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材料促进探究——江干区名师工作室插座 [复制链接]

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(转载,目前最热门的材料---石墨烯材料)
      2004年,英国物理学家安德烈·海姆和·康斯坦丁诺沃肖洛夫成功地从石墨中分离出石墨烯,凭借“在二维石墨烯材料的开创性实验”,这两位科学家共同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
    石墨烯的发现,之所以意义重大,是因为它创造了诸多“纪录”。
    石墨烯是世上最薄的材料,只有0.34蚋米厚,十万层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径,它比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍,每100纳米距离上可承受的最走压力竟然达到了2.9微牛左右,这意味着,如果制成包装袋,那么它将能承受走约两吨重的物品。在石墨烯中,电子能够极为高效地迁移,迁移速率仅为光速的三百分之一,远远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。
    让材料学家更为惊喜的是,石墨烯几乎完全透光,透光率在97%以上。它在透明电极方面的应用会大幅降低电子设备的成本,并使其更省电、更清晰。同时,石墨烯太阳能技术的光电转换效率高速60%,是现有多晶硅太阳能技术的2倍,这使太阳能产业的升级成为可能。
    超轻防弹表,超薄超轻型飞机、超薄能折叠的手机、高强度航空材料,高性能储能和传感器、超级电容器,甚至更富想象力的太空电梯,石墨烯众多的优越特性,使越来越多基于石墨烯材抖的未来设备进入科学家的研究视野.可以说,石墨烯是过去十年,乃至未来几十年,所有材料“明星”中最耀眼的一颗。
    
由于碳原子之间化学键的特性,石墨烯很顽强:可以弯曲到很大角度而不断裂,还能抵抗很高的压力。而因为只有一层原子,电子的运动被限制在一个平面上,为它带来了全新的电学属性。石墨烯在可见光下透明,但不透气。这些特征使得它非常适合作为保护层和透明电子产品的原料。
但是适合归适合,真的做出来还没那么快。
        问题之一:制备方式。
       许多项研究向我们展示了石墨烯的惊人特征,但有一个陷阱。这些美妙的特性对样品质量要求非常高。要想获得电学和机械性能都最佳的石墨烯样品,需要最费时费力费钱的手段:机械剥离法——用胶带粘到石墨上,手工把石墨烯剥下来。
        别笑,2004年诺沃肖洛夫他们就是这么制备出石墨烯的。

问题之二:电学性能。
        石墨烯一个有前景的方向是显示设备——触屏,电子纸,等等。但是目前而言石墨烯和金属电极的接触点电阻很难对付。诺沃肖洛夫估计这个问题能在十年之内解决。
        但是为啥我们不能干脆抛弃金属,全用石墨烯呢?这就是它在电子产品领域里最致命的问题。现代电子产品全部是建筑在半导体晶体管之上,而它有一个关键属性称为“带隙”:电子导电能带和非导电能带之间的区间。正因为有了这个区间,电流的流动才能有非对称性,电路才能有开和关两种状态——可是,石墨烯的导电性能实在太好了,它没有这个带隙,只能开不能关。只有电线没有逻辑电路是毫无用途的。所以要想靠石墨烯创造未来电子产品,取代硅基的晶体管,我们必须人工植入一个带隙——但是简单植入又会使石墨烯丧失它的独特属性。目前针对这个领域的研究的确不少:多层复合材料,添加其他元素,改变结构等等;但是诺沃肖洛夫等人认为这个问题要真正解决,还要至少十年。
        另一方面,如果商业领域过度夸大其神奇之处,可能会导致石墨烯产业变成泡沫;一旦破裂,那么也许技术和工业的进展也无法拯救它。科学作者菲利普·巴尔曾经在《卫报》上撰文《不要期望石墨烯带来奇迹》,指出所有的材料都有其适用范围:钢坚硬而沉重,木头轻便但易腐,就算看似“万能”的塑料其实也是种种大相径庭的高分子各显神通。石墨烯一定会发挥巨大的作用,但是没有理由认为它能成为奇迹材料、改变整个世界。或者,用诺沃肖洛夫自己的话说:“石墨烯的真正潜能只有在全新的应用领域里才能充分展现:那些设计时就充分考虑了这一材料特性的产品,而不是用来替代现有产品里的其他材料。” 至于眼下的可打印、可折叠电子产品,可折叠太阳能电池,和超级电容器等等新领域能否发挥它的潜能,就让我们平心静气拭目以待吧。
    
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“电场建立速度”和“电子漂移速度”

