《第六节 材料及其应用简介》（同步训练）高中物理选择性必修第三册-沪科版-2024-2025学年

《第六节材料及其应用简介》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、下列关于材料及其应用的描述中，正确的是（）A.纳米材料是指尺寸在1-100纳米之间的材料，具有超导性。B.复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料复合而成的，具有高强度、高韧性。C.高分子材料都是有机物，但有机物不一定是高分子材料。D.半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间，其导电性可以通过掺杂来调节。2、下列关于新型材料的应用描述中，不正确的是（）A.石墨烯材料具有高强度、高导电性和高导热性，可用于制造高性能锂电池。B.碳纳米管材料具有良好的机械性能和导电性能，可用于制造柔性电子器件。C.光导纤维是一种利用光的全反射原理传输信号的纤维，广泛应用于通信领域。D.纳米材料具有特殊的物理、化学性质，可用于制造纳米机器人进行疾病诊断和治疗。3、下列关于晶体和非晶体的叙述中，正确的是：A.晶体都有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点B.晶体和非晶体的分子排列都是有序的C.晶体和非晶体的硬度都是一样的D.晶体和非晶体的导电性都是一样的4、关于材料的导电性，以下说法正确的是：A.所有金属都是导体，但并非所有导体都是金属B.所有绝缘体都是非导体，但并非所有非导体都是绝缘体C.导体的电阻与材料的长度成正比，与材料的横截面积成反比D.绝缘体的电阻与材料的温度成正比，与材料的长度成反比5、在下列材料中，哪一种材料的导电性能最好？A.木材B.玻璃C.铜D.塑料6、下列哪种材料属于半导体，并且在温度升高时其电阻率会降低？A.石墨B.硅C.银D.橡胶7、以下哪种材料属于超导材料？A.钨B.铜镍合金C.钛酸钡D.超导钇钡铜氧化物（YBCO）二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）1、下列关于半导体材料的说法正确的是：A.半导体材料的电阻随温度升高而增大。B.半导体材料在纯净状态下导电能力较弱。C.在半导体中掺入微量的其他元素可以显著改变其导电性能。D.所有的金属都是半导体。2、下列哪些是复合材料的优点？A.强度高。B.质量轻。C.易加工。D.成本低廉。3、下列关于材料的描述，正确的是（）A.纳米材料具有宏观体积，微观尺度B.合金的熔点一般低于其组成金属的熔点C.超导材料在超导状态下电阻为零，电流密度无限大D.半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）第一题请根据以下材料，回答问题。材料一：某种合金材料的杨氏模量E为2.0×10^11Pa，泊松比ν为0.3。该材料在受到轴向拉伸力F的作用下，其长度伸长了Δl，横截面积变化了ΔA。（1）求该材料在轴向拉伸力F的作用下，其横截面积的变化量ΔA与长度伸长量Δl之间的关系。（2）若该材料在轴向拉伸力F的作用下，其长度伸长了0.5mm，求此时该材料的轴向应力σ和横向应变ε。第二题题目：阅读以下材料，回答问题。材料：近年来，纳米材料因其独特的物理化学性质在各个领域得到了广泛应用。纳米材料是指至少有一维在1～100纳米范围内的材料。以下是一些纳米材料的应用实例：（1）纳米银颗粒具有优异的抗菌性能，可用于制造抗菌衣物；（2）纳米氧化锌作为防晒剂，能有效防止紫外线对皮肤的伤害；（3）纳米碳管具有极高的强度和良好的导电性，可用于制造高性能复合材料；（4）纳米氧化铝作为催化剂，能提高某些化学反应的速率。问题：纳米材料的特点是什么？请简述纳米银颗粒、纳米氧化锌、纳米碳管、纳米氧化铝在生活中的具体应用。结合材料，谈谈你对纳米材料未来发展的看法。第三题题目：以下列材料为例，分析其结构特点及其在现实生活中的应用，并解释其在应用中的物理原理。材料：钢筋混凝土应用：高层建筑结构特点：钢筋：增强材料的抗拉强度。混凝土：提供较大的抗压强度。第四题题目：某新型合金材料在室温下具有超导特性，其临界温度为4.2K。现有以下几种应用场景，请判断哪些场景适合使用这种超导材料，并说明理由。A.人体体内磁场检测B.地球磁场探测C.超级计算机的内存芯片D.