《第六节 新材料》（同步训练）高中物理选择性必修 第三册-粤教版-2024-2025学年

《第六节新材料》同步训练(答案在后面)一、单项选择题（本大题有7小题，每小题4分，共28分）1、下列选项中，不属于新型无机非金属材料的是（）(A)高纯度石英玻璃(B)碳纳米管(C)陶瓷基复合材料(D)氧化铝陶瓷2、新型无机非金属材料在高温下的化学稳定性表现为（）(A)下降(B)不变(C)上升(D)无法确定3、下列关于纳米材料的描述，不正确的是（）A.纳米材料具有明显的尺寸效应B.纳米材料的力学性能通常比其宏观材料要好C.纳米材料的光学性质通常与传统材料相似D.纳米材料具有较大的比表面积和较强的活性4、以下哪种技术不是用于制备纳米材料的方法？（）A.球磨法B.溶胶-凝胶法C.插层法D.真空蒸镀法5、题目：下列关于纳米材料的描述，正确的是（）A.纳米材料是指尺寸在1-100纳米之间的材料B.纳米材料具有独特的物理和化学性质，但与传统材料相似C.纳米材料的制备方法主要有物理法、化学法和生物法D.纳米材料的性能取决于其微观结构，但与其宏观结构无关6、题目：下列关于石墨烯的描述，不正确的是（）A.石墨烯是一种单层碳原子组成的二维材料B.石墨烯具有优异的导电性能C.石墨烯的强度非常高，被誉为“黑金”D.石墨烯在室温下具有超导性7、关于新材料的应用，以下说法正确的是（）A.所有超导材料在常温下可以实现完全导电二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）1、以下哪些是纳米技术所涉及的纳米材料类型？A、纳米颗粒B、纳米线C、纳米管D、纳米复合材料E、纳米机器2、以下关于新型纳米材料的描述，正确的是：A、纳米材料具有量子限制效应B、纳米材料的热稳定性较差C、纳米材料的催化活性高D、纳米材料的溶解性较好E、纳米材料在生物医学领域有广泛的应用3、以下关于新型纳米材料的描述中，正确的是（）A、纳米材料具有独特的光学性质，如金纳米粒子呈红色B、纳米材料在催化剂领域具有广泛应用，可提高催化效率C、纳米材料在医学领域主要用于制备生物传感器和生物芯片D、纳米材料的制备方法有化学气相沉积、溶液法、机械合金化等E、纳米材料的尺寸通常在1-100纳米之间三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）第一题题目背景：随着科技的发展，新材料的应用越来越广泛，从日常用品到高科技产品，新材料都发挥着重要作用。本题旨在考察学生对于几种常见新材料的理解及其在实际中的应用能力。题目内容：石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列成二维蜂窝状晶格结构的新材料。它以其优异的导电性和导热性、极高的强度以及透光性而闻名。请回答下列问题：1.描述石墨烯的物理性质，并说明这些性质对石墨烯的应用有何影响。2.列举三种石墨烯目前的主要应用领域，并简要说明其在这些领域的应用方式。3.石墨烯作为一种新型材料，它的制备方法有哪些？请列举至少两种，并简单描述每种方法的特点。第二题题目：某新型纳米材料在室温下具有优异的导电性能，其电阻率ρ随温度T的变化关系可用下式表示：ρ=ρ₀*(1+α*T)，其中ρ₀为材料在T=0℃时的电阻率，α为温度系数。已知该材料在T=0℃时的电阻率为ρ₀=10^-8Ω·m，温度系数α=3×10^-4/℃。（1）求该材料在T=100℃时的电阻率ρ；（2）若将该材料制成一根长度为L=0.5m，横截面积为S=1×10^-4m²的电阻丝，当温度从T₁=0℃升高到T₂=100℃时，求电阻丝的电阻变化量ΔR。第三题题目“石墨烯”是一种新型的二维碳材料，以其优异的力学性能、电学性能和热学性能而在诸多领域展现出广阔的应用前景。石墨烯是由单层碳原子构成的蜂窝状晶格结构，碳原子间以共用电子对相互连接形成了非常强的键。假设一个碳原子的质量是1.99×1.纯石墨烯的理论密度为2.21×2.如果要制备一块边长为1m，厚度为1×3.已知石墨烯的导电机制主要依赖于在其二维空间中自由电子的运动。假设在一个特定区域，石墨烯中的自由电子沿垂直于晶格平面的方向以速度v=1×106第四题方案一：将一根长度为10cm，电阻率为1.0×10^-7Ω·m的超导材料放入温度为0℃的冰水混合物中，对其进行磁通量束缚实验。