[奇妙的超低温世界阅读答案]5.奇妙的超低温世界教案

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5.奇妙的超低温世界 教案
1 ．文本全解。
(1) 作者简介，
叶永烈， 1940 年出生于浙江温州。 1963 年毕业于北京大学化学系。现为上海作家协会专业作家，中国科普作家协会常务理事，世界科幻小说协会理事，香港海外文联名誉主席。 1951 年开始发表作品， 1979 年加入中国作家协会。早期主要从事科普创作，系《十万个为什么》的主要作者之一，科普代表作是三部《小灵通漫游未来》。后转向传记写作，出版了《红色的起点》、《历史选择了毛泽东》、《毛泽东与蒋介石》等多部传记作品。
(2) 基本解读。
超低温是一个普通人无法接触到的世界，其中存在着许多超出人们常识的奇妙现象。本文作者抓住这点来做文章，善于从普通人的常识出发来引出超乎人们常识的奇特现象，从而牢牢地抓住了读者的好奇心和求知欲，使文章趣味横生，把抽象的事理说明得生动感人。
比如文章开头一节。作者从“冰冷”二字人手，指出“冰雪不足以言冷”，然后说出一连串更冷的地方：地球的北极和南极可达到 -90 ℃，月球背着太阳的一面可达到— 160 ℃，海王星可达到 -229 ℃……这使人们以为冷可以一直低下去，可以低至零下几千、几万甚至几千万摄氏度 ( 正如热那样 ) 。这时，作者却指出：冷有极限，存在一个无法逾越的绝对零度 -273.16 ℃。短短一段，一波三折，层层铺垫，最后才抖出作者真正想说的内容，让读者为之一振，也很容易就理解了“绝对零度”这个陌生的概念。
又如最后一节“诱人的幻想”。为了使读者易于理解利用“生命冷藏”来解决星际旅行这一难题的可能性，作者先介绍了一个有趣的实验：把金鱼在超低温的液态空气中变得硬邦邦的，但经过 10-15 秒之后放回温水中，它居然复活了 ! 这一挑战人们常识的有趣实验使作者后面介绍的设想变得容易理解了。
全文以小标题分节，清晰地标示出了作者的写作思路： “冰雪不足以言冷”引出话题，介绍“绝对零度”概念； “奇妙的现象”介绍超低温世界中有趣的奇特现象； “没有电阻的导线”重点介绍超低温中的超导现象； “广泛的应用”介绍超低温技术在目前的一些具体应用； “诱人的幻想”则提出了利用超低温技术在星际旅行中延续人的寿命的设想。作者由一个基本概念人手引入“超低温”的话题，然后分别介绍现象及其应用，让读者较全面地认识了超低温研究这一科学研究领域。
(3) 问题探究。
课文通俗易懂，生动有趣，相信大部分学生能够读懂课文，理解其主要内容。教学中应以学生自学为主，让学生在抓住主要内容的基础上进一步作些拓展探究，如通过各种途径收集超低温研究的最新资料，了解其在作者本文写作之后这段时间里的新进展，以此进一步阐发课文中的一些内容。比如，关于液态氦的“超流现象”有无进一步的研究成果，超低温技术的应用有何新发展，也可以引导学生根据课文及自己掌握的其他资料展开想像，编写科幻故事。
2 ．习题解说。 ．
(1) ‘第一题命题意图和参考答案。
命题意图：引导学生整体感知全文，筛选文中的关键信息，了解课文的主要内容。