家庭电路中的变压器第五题一、实验探究题实验器材：弹簧测力计、金属棒、磁铁、温度计、砝码、细线等。实验步骤：将金属棒水平放置，用弹簧测力计测量金属棒在未受磁铁作用时的重力G。将磁铁靠近金属棒的一端，用细线将金属棒悬挂在弹簧测力计上，确保金属棒水平。观察并记录弹簧测力计的示数F。将磁铁从金属棒上移开，再次用弹簧测力计测量金属棒在不受磁铁作用时的重力G。将金属棒加热至一定温度，再次用弹簧测力计测量金属棒的重力G’。问题：分析金属棒受到磁铁作用时，弹簧测力计示数F与未受磁铁作用时的重力G的关系，并解释原因。比较加热前后的金属棒重力G和G’的变化，并分析原因。《第六节材料及其应用简介》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、下列关于材料及其应用的描述中，正确的是（）A.纳米材料是指尺寸在1-100纳米之间的材料，具有超导性。B.复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料复合而成的，具有高强度、高韧性。C.高分子材料都是有机物，但有机物不一定是高分子材料。D.半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间，其导电性可以通过掺杂来调节。答案：D解析：选项A中，纳米材料确实是指尺寸在1-100纳米之间的材料，但纳米材料不一定具有超导性；选项B中，复合材料的描述是正确的，但题目要求选择正确的描述；选项C中，高分子材料确实都是有机物，但有机物不一定是高分子材料，因为有机物中有些分子量较小；选项D中，半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间，且可以通过掺杂来调节导电性，这是半导体材料的基本特性，因此选项D是正确的。2、下列关于新型材料的应用描述中，不正确的是（）A.石墨烯材料具有高强度、高导电性和高导热性，可用于制造高性能锂电池。B.碳纳米管材料具有良好的机械性能和导电性能，可用于制造柔性电子器件。C.光导纤维是一种利用光的全反射原理传输信号的纤维，广泛应用于通信领域。D.纳米材料具有特殊的物理、化学性质，可用于制造纳米机器人进行疾病诊断和治疗。答案：C解析：选项A中，石墨烯材料的描述是正确的，其确实可用于制造高性能锂电池；选项B中，碳纳米管材料的描述是正确的，其确实可用于制造柔性电子器件；选项C中，光导纤维的描述不正确，光导纤维是利用光的全反射原理传输信号的纤维，而不是光的全内反射原理；选项D中，纳米材料的描述是正确的，其确实可用于制造纳米机器人进行疾病诊断和治疗。因此，选项C是不正确的。3、下列关于晶体和非晶体的叙述中，正确的是：A.晶体都有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点B.晶体和非晶体的分子排列都是有序的C.晶体和非晶体的硬度都是一样的D.晶体和非晶体的导电性都是一样的答案：A解析：晶体具有固定的熔点，而非晶体没有固定的熔点，这是晶体和非晶体最明显的区别之一。选项A正确。晶体内部的分子排列是有序的，而非晶体内部的分子排列是无序的，因此选项B错误。晶体和非晶体的硬度、导电性都可能不同，不能一概而论，所以选项C和D都是错误的。4、关于材料的导电性，以下说法正确的是：A.所有金属都是导体，但并非所有导体都是金属B.所有绝缘体都是非导体，但并非所有非导体都是绝缘体C.导体的电阻与材料的长度成正比，与材料的横截面积成反比D.绝缘体的电阻与材料的温度成正比，与材料的长度成反比答案：A解析：选项A正确，因为金属普遍具有良好的导电性，但并非所有导体都是金属，例如石墨就是一种非金属导体。选项B错误，因为绝缘体和非导体的概念是相对的，某些材料在特定条件下可能表现为非导体，但并不是所有非导体都是绝缘体。选项C正确，根据欧姆定律，导体的电阻与材料的长度成正比，与材料的横截面积成反比。选项D错误，因为绝缘体的电阻通常随温度升高而增大，而不是成反比关系。5、在下列材料中，哪一种材料的导电性能最好？A.木材B.玻璃C.铜D.塑料答案：C.铜解析：铜是一种优良的导体，其导电性能非常好，常用于电线电缆等需要良好导电性的场合。而木材、玻璃和塑料都是绝缘材料，它们的导电性能较差，通常用作防止电流通过的材料。6、下列哪种材料属于半导体，并且在温度升高时其电阻率会降低？A.石墨B.硅C.银D.橡胶答案：B.硅解析：硅是一种典型的半导体材料，在纯净状态下它的导电性介于导体和绝缘体之间。