方案二：在真空中将同一超导材料制成直径为5mm的光学光纤，用于传输特定波段的光信号。请回答以下问题：1.若要保持纳米材料超导，方案一中的冰水混合物温度应调整至多低？2.理解方案二中光纤的基本原理，并解释为什么这种光纤传输特定波段的光信号？3.在方案一中，若材料在0℃时发生小量断开，试分析其电阻与温度之间的关系。第五题题目：某新型纳米材料由金属纳米颗粒和聚合物基体组成，纳米颗粒直径约为10纳米。已知金属纳米颗粒的比表面积远大于常规金属，且纳米颗粒与聚合物基体之间存在较强的相互作用。请回答以下问题：（1）简述金属纳米颗粒在纳米材料中的作用。（2）说明纳米颗粒与聚合物基体之间强相互作用的意义。（3）试分析该纳米材料在以下领域的潜在应用：①催化剂②传感器③生物医学《第六节新材料》同步训练及答案解析一、单项选择题（本大题有7小题，每小题4分，共28分）1、下列选项中，不属于新型无机非金属材料的是（）(A)高纯度石英玻璃(B)碳纳米管(C)陶瓷基复合材料(D)氧化铝陶瓷答案：(B)碳纳米管解析：本题考察新型无机非金属材料的基本概念。碳纳米管是一种新型的碳材料，虽然具有许多优异的物理和化学性能，但其本质依然是碳材料，不属于无机非金属材料的范畴。而高纯度石英玻璃、陶瓷基复合材料及氧化铝陶瓷均属于新型无机非金属材料。2、新型无机非金属材料在高温下的化学稳定性表现为（）(A)下降(B)不变(C)上升(D)无法确定答案：(C)上升解析：新型无机非金属材料因其特殊的晶体结构和化学组成，在高温环境中，其内在结构和化学性质往往表现出较高的稳定性，不易发生化学反应或结构变化，因此在高温下的化学稳定性上升。3、下列关于纳米材料的描述，不正确的是（）A.纳米材料具有明显的尺寸效应B.纳米材料的力学性能通常比其宏观材料要好C.纳米材料的光学性质通常与传统材料相似D.纳米材料具有较大的比表面积和较强的活性答案：C解析：纳米材料是由尺寸为1-100纳米的颗粒组成的，这些颗粒比传统材料的尺寸要小得多，因此具有以下特性：明显的尺寸效应、力学性能比宏观材料好、比表面积大、活性强。光学性质与宏观材料相似这一描述不正确，因为纳米材料的光学性质与其传统材料相比有显著的变化，如等离子体共振效应等。因此，C选项是不正确的。4、以下哪种技术不是用于制备纳米材料的方法？（）A.球磨法B.溶胶-凝胶法C.插层法D.真空蒸镀法答案：A解析：纳米材料的制备方法包括溶胶-凝胶法、插层法、真空蒸镀法等。球磨法主要用于制备金属粉末和陶瓷粉末，不属于制备纳米材料的方法。因此，A选项正确。真空蒸镀法用于制备纳米薄膜，插层法用于制备纳米复合材料，溶胶-凝胶法则是一种通过化学反应制备纳米材料的方法。5、题目：下列关于纳米材料的描述，正确的是（）A.纳米材料是指尺寸在1-100纳米之间的材料B.纳米材料具有独特的物理和化学性质，但与传统材料相似C.纳米材料的制备方法主要有物理法、化学法和生物法D.纳米材料的性能取决于其微观结构，但与其宏观结构无关答案：C解析：纳米材料是指尺寸在1-100纳米之间的材料（A选项错误）。纳米材料具有独特的物理和化学性质，与传统的材料不同（B选项错误）。纳米材料的制备方法主要有物理法、化学法和生物法（C选项正确）。纳米材料的性能不仅取决于其微观结构，还与其宏观结构有关（D选项错误）。因此，正确答案是C。6、题目：下列关于石墨烯的描述，不正确的是（）A.石墨烯是一种单层碳原子组成的二维材料B.石墨烯具有优异的导电性能C.石墨烯的强度非常高，被誉为“黑金”D.石墨烯在室温下具有超导性答案：D解析：石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料（A选项正确）。石墨烯具有优异的导电性能（B选项正确）。石墨烯的强度非常高，被誉为“黑金”（C选项正确）。然而，石墨烯在室温下并不具有超导性（D选项错误）。超导性是在极低温度下才显现的性质，因此正确答案是D。7、关于新材料的应用，以下说法正确的是（）A.所有超导材料在常温下可以实现完全导电答案：B解析：目前，只有几种材料在极低温度下可以实现超导，而能够在常温下实现完全导电的超导材料尚未发现。因此，选项A的说法是错误的。B.