参考答案： “超低温现象”的奇妙之处主要体现为许多物质在零下一二百摄氏度的“超低温”状态下会出现与它在常温下完全不同的性质。如某些金属在超低温状态下出现了电阻消失的超导现象。 12345
(2) 第二题命题意图和参考答案。
命题意图：理解课文化抽象为具体的说明技巧。
参考答案：课文中使用了举例子、作比较、下定义、作诠释、列数据等多种说明方法。如在“没有电阻的导线”一节中为了说明超导现象，作者首先举了荷兰物理学家发现“超导现象”的例子，接着又介绍了一个铅金属环在超低温下经过两年半时间电流强度居然没有明显减弱的实验，用两个例子具体生动地说明了超导现象中导电材料电阻消失的特性。
具体分析可参考“点击链接”短文《说不尽道得明》。
(3) 第三题命题意图和参考答案。
．命题意图：引导学生学习根据需要收集资料，并根据资料进一步作大胆而合理的推断。本题强调的不是知识的拓展，而是收集资料的能力和大胆想像、合理推断的能力，以及勇于探究的欲望。
参考答案：课文中介绍了超低温现象在钢铁工业、农业育种、液态空气工业、医学、宇航、科研等方面的具体运用，还作出了利用超低温肢术延续人的寿命已进行漫长的星际旅行的大胆设想。
超低温技术在许多领域的应用到今天已经有了较大进展 ( 参考“相关资料” ) ，主要应用于能源 ( 超导输电、超导储能、超导电机等 ) ，交通 ( 磁悬浮列车、船舶磁推进器 ) ，医疗卫生 ( 核磁共振成像、生物磁仪器等 ) ，电子技术 ( 超导微波技术应用、各类超导传感技术、半导体—超导体集成电路、超导计算元件等 ) ，重大科学工程 ( 加速器、受控热核装置等 ) 和国防技术 ( 超导反潜、扫雷、飞船载人、电磁推进、通讯及制导等 ) 等领域。
(4) 第四题命题意图和参考答案。
命题意图：引导学生学会提炼材料要点，并重新组织材料进行严密的表达。
参考答案：据理论推算，自然界中的最低温度为— 273 ． 16 ℃，这一冷的极限温度被称为绝对零度。研究发现，在接近绝对零度的一个低温区域 ( 一般指— 150t 以下 ) 中，许多物质显示出与常温下截然不同的特性，如铅会变得富于弹性，锡会变得易于粉碎，某些导电材料会出现超导性 ( 即电阻消失或接近于零 ) 。这个低温区域被称为超低温，物质在其中出现的奇特现象即是超低温现象。
3 、相关资料。
超低温工程及其应用
李昭仁
1 ．什么，叫 cryogenics ？
在希腊文中所谓 kryo 这一冠首即是“冰冷”的意思， 而 cryogenics 就是指制造冰冷温度，其实现代所通用的 cryogenics temperature 要比冰冷温度更低。所以 cryogenics 可以说是“超低温”的同义词。
“超低温工程”是一门研究发展低温工程技术、低温制造程序、低温材料及低温装置的工程学。一个物理或化学新现象的发现到其工业上的实际应用，其间往往要经过一段很长的时间。超低温工程和所谓的低温物理 (low temperature physics) 在研究态度上有一些差别： 即前者注重已被发现自然现 象的应用及其工业化，而后者则注意自然现象的新发现及在理论上的探讨。
ⅱ．温度多低才算超低温 ?