当温度上升时，半导体中的自由电子数量增加，从而导致其导电能力增强，电阻率降低。石墨虽然也具有一定的导电性，但它不是半导体；银是良好的导体；橡胶则是绝缘体，这些材料的电阻率特性与题干描述不符。7、以下哪种材料属于超导材料？A.钨B.铜镍合金C.钛酸钡D.超导钇钡铜氧化物（YBCO）答案：D解析：超导材料是指在极低温度下，其电阻可以降至零的材料。超导钇钡铜氧化物（YBCO）是一种典型的超导材料，而钨、铜镍合金和钛酸钡并不是超导材料。在超导状态下，YBCO表现出完全抗磁性，即迈斯纳效应。二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）1、下列关于半导体材料的说法正确的是：A.半导体材料的电阻随温度升高而增大。B.半导体材料在纯净状态下导电能力较弱。C.在半导体中掺入微量的其他元素可以显著改变其导电性能。D.所有的金属都是半导体。答案：B,C解析：选项A错误，对于大多数半导体来说，随着温度的升高，其导电能力增强，而不是电阻增大。选项B正确，半导体材料如硅和锗，在纯净状态下（本征半导体）导电能力确实较弱。选项C正确，通过向半导体中掺杂特定的杂质原子，可以显著改变其导电性质，这一过程被称为掺杂。选项D错误，金属并非半导体，它们是良好的导体，而半导体则介于导体和绝缘体之间。2、下列哪些是复合材料的优点？A.强度高。B.质量轻。C.易加工。D.成本低廉。答案：A,B,C解析：选项A正确，复合材料通常具有较高的强度与重量比，这使得它们在航空航天等领域非常受欢迎。选项B正确，除了强度高之外，许多复合材料还具有质量轻的优势，这对于提高能效尤其重要。选项C正确，某些类型的复合材料易于成型加工，可以制成复杂的形状。选项D错误，虽然有些复合材料的成本已经大大降低，但总体而言，相对于传统材料，复合材料的成本仍然较高。3、下列关于材料的描述，正确的是（）A.纳米材料具有宏观体积，微观尺度B.合金的熔点一般低于其组成金属的熔点C.超导材料在超导状态下电阻为零，电流密度无限大D.半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间答案：BD解析：A选项：纳米材料指的是尺寸在1-100纳米之间的材料，其宏观体积小，微观尺度大，因此A选项错误。B选项：合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属通过熔炼而形成的具有金属特性的物质。合金的熔点一般低于其组成金属的熔点，因此B选项正确。C选项：超导材料在超导状态下电阻为零，但电流密度并不无限大，因为电流密度还受到磁通量密度、材料截面积等因素的影响，因此C选项错误。D选项：半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间，可以通过掺杂、温度变化等方式改变其导电性，因此D选项正确。三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）第一题请根据以下材料，回答问题。材料一：某种合金材料的杨氏模量E为2.0×10^11Pa，泊松比ν为0.3。该材料在受到轴向拉伸力F的作用下，其长度伸长了Δl，横截面积变化了ΔA。（1）求该材料在轴向拉伸力F的作用下，其横截面积的变化量ΔA与长度伸长量Δl之间的关系。（2）若该材料在轴向拉伸力F的作用下，其长度伸长了0.5mm，求此时该材料的轴向应力σ和横向应变ε。答案：（1）该材料在轴向拉伸力F的作用下，其横截面积的变化量ΔA与长度伸长量Δl之间的关系为：ΔA=-νΔl/(1-ν)解析：根据泊松比的定义，材料在轴向拉伸时，其横向应变ε与轴向应变ε_x之间的关系为：ε=-νε_x其中，ε为横向应变，ε_x为轴向应变。由胡克定律可知，轴向应力σ与轴向应变ε_x之间的关系为：σ=Eε_x其中，σ为轴向应力，E为杨氏模量。将上述两式联立，可得：σ=-νEε将横向应变ε代入上式，可得：σ=-νE(-νΔl/(1-ν))整理得：ΔA=-νΔl/(1-ν)（2）此时该材料的轴向应力σ和横向应变ε分别为：σ=F/A=F/(A-ΔA)ε_x=Δl/lε=-νε_x由于题目中未给出轴向拉伸力F和原始横截面积A的具体数值，无法计算出具体的轴向应力σ和横向应变ε。解析：根据胡克定律，轴向应力σ与轴向应变ε_x之间的关系为：σ=Eε_x其中，σ为轴向应力，E为杨氏模量，ε_x为轴向应变。