《第六節(jié) 新材料》（同步訓練）高中物理選擇性必修 第三冊-粵教版-2024-2025學年

《第六節(jié)新材料》同步訓練(答案在后面)一、單項選擇題（本大題有7小題，每小題4分，共28分）1、下列選項中，不屬于新型無機非金屬材料的是（）(A)高純度石英玻璃(B)碳納米管(C)陶瓷基復合材料(D)氧化鋁陶瓷2、新型無機非金屬材料在高溫下的化學穩(wěn)定性表現(xiàn)為（）(A)下降(B)不變(C)上升(D)無法確定3、下列關于納米材料的描述，不正確的是（）A.納米材料具有明顯的尺寸效應B.納米材料的力學性能通常比其宏觀材料要好C.納米材料的光學性質(zhì)通常與傳統(tǒng)材料相似D.納米材料具有較大的比表面積和較強的活性4、以下哪種技術不是用于制備納米材料的方法？（）A.球磨法B.溶膠-凝膠法C.插層法D.真空蒸鍍法5、題目：下列關于納米材料的描述，正確的是（）A.納米材料是指尺寸在1-100納米之間的材料B.納米材料具有獨特的物理和化學性質(zhì)，但與傳統(tǒng)材料相似C.納米材料的制備方法主要有物理法、化學法和生物法D.納米材料的性能取決于其微觀結構，但與其宏觀結構無關6、題目：下列關于石墨烯的描述，不正確的是（）A.石墨烯是一種單層碳原子組成的二維材料B.石墨烯具有優(yōu)異的導電性能C.石墨烯的強度非常高，被譽為“黑金”D.石墨烯在室溫下具有超導性7、關于新材料的應用，以下說法正確的是（）A.所有超導材料在常溫下可以實現(xiàn)完全導電二、多項選擇題（本大題有3小題，每小題6分，共18分）1、以下哪些是納米技術所涉及的納米材料類型？A、納米顆粒B、納米線C、納米管D、納米復合材料E、納米機器2、以下關于新型納米材料的描述，正確的是：A、納米材料具有量子限制效應B、納米材料的熱穩(wěn)定性較差C、納米材料的催化活性高D、納米材料的溶解性較好E、納米材料在生物醫(yī)學領域有廣泛的應用3、以下關于新型納米材料的描述中，正確的是（）A、納米材料具有獨特的光學性質(zhì)，如金納米粒子呈紅色B、納米材料在催化劑領域具有廣泛應用，可提高催化效率C、納米材料在醫(yī)學領域主要用于制備生物傳感器和生物芯片D、納米材料的制備方法有化學氣相沉積、溶液法、機械合金化等E、納米材料的尺寸通常在1-100納米之間三、非選擇題（前4題每題10分，最后一題14分，總分54分）第一題題目背景：隨著科技的發(fā)展，新材料的應用越來越廣泛，從日常用品到高科技產(chǎn)品，新材料都發(fā)揮著重要作用。本題旨在考察學生對于幾種常見新材料的理解及其在實際中的應用能力。題目內(nèi)容：石墨烯是一種由單層碳原子緊密排列成二維蜂窩狀晶格結構的新材料。它以其優(yōu)異的導電性和導熱性、極高的強度以及透光性而聞名。請回答下列問題：1.描述石墨烯的物理性質(zhì)，并說明這些性質(zhì)對石墨烯的應用有何影響。2.列舉三種石墨烯目前的主要應用領域，并簡要說明其在這些領域的應用方式。3.石墨烯作為一種新型材料，它的制備方法有哪些？請列舉至少兩種，并簡單描述每種方法的特點。第二題題目：某新型納米材料在室溫下具有優(yōu)異的導電性能，其電阻率ρ隨溫度T的變化關系可用下式表示：ρ=ρ?*(1+α*T)，其中ρ?為材料在T=0℃時的電阻率，α為溫度系數(shù)。已知該材料在T=0℃時的電阻率為ρ?=10^-8Ω·m，溫度系數(shù)α=3×10^-4/℃。（1）求該材料在T=100℃時的電阻率ρ；（2）若將該材料制成一根長度為L=0.5m，橫截面積為S=1×10^-4m2的電阻絲，當溫度從T?=0℃升高到T?=100℃時，求電阻絲的電阻變化量ΔR。第三題題目“石墨烯”是一種新型的二維碳材料，以其優(yōu)異的力學性能、電學性能和熱學性能而在諸多領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。