钛合金因密度小、强度高、耐腐蚀性好，可用于制造外科手术器械和航天器部件。C.太阳能电池中使用的硅是一种非金属材料，能够在光照下直接产生电能。D.石墨烯因其优良的导电性和导热性，可以用于制作超薄电热膜。答案：A、B、D解析：B选项正确，因为钛合金确实具有轻质、高强度和耐腐蚀的特点，确实广泛应用于医疗器械和航空领域。D选项正确，因为石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，它具有优异的导电性、导热性，可以用于制造透明的导电膜和电热膜。而选项A错误，因为超导材料只能在极低温度下工作，并不能在常温下实现完全导电。C选项错误，太阳能电池中的硅虽然常用于光电转换，但它属于半导体材料，而不是典型的非金属材料。二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）1、以下哪些是纳米技术所涉及的纳米材料类型？A、纳米颗粒B、纳米线C、纳米管D、纳米复合材料E、纳米机器答案：A、B、C、D解析：纳米技术涉及的纳米材料主要包括纳米颗粒、纳米线、纳米管和纳米复合材料等。纳米机器虽然是一个新兴的研究方向，但目前尚未广泛归类为常规的纳米材料类型，因此不包括在选项中。正确答案为A、B、C、D。2、以下关于新型纳米材料的描述，正确的是：A、纳米材料具有量子限制效应B、纳米材料的热稳定性较差C、纳米材料的催化活性高D、纳米材料的溶解性较好E、纳米材料在生物医学领域有广泛的应用答案：A、C、E解析：纳米材料由于其特殊的大小和性质，具有以下特点：A、量子限制效应：由于尺寸缩小，纳米材料的电子、光子和磁性能发生变化，表现出量子效应。C、催化活性高：纳米材料因其表面积大，反应物更容易接触到催化剂表面，因此催化活性高。E、在生物医学领域有广泛的应用：纳米材料在药物输送、生物成像、组织工程等领域有广泛应用。选项B错误，因为纳米材料通常具有较好的热稳定性。选项D错误，因为纳米材料的溶解性并不优于常规材料，且受其表面特性和晶相等因素影响。正确答案为A、C、E。3、以下关于新型纳米材料的描述中，正确的是（）A、纳米材料具有独特的光学性质，如金纳米粒子呈红色B、纳米材料在催化剂领域具有广泛应用，可提高催化效率C、纳米材料在医学领域主要用于制备生物传感器和生物芯片D、纳米材料的制备方法有化学气相沉积、溶液法、机械合金化等E、纳米材料的尺寸通常在1-100纳米之间答案：ABDE解析：A选项：正确。纳米材料具有独特的光学性质，例如金纳米粒子在可见光范围内呈现红色，这是由于金纳米粒子的等离子共振效应。B选项：正确。纳米材料在催化剂领域有广泛应用，如纳米贵金属催化剂在化学反应中具有更高的催化活性和选择性。C选项：错误。虽然纳米材料在医学领域有应用，但主要用于药物载体、生物成像、组织工程等，而非主要用于制备生物传感器和生物芯片。D选项：正确。纳米材料的制备方法包括化学气相沉积、溶液法、机械合金化等，这些方法可以制备出不同形态和尺寸的纳米材料。E选项：正确。纳米材料的尺寸通常在1-100纳米之间，这是纳米材料的重要特征。三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）第一题题目背景：随着科技的发展，新材料的应用越来越广泛，从日常用品到高科技产品，新材料都发挥着重要作用。本题旨在考察学生对于几种常见新材料的理解及其在实际中的应用能力。题目内容：石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列成二维蜂窝状晶格结构的新材料。它以其优异的导电性和导热性、极高的强度以及透光性而闻名。请回答下列问题：1.描述石墨烯的物理性质，并说明这些性质对石墨烯的应用有何影响。2.列举三种石墨烯目前的主要应用领域，并简要说明其在这些领域的应用方式。3.石墨烯作为一种新型材料，它的制备方法有哪些？请列举至少两种，并简单描述每种方法的特点。答案与解析：1.石墨烯的物理性质及其应用影响：导电性：石墨烯是已知最好的导电材料之一，即使在室温下也表现出极高的电子迁移率。这一特性使得石墨烯成为制作高效能电子元件的理想材料，如透明导电膜、超级电容器等。导热性：石墨烯具有非常高的热导率，这使其在散热材料方面有着广泛应用，比如作为电子设备的散热片。