        金属导电的原因,是其中存在着可以自由移动的电子。在电场的作用下,导体中的自由电子在热运动的基础上,逆着电场方向产生一个附加的定向速度,这个速度的平均值,称为漂移速度。
  通常情况下,其他金属导体中电子的漂移速度也约为10^4米/秒这个数量级。而金属中自由电子的平均热运动速度的大小为10^5米/秒数量级,可见自由电子在电场作用下的定向漂移速度远小于平均热运动速度。
  既然金属导体中电子的漂移速度如此之小,为什么平常还说“电”的传播速度非常快?谁都知道,在很远的地方把开关接通,它所控制的电灯就会立刻亮了起来,若按估计出的电子漂移速度的大小,似乎接通开关后要等很久电灯才会亮。
  其实这并不奇怪,平常说的“电”的传播速度,不是导体中电子的漂移速度,而是电场的传播速度。电场的传播速度非常快,在真空中,这个速度的大小约为3×10^8米/秒。“电”的传播过程大致是这样的:电路接通以前,金属导线中虽然各处都有自由电子,但导线内并无电场,整个导线处于静电平衡状态,自由电子只做无规则的热运动而没有定向运动,当然导线中也没有电流。当电路一接通,电场就会把场源变化的信息,以大约3×10^8米/秒的速度传播出去,使电路各处的导线中迅速建立起电场,电场推动当地的自由电子做漂移运动,形成电流。那种认为开关接通后,自由电子从电源出发,以漂移速度定向运动,到达电灯之后,灯才能亮,完全是一种误解。
       而石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electric charge carrier),的性 质和相对论性的中微子非常相似。
最后编辑蜗牛先生已注册 最后编辑于 2016-05-20 13:54:31
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这里有大咖在线提供指导,真好!
      提一个一直很困惑的问题,恒星周年视差演示教具怎样制作。
这节课是偏理论解释的,实验演示效果不佳的话,课好难上,希望大咖们能一些可以参考的实验设计或教学实录 。自己也捣鼓过,用LED小灯泡和黑纱布设计了一个简陋的模型,图片忘记拍了,两层黑色透光纱窗平行放置相聚15cm左右,中间垂直放置两个不同颜色的LED小灯泡:default41(要小,还要亮,颜色不一样),由于黑色纱窗的关系,学生看不清楚两个灯泡距离自己的远近,教室左边的学生和教室右边的学生,因为观察角度的不同,对两个灯谁左谁右看法是不一样的, 可以简单模拟地球在公转过程中运动到不同位置观察到 的两个星体的位置情况。但怎样设置才能实现比较理想的背景呢,模拟材料距离学生的远近多少合适,纱窗的透光情况还要再摸索,太黑看不见,透光太多易穿帮。很想知道,刘特您是怎样设计这节课的实验教具的    还有一个困惑就是我们这个实验是不是建立在这个假设的基础上“如果地球不是绕太阳运动的,那么从地球上看同一个恒星就不会有方向上的差异。”   但是观察到恒星周年视差就可以说明是地球围绕太阳公转导致的吗?恒星周年视差是非常小的,只有零点几角秒。如果地球和太阳的相对位置没有发生变化,是银河系围绕着银心在转(太阳系在其中公转),我们以银河系中的某两颗恒星作为观察的星体,但是可能由于太阳系和这2颗恒星偏离银心黄道不同或者公转速度不同,是不是也会出现恒星的周年视差?就像太阳系中的水星逆行一样,(由于水星运行轨道与地球自转带来的黄道角度差而带来的视觉上的轨迹改变)

最后编辑蜗牛先生已注册 最后编辑于 2016-05-21 22:37:33
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回复 33楼回归线的帖子


向刘特您这样的旗帜学习
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周末来充电啦
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学习了,期待有详细的资料分享
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浙江师范大学附属丁蕙实验小学----小组“学生实验盒”的开发和利用
    多年的一线科学教学中,我发现学生的学习是被动的,但是他们的兴趣却很主动。所以,我想,科学教师在备课过程中,做好备课提前量的同时,能否帮助学生开发一份小组“学生实验盒”及配套的学期实验清单或者单元实验清单。通过提前备课--培养兴趣--集体准备--组内互助--课堂学习----主动探究。让实验的准备更充分,学生更有自主性。当然,前提是教师做好引导和奖励,记录与总结等工作。提高学生对于科学研究的认识深度,让学生的研究不再落空,不再是。老师的探究
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回复 38楼早上的帖子

好想法,把简陋的学具袋升级一下,变成高级的实验盒
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濮家小学:科学课堂教学中合理选择材料有效促进探究
在科学探究学习中,教师为学生提供合适的、有结构的探究材料是学生进行探究学习的基础和关键,学生通过对材料的操作、摆弄和思考,才能形成完整形象,进而获取对事物的正确认识。那么,怎样才算是为学生提供合适的、有结构的探究材料呢?让孩子有效体验典型科学探究活动过程,实现孩子向着形成科学素养的方向发展,关键在于探究性材料选用是否得当。
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在五年级下册《沉和浮》单元,《下沉的物体会受到水的浮力吗》这一节课的材料选择上,教材中用了绳子捆绑石头,操作很麻烦,石头也很容易掉,石头体积太小的话,计算出来的浮力比较小。需要对实验材料进行改进,进行了一点尝试。
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论坛呀,求你别吞我的图了,好吗