由于题目中给出材料在轴向拉伸力F的作用下，其长度伸长了0.5mm，可得到轴向应变ε_x：ε_x=Δl/l=0.5mm/l代入（1）中的关系式，可得：σ=F/(A-ΔA)=F/(A-(-νΔl/(1-ν)))横向应变ε为：ε=-νε_x=-ν(0.5mm/l)由于题目中未给出轴向拉伸力F和原始横截面积A的具体数值，无法计算出具体的轴向应力σ和横向应变ε。第二题题目：阅读以下材料，回答问题。材料：近年来，纳米材料因其独特的物理化学性质在各个领域得到了广泛应用。纳米材料是指至少有一维在1～100纳米范围内的材料。以下是一些纳米材料的应用实例：（1）纳米银颗粒具有优异的抗菌性能，可用于制造抗菌衣物；（2）纳米氧化锌作为防晒剂，能有效防止紫外线对皮肤的伤害；（3）纳米碳管具有极高的强度和良好的导电性，可用于制造高性能复合材料；（4）纳米氧化铝作为催化剂，能提高某些化学反应的速率。问题：纳米材料的特点是什么？请简述纳米银颗粒、纳米氧化锌、纳米碳管、纳米氧化铝在生活中的具体应用。结合材料，谈谈你对纳米材料未来发展的看法。答案：纳米材料的特点：尺寸小，至少有一维在1～100纳米范围内；表面积大，表面效应显著；界面效应强，具有独特的物理化学性质；功能多样，可用于多个领域。纳米材料在生活中的具体应用：纳米银颗粒：用于制造抗菌衣物，提供长效的抗菌保护；纳米氧化锌：作为防晒剂，用于防晒霜等产品，保护皮肤免受紫外线伤害；纳米碳管：用于制造高性能复合材料，如高强度碳纤维增强塑料；纳米氧化铝：作为催化剂，用于提高化学反应速率，广泛应用于化工、医药等领域。纳米材料未来发展的看法：随着纳米技术的不断进步，纳米材料的研究和应用将更加深入；纳米材料在环境保护、能源利用、生物医药等领域的应用前景广阔；需要加强对纳米材料的环境风险评估，确保其安全性；政府和企业应加大投入，推动纳米材料产业的健康发展。解析：本题主要考查学生对纳米材料特点和应用的理解。通过对材料中提到的纳米材料特点和应用实例的分析，学生能够掌握纳米材料的基本知识，并结合实际生活进行思考。在回答第三问时，学生需要结合所学知识，对纳米材料的未来发展进行合理推测，并注意提出环境保护和安全性等方面的建议。第三题题目：以下列材料为例，分析其结构特点及其在现实生活中的应用，并解释其在应用中的物理原理。材料：钢筋混凝土应用：高层建筑结构特点：钢筋：增强材料的抗拉强度。混凝土：提供较大的抗压强度。答案：结构特点分析：钢筋混凝土是由钢筋和混凝土复合而成的建筑材料。钢筋具有较高的抗拉强度，而混凝土具有较高的抗压强度。这种材料结构上的互补性使得钢筋混凝土在高层建筑中能够承受较大的拉力和压力。现实生活中的应用：钢筋混凝土广泛应用于高层建筑的主体结构中，如住宅、办公楼、商场等。由于其优异的力学性能和耐久性，钢筋混凝土已成为现代建筑中不可或缺的材料。物理原理解释：钢筋混凝土在高层建筑中的应用主要基于以下物理原理：复合材料的力学性能：钢筋和混凝土的复合使得材料的整体性能得到提升，既能承受较大的拉力，又能承受较大的压力。应力分散：在受力时，钢筋和混凝土之间相互支撑，使得应力得到分散，从而提高结构的整体稳定性。延性设计：钢筋混凝土结构具有一定的延性，能够在一定范围内承受塑性变形，从而提高结构的抗震性能。解析：钢筋混凝土作为一种复合材料，具有钢筋和混凝土各自的优点。在高层建筑中，钢筋混凝土能够承受较大的拉力和压力，保证结构的稳定性和安全性。钢筋和混凝土的复合使得材料在受力时能够实现应力分散，从而提高结构的整体稳定性。此外，钢筋混凝土具有一定的延性，能够在一定范围内承受塑性变形，提高结构的抗震性能。因此，钢筋混凝土在现代建筑中得到广泛应用。第四题题目：某新型合金材料在室温下具有超导特性，其临界温度为4.2K。现有以下几种应用场景，请判断哪些场景适合使用这种超导材料，并说明理由。A.人体体内磁场检测B.地球磁场探测C.超级计算机的内存芯片D.家庭电路中的变压器答案：正确选项：A,B解析：A.人体体内磁场检测适合使用超导材料。因为超导材料在超导状态下电阻为零，可以用于制作超导量子干涉器（SQUID），这种装置对微弱磁场非常敏感，适用于生物医学领域的人体内磁场检测。B.地球磁场探测适合使用超导材料。超导材料在超导状态下可以产生非常强的磁场，可以用于制作超导磁悬浮探测器，用于地球磁场的精确测量。C.超级计算机的内存芯片不适合使用超导材料。虽然超导材料在超导状态下电阻为零，但超导材料的制备成本高，且在实际应用中需要极低的温度环境，这使得其在计算机内存芯片中的应用不切