机械强度：石墨烯是已知最硬的材料之一，同时也很轻薄，这使得它在复合材料中作为增强材料使用，可以显著提高材料的整体性能。透光性：虽然石墨烯几乎是完全透明的，但它仍然能够吸收大约2.3%的入射光。这种独特的性质让它适合用于制造触摸屏和其他需要透明导电层的技术。2.石墨烯的主要应用领域：电子产品：石墨烯的高导电性和透光性使其成为制造下一代触摸屏、显示器和太阳能电池板的理想材料。能源存储：由于石墨烯具有大的表面积和良好的导电性，它可以用来制造高性能的电池和超级电容器，从而提高能量密度和充电速度。生物医学：石墨烯及其衍生物（如氧化石墨烯）在药物递送、生物传感器和组织工程等领域显示出巨大潜力。它们可以用来提高药物的靶向性和减少副作用。3.石墨烯的制备方法：化学气相沉积法（CVD）：这是一种常用的制备大面积高质量石墨烯薄膜的方法。通过在高温下让碳源气体分解并在金属基底上沉积形成石墨烯层。这种方法的优点是可以获得连续的大面积石墨烯薄膜，但成本相对较高。剥离法：这是最早发现石墨烯的方法之一，通过机械方式从石墨晶体上剥离出单层或多层石墨烯。虽然操作简单，但是难以大规模生产且得到的石墨烯片大小有限。第二题题目：某新型纳米材料在室温下具有优异的导电性能，其电阻率ρ随温度T的变化关系可用下式表示：ρ=ρ₀*(1+α*T)，其中ρ₀为材料在T=0℃时的电阻率，α为温度系数。已知该材料在T=0℃时的电阻率为ρ₀=10^-8Ω·m，温度系数α=3×10^-4/℃。（1）求该材料在T=100℃时的电阻率ρ；（2）若将该材料制成一根长度为L=0.5m，横截面积为S=1×10^-4m²的电阻丝，当温度从T₁=0℃升高到T₂=100℃时，求电阻丝的电阻变化量ΔR。答案：（1）ρ=10^-8*(1+3×10^-4*100)=3.1×10^-7Ω·m（2）ΔR=R₂-R₁，其中R₁=ρ₀*L/S，R₂=ρ*L/S解析：（1）根据题目给出的公式，将温度T代入公式中，即可求出该材料在T=100℃时的电阻率ρ。（2）根据电阻定律R=ρ*L/S，将材料在T₁和T₂时的电阻值代入公式中，求出电阻变化量ΔR。第三题题目“石墨烯”是一种新型的二维碳材料，以其优异的力学性能、电学性能和热学性能而在诸多领域展现出广阔的应用前景。石墨烯是由单层碳原子构成的蜂窝状晶格结构，碳原子间以共用电子对相互连接形成了非常强的键。假设一个碳原子的质量是1.99×1.纯石墨烯的理论密度为2.21×2.如果要制备一块边长为1m，厚度为1×3.已知石墨烯的导电机制主要依赖于在其二维空间中自由电子的运动。假设在一个特定区域，石墨烯中的自由电子沿垂直于晶格平面的方向以速度v=1×106答案1.每个单位面积中碳原子数=6单位面积的碳原子总质量=2.石墨烯薄片体积=石墨烯薄片的质量=3.在1×区域宽度=电子速度v电子通过的总距离=通过区域的横截面积=在1×10解析1.通过题目中给出的信息，直接按照每个单位面积的碳原子个数和每个碳原子的质量进行计算。2.首先计算石墨烯薄片的体积，再利用石墨烯的理论密度计算其质量。3.首先确定通过该区域的自由电子的总距离，然后利用电子通过的横截面积和运动速度计算出电子数。注意横截面积的计算非常重要，同时电子密度也被隐含给出，可以通过电子在单位面积内单位时间通过的距离来反推。第四题方案一：将一根长度为10cm，电阻率为1.0×10^-7Ω·m的超导材料放入温度为0℃的冰水混合物中，对其进行磁通量束缚实验。方案二：在真空中将同一超导材料制成直径为5mm的光学光纤，用于传输特定波段的光信号。请回答以下问题：1.若要保持纳米材料超导，方案一中的冰水混合物温度应调整至多低？2.理解方案二中光纤的基本原理，并解释为什么这种光纤传输特定波段的光信号？3.在方案一中，若材料在0℃时发生小量断开，试分析其电阻与温度之间的关系。答案：1.由于纳米材料的临界温度为9K，即相对温度为9/273（以开尔文为单位），要保持其超导，温度应调整至1K以下，即-272℃以下。2.方案二中光纤的基本原理是，光在光纤中的传输主要依赖于全内反射现象。由于光纤材料的折射率和光纤的内外结构设计，可以使光在纤维内多次全内反射，而损耗极小。选择特定波段的光信号传输，是因为光纤材料的折射率与光波长有特定的关系，不