一般同意凡是低于 -150 ℃才称为超低温。说起来，这个界限也很合理， 因为一般所谓的永久气体 (permanent gases) ，诸如空气、氮气、氧气、氢气、氦气等在 -150 ℃以下才能液化，而且一般所使用的冷冻剂如 freon 、氨、硫化氢等也在 -150~c 左右呈沸腾现象。 12345
ⅲ．超低温技术发展的历史概况
1877 年法国的 caillet 有史以来第一次液化空气。 同年瑞士日内瓦的毕克替 (pictet) 制成液化氧气。
1880 年波兰创办世界第一个低温研究所。
1890 年杜而 (dewar) 首次制成真空隔热低温容器 (vacuum insulated vessel) 为装备低温液体之用。
1898 年杜而第一次制成液化氢气。
1908 年欧尼斯首次液化氨气，为超低温工程创下新纪元。
1911 年欧尼斯发现超导电性 (superconductivity) 。
1942 年德国首次放射 v-2 武器系统，创下火箭纪元 ( 用 25 ％液态氧及 75 ％酒精混合物为燃料 ) 。
1952 年美国国家标准局在柯罗拉多州的保德尔开设一个超低温实验所 cryogenie engineering laboratory 从事收集及研究发展低温物性、化性的数据与资料。
1959 年美国太空总署 (nasa) 的大型液化氢气制造厂在加州完工。
1968 年美国的医学博士库波利用低温外科手术首次进行脑癌开刀手术，并获得成功。
美国阿波罗登月球研究计划完成 (post appolo) 以后，政府补助的研究预算大量削减，很多靠政府生意起家的低温工业公司都纷纷往工业用液化气方面发展。诸如化学工业、电子工业、制钢工业都要消耗大量的液化氧、氮、氢、氦等。另一重要工业与低温工程相关的是液化天然气，因天然气产地与工业消耗地往往距离很远，若以气态运输则在技术与经济上都不切实际，所以必须先经液化以减小其体积，运输起来效率才高。如此，则低温液化工程成为很重要的一环。其他液化氢气也被考虑为将来最具实用价值而无公害的燃料，将来低温工程的发展，一定有不可或缺的重要地位。 1972 年，全美国低温工业的营业额已超过十亿美元。
ⅳ．应用在低温工程上的主要学科
v ．超低温工程应用的范围
下列应用低温工程的实例及将来性：
1 ．火箭推动系统 (rocket propulsion system)
——一般用液化氢为燃料而以液化氧为助燃剂。
2 ．低温物理与化学——如利用氢气泡室 (hydrogenbubble chamber) 在高能量物理 physics) 的研究。在化学实验中也利用低温红外线 (1r) 及 spectrometry 方面的研究。 (hishenergy
3 ．电子学 (electronics) 及核子工程 (nucleaterpneering) 方面的应用——如微波激射 (maser) 必须在液化氮或液化氮低温下施行以收实效。中子撞击 (neutron bombardment) 亦在超低温下施行， 以备发展应用在反应炉中。
4 ．超导性及磁性 (superconductivity and magnet) ——如已发展的超导性磁具可以在 1 ． 5 时的空间中产生 30000 高斯的磁场圈。普通要产生同样磁场圈若不用超导性物质则要 7 英尺直径， 5 英尺长及 45 吨的重量的电磁铁，费电 150 千瓦。标准的超导性磁具的直径仅 3-4 英寸，长 4-5 英寸，而重量只不过几磅而已。
5 ．生物及医工方面的应用——有一门利用低温的生物学 (cryobiology) 目前正被注意。一种用液化氮冷冻的器具，可以用来保藏血液、皮肤及骨髓等。将来刚死的人的内脏也可以用超低温下保存，以待医师们移植到需要此脏器的病人身上。
6 ．食品保存与运输——利用液化氮气与新鲜食品如鱼、虾、 肉等面接触，使其表面在瞬间被冻结，而把美味及香气包藏在食物里面，如此运输到消费市场再解冻，则食品仍恢复新鲜一般。用液化氮的好处是在于瞬间冰冻。 12345
7 ．公害控制及处理——如医院中利用氧气来补助垂危病人的呼吸。最近，有人计划用液化氧来处理被污染的湖水。另外，利用液化氮来处理废铁及废塑料，也会变成非常实用的课题。