方法一:把石头改成塑料方块,在塑料方块中填充沙子或其他物体,体积大,测量出来的浮力效果比较理想
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不要吞图哦
学生的记录单如下:
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方法二:选用长直塑料量筒,里面装入浓盐水,再加点红墨水,让颜色更清楚点。  完全浸没时浮力有1N多,效果很明显。图如下:
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回复 44楼蜗牛先生已注册的帖子

这个实验装置太好用了,特别是在研究物体浸没在水中深浅与受到的浮力之间的关系,学生很轻松地就能得到数据,并有所发现。
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回复 34楼蜗牛先生已注册的帖子

1.我上这个课,没有教具,是在室外进行。画一个大圆圈,代表地球公转轨道,标识A\B两点。在尽可能远的地方,放置两个球(与教材图例一样)。学生绕圆圈运动,在A或B点,明显看出两个球在视觉上位置的变化。
2.这个模拟实验为证实,不是证伪。
3.宇宙运行系统是一个复杂的系统。教师在可能的情况下,可以考虑得复杂下。对于学生,明白“地球的公转会造成恒星周年视差”即可,或“恒星周年视差与地球公转相关”。留下一定的空间
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回复 35楼蜗牛先生已注册的帖子

能不能不要说这样的话,很影响午饭的消化
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我是杭州采荷第三小学的张红叶,在今年的去优质课评比中,我发现:《机械摆钟》一课中,学生在实验过程中存在较大的误差。我认为,以现有的实验条件和学生的操作技能来说,误差的存在是必然的,但是如何将误差尽可能的减小呢?针对这个问题,我将从误差的来源、材料的改进、信息技术的辅助来试图解决。
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回复 46楼回归线的帖子

学习了,有时候小学科学课上到什么样的程度挺难拿捏的。
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回复 40楼有缘的帖子

建议在合理上多做文章。合理,合的是什么理,1.理有哪些,2.怎么做才算合
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回复 48楼红叶露露的帖子

很期待!
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回复 45楼早上的帖子

还是看不见图
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最近正好上四年级下册第一单元的《电》,我没抛弃了学具袋里的灯座、电池盒、导线,让每个学生购买了一套和实验室里差不多的仪器,2个灯座、两个电池盒、5根导线,2节1号电池。这一套16块钱,家长们都很愿意购买。这样人手一套,不仅能在学校完成还能在家巩固,而且学生很愿意去完成。想的挺美的,但是,理想是需要实践检验的,马上就出现了一系列的问题,灯座接线柱松动了,灯座下的铜丝脱落之类的问题。不过经过学生和家长的共同努力修好了。





还有个小朋友两个灯座都坏了干脆把学具袋里灯座用起来了,突然感觉自己狭隘了小朋友灵活。






       当小朋友实验做好,照片拍下发到群里,有部分同学还进行了对比。其他小朋友看了也会有意识的去对比。



     再这一个活动中,即有老师对材料的选择,也有小朋友对材料的选择和处理。活动进行的比较开心,小朋友也互相比较非常积极。适合的就是好材料。
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回复 52楼回归线的帖子

问了不睡觉的兔,貌似没有办法解决这个问题。一般情况下第一天能看到图,第二天就被吞了!无法看到图,太可惜了,失去了学习的好机会!楼主去找坛主反映下!
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回复 54楼早上的帖子

天杭的团队强大,还在于对学校的热爱,从来都不放过做广告的机会,^_^
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回复 46楼回归线的帖子

感谢刘特释疑!
       相比台湾康轩版科学教材,感觉我们的版本图片质量好差,跟具体生活脱节,不能吸引孩子们的兴趣,对几个观测活动的处理没有康轩版做得生动有趣,拍了他们的教材,但是论坛吞图,传不了。希望以后我们的教材在宇宙这个单元能更吸引孩子们
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材料的多元价值(儿童心理)2
    一年级孩子每节课都有十万个为什么?我观察到这一阶段的儿童已经不满足于了解事物的外在特征,而开始希望了解事物的内在联系和因果关系。
例如:学习《昆虫》的时候。课中为了唤起积极性和注意力,我跟孩子们玩一个简单的拼图游戏:每一种昆虫被切分成4片大小完全一样的图形。孩子说,有花的可能是蝴蝶的一部分,因为蝴蝶爱在花丛中飞舞。(这是在调用昆虫与生活环境的联系)。孩子说,有根针的可能是蚊子的一部分,因为蚊子叮人的时候就好像被刺了一下。(这是在调用昆虫结构与功能的联系)。这样一来,拼图游戏就变成非机械的,有一定思维含量的活动了。  受孩子们的启发,我打算改进拼图材料:1.其他的动物卡片都不要以纯粹的动物形象出现,而是带有其特有的生活环境和其他信息,那样能产生更多的“效益”;2.收集孩子们的十万个为什么,做到拼图材料里面去。
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回复 53楼紫苏的帖子

我们班很多小灯座都坏了,马上让他们把学具袋用起来,好主意,学习了
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有插座,希望能提供更多的电源
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