現(xiàn)象，超導體中產(chǎn)生的感應電流激發(fā)很強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，就形成了穩(wěn)定的磁懸浮現(xiàn)象，超導材料的應用： 運用電阻為零的特性制作電動機線圈、輸電導線等

6、，可減少電能損失，進步電能利用率。運用磁懸浮的特性制造磁懸浮列車、超導船等既減少了能量損失，又進步了交通工具的運行速度和平安性能。2.納米材料讓學生看課本P209內(nèi)容，知道什么是納米材料？納米材料的特性及應用？強調(diào)：納米是長度單位，符號“nm，1nm10-9m 不是所有材料到達納米尺度時就一定是納米材料，只有當材料到了納米尺度時性能發(fā)生突變，才能稱為納米材料。只有產(chǎn)品的主導技術(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。社會的開展帶動了材料的研究和開發(fā)；新材料的出現(xiàn)又促進了社會的開展，合理地利用資源，有效地保護環(huán)境是每個

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

8、象有些材料當溫度降低到某一溫度時，材料的電阻突然變?yōu)榱愕默F(xiàn)象叫超導現(xiàn)象可以發(fā)生超導現(xiàn)象的材料叫超導材料。筆記老師強調(diào)說明的問題。21933年邁斯納和奧森菲爾德發(fā)現(xiàn)了超導磁懸浮現(xiàn)象。提出問題，如：超導磁懸浮現(xiàn)象是怎么回事？答：磁懸浮可以實現(xiàn)交通工具的無摩擦運行看課本內(nèi)容，知道什么是納米材料？納米材料的特性及應用？當材料的微粒大小到達納米級10 -9m，就是這種材料的微粒由幾個分子組成時，材料的性能會發(fā)生顯著變化，如顏色、導電性、導熱性、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，進一步理解納米材料的應用。板書設計略教學反思老師課后完成教學參考半導體

9、和半導體二極管1半導體我們知道，容易導電的物體叫做導體，不容易導電的物體叫做絕緣體。其實，導體和絕緣體之間的界限。絕緣體并非絕對不導電，只是絕緣體的電阻率很大。在室溫下，金屬導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，它們的導電性能介于導體和絕緣體之間，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，這種材料叫做半導體，半導體的電阻率約為10-5106 ·m。鍺、硅、砷化鎵、銻化銦等都是半

10、導體材料。半導體的導電性能可以由外界條件所控制，如改變半導體的溫度，使半導體受到光照，在半導體中參加其它微量雜質(zhì)，都可以使半導體的導電性能成百萬倍地發(fā)生變化。這種性能是導體和絕緣體所沒有的。正因為半導體具有這種特性，人們用半導體制成了熱敏電阻、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，同時制作在很小的一塊半導體芯片上，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體芯片上可以集成上百萬個電子組件。集成電路的制成開拓了微電子技術(shù)的時代。隨著微電子技術(shù)的開展，使電子

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

12、所示。這個電場，阻礙P型半導體內(nèi)的空穴和N型半導體的電子向?qū)Ψ綌U散。開初，這個電場較弱，阻礙作用較??；隨著擴散的繼續(xù)，這個電場不斷增強，A、B薄層的厚度不斷增加，使擴散逐漸減弱；最后達平衡時，這個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)是半導體二極管的根本構(gòu)造。從P、N型半導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型端二極管的負極接在電池負極上，這叫給二極管加上正向電壓，二極管中的電流較大。因為外加的正向電壓，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，進一步減弱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。甲阻擋層變薄當把P型端接電池負極上，N型端接電池正極，即給二極管加上反向電壓，這時二極管中的電流很小。因為外加的反向電壓的電場與PN結(jié)產(chǎn)生的電場與PN結(jié)電場方向一樣，如上圖乙所示。兩個電場迭加的結(jié)果，加強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、不同半導體材料和不同構(gòu)造、工藝制成的半導體二極管，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。常用半導體二極管介紹半導體二極管是用半導體晶體材料制成的，所以又稱晶體二極管。半導體器件中，第一個應用到電子線路中的是半導體二極管。它是具有一個PN結(jié)的非線性組件。半導體二極管的兩個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?。半導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。半導體二極管在收音機、錄音機、電視機和其它家用電器中以及各種電子儀器設備中，都是不可缺少的組件。半導體二極管的體積很小。由于半導體

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，從而縮小了整機體積。半導體二極管種類、型號很多。常見的幾種半導體二極管的外形如下圖。圖上方是半導體二極管的符號，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。半導體二極管在構(gòu)造工藝上有點接觸型、面接觸型之分。一般來說，點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。半導體二極管按材料來分有鍺二極管和硅二極管兩大類。半導體二極管有兩根引線，分正極和負極。小型管可以焊

16、接在印刷板上；而大型管只有一個引出焊接端，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)定響應速度快，以及壽命長等優(yōu)點。半導體二極管的單向?qū)щ娞匦园雽w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一步描繪。如右圖所示，圖中的坐標O點，表示當二極管兩端不加電壓時，沒有電流通過。當二極管加上正向電壓時，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。對應于B點的電流IF叫做二極管的額定工作電流，或稱最大整流電流。實際應用時，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點的電壓UF為二極管額定電流時的正向管壓降。當二極管加上反向電壓時，PN結(jié)阻擋層厚度加寬，二極管呈現(xiàn)很大的反向電阻，即處于截止狀態(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。當二極管反向電壓超過UR，如圖中c點所示，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是二極管的四個最根本的參數(shù)都可從半導體手冊中查到，在使用二極管時，IF和UF都應留有余量。太陽電池與“風云一號氣象衛(wèi)星太陽電池是半導體材料典型應用之一。太陽