总而言之，超低温工程的应用不胜枚举，若有计划地来发展，将造福人类社会不少。尤其是面临能源危机的今天，发展液化天然气及液化氢的工程技术，将不只帮助解决能源的问题，同时也在无形中解决了公害问题的困扰。
( 选自《科学月刊》 ( 中国台湾 )1974~4fl 第 52 期，有删节 )
未来 15 年的超导技术
1987 年，在世界性的高温超导研究热潮中•，我们曾预计二十年后高温超导材料将会广泛应用， 当时觉得太长大远。 10 年过去了，依据高温超导材料的研究与开发的进展，预计到 XX 年左右，一个相当规模的超导工业将会出现。
超导材料分为低温超导材料 ( 在液氦温区运行 ) 和高温超导材料 ( 在液氮温区运行 ) 两大类。超导成为一门实用技术开始于 20 世纪 60 年代， 80 年代后期液氮温区超导电性的发现加速了这门实用技术的发展。很多国家的科技专家认为超导技术将是 21 世纪二十多种关键技术之一，并将形成一门新的高技术产业。据国际超导工业高峰会议连续三年预测，按不变价格计算，世界范围的超导产品 1995 年为 10 亿 ~20 亿美元， XX 年将达到 600 亿 -900 亿美元，而到 2020 年将到 1500 亿 -XX 亿美元。 目前，超导产品主要还是利用液氦温区的超导技术，如医用核磁共振成像的超导磁体，但是液氮温区的超导材料的实际应用也正在逐步进入市场。预测到 2020 年全部超导产品中，高温超导约占 60 ％ -70 ％，低温超导仍占 30 ％ -40 ％。超导技术将主要应用于能源 ( 超导输电、超导储能、超导电机等 ) ，交通 ( 磁悬浮列车、船舶磁推进器 ) ， 医疗卫生 ( 核磁共振成像、生物磁仪器等 ) ， 电子技术 ( 超导微波技术应用、各类超导传感技术、半导体——超导体集成电路、超导计算元件等 ) ，重大科学工程 ( 加速器、受控热核装置等 ) 和国防技术 ( 超导反潜、扫雷、飞船载入、电磁推进、通讯及制导等 ) 。根据高温超导体可以在液氮温区工作的特点，科学家们开发了一些新的应用方向，如用高温超导体的块材 ( 指熔融结构及准单晶 ) 制成高温超导永久磁体、超导磁悬浮，与半导体集成器件结合的高温超导微波器件、核磁共振的探测线圈等。作为一种物质存在的形态，超导电现象的应用现在还是刚刚开始，还会有许多现在来被预见到的应用的可能，在社会及经济发展中将会产生重大的作用。
在 21 世纪初，我国的能源、医疗卫生、电子技术和科学仪器等方面将会迫切需要超导技术。美国、日本等国家关于超导产品的市场估计，均把我国作为重要市场之一。能否抓住超导技术发展提供的历史性的机会、争取在这一新兴高技术产业中占有一席之地，是我国超导技术发展面临的一个重要问题。
我国从 20 世纪 60 年代初开始了超导电性的科学研究和应用开发。 80 年代中期，我国科学界在液氮温区超导材料的发现上作出了国际公认的贡献。近十年来，在液氮温区超导电性的研究开发，包括新材料的探索、材料的物理与化学性质的研究、实用成材技术的研究、薄膜技术、器件物理和技术等方面，我国都进行了比较深入系统的工作，在某些方面仍处在国际先进水平。但在向产业化发展方面，存在很多问题。 12345
由于低温制冷技术的发展，以及低温超导体具有的特性，高温超导材料不可能完全取代低温超导材料，但高温超导材料将逐渐占据主要地位。根据我国的情况和国际低温超导技术成熟及产品相对饱和的现状，我们应以高温超导技术发展为主，以形成在国际上有竞争力的有较大规模的产业。
未来 15 年，我国的主要需求在通信、交通、能源以及医学和电子技术等领域。国外把市场盯在中国，而我们在未来可能的巨大市场中能够占多少份额，又如何去占领呢 ? 未来 5 年的决策和行动将是关键。超导技术不可能作为单一的技术发展及形成产业，必须与其他的技术及应用结合起来，全盘考虑和规划是必需的。根据我国未来 10-15 年可能达到的工业水平、国民经济发展及国防现代化的•需求，也根据我国的优势及特长，经过努力，一个有规模、有竞争力的以超导技术为基础的产业是完全可以形成的。 12345

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