石墨烯是由單層碳原子構成的蜂窩狀晶格結構，碳原子間以共用電子對相互連接形成了非常強的鍵。假設一個碳原子的質(zhì)量是1.99×1.純石墨烯的理論密度為2.21×2.如果要制備一塊邊長為1m，厚度為1×3.已知石墨烯的導電機制主要依賴于在其二維空間中自由電子的運動。假設在一個特定區(qū)域，石墨烯中的自由電子沿垂直于晶格平面的方向以速度v=1×106第四題方案一：將一根長度為10cm，電阻率為1.0×10^-7Ω·m的超導材料放入溫度為0℃的冰水混合物中，對其進行磁通量束縛實驗。方案二：在真空中將同一超導材料制成直徑為5mm的光學光纖，用于傳輸特定波段的光信號。請回答以下問題：1.若要保持納米材料超導，方案一中的冰水混合物溫度應調(diào)整至多低？2.理解方案二中光纖的基本原理，并解釋為什么這種光纖傳輸特定波段的光信號？3.在方案一中，若材料在0℃時發(fā)生小量斷開，試分析其電阻與溫度之間的關系。第五題題目：某新型納米材料由金屬納米顆粒和聚合物基體組成，納米顆粒直徑約為10納米。已知金屬納米顆粒的比表面積遠大于常規(guī)金屬，且納米顆粒與聚合物基體之間存在較強的相互作用。請回答以下問題：（1）簡述金屬納米顆粒在納米材料中的作用。（2）說明納米顆粒與聚合物基體之間強相互作用的意義。（3）試分析該納米材料在以下領域的潛在應用：①催化劑②傳感器③生物醫(yī)學《第六節(jié)新材料》同步訓練及答案解析一、單項選擇題（本大題有7小題，每小題4分，共28分）1、下列選項中，不屬于新型無機非金屬材料的是（）(A)高純度石英玻璃(B)碳納米管(C)陶瓷基復合材料(D)氧化鋁陶瓷答案：(B)碳納米管解析：本題考察新型無機非金屬材料的基本概念。碳納米管是一種新型的碳材料，雖然具有許多優(yōu)異的物理和化學性能，但其本質(zhì)依然是碳材料，不屬于無機非金屬材料的范疇。而高純度石英玻璃、陶瓷基復合材料及氧化鋁陶瓷均屬于新型無機非金屬材料。2、新型無機非金屬材料在高溫下的化學穩(wěn)定性表現(xiàn)為（）(A)下降(B)不變(C)上升(D)無法確定答案：(C)上升解析：新型無機非金屬材料因其特殊的晶體結構和化學組成，在高溫環(huán)境中，其內(nèi)在結構和化學性質(zhì)往往表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，不易發(fā)生化學反應或結構變化，因此在高溫下的化學穩(wěn)定性上升。3、下列關于納米材料的描述，不正確的是（）A.納米材料具有明顯的尺寸效應B.納米材料的力學性能通常比其宏觀材料要好C.納米材料的光學性質(zhì)通常與傳統(tǒng)材料相似D.納米材料具有較大的比表面積和較強的活性答案：C解析：納米材料是由尺寸為1-100納米的顆粒組成的，這些顆粒比傳統(tǒng)材料的尺寸要小得多，因此具有以下特性：明顯的尺寸效應、力學性能比宏觀材料好、比表面積大、活性強。光學性質(zhì)與宏觀材料相似這一描述不正確，因為納米材料的光學性質(zhì)與其傳統(tǒng)材料相比有顯著的變化，如等離子體共振效應等。因此，C選項是不正確的。4、以下哪種技術不是用于制備納米材料的方法？（）A.球磨法B.溶膠-凝膠法C.插層法D.真空蒸鍍法答案：A解析：納米材料的制備方法包括溶膠-凝膠法、插層法、真空蒸鍍法等。球磨法主要用于制備金屬粉末和陶瓷粉末，不屬于制備納米材料的方法。因此，A選項正確。真空蒸鍍法用于制備納米薄膜，插層法用于制備納米復合材料，溶膠-凝膠法則是一種通過化學反應制備納米材料的方法。5、題目：下列關于納米材料的描述，正確的是（）A.納米材料是指尺寸在1-100納米之間的材料B.納米材料具有獨特的物理和化學性質(zhì)，但與傳統(tǒng)材料相似C.納米材料的制備方法主要有物理法、化學法和生物法D.納米材料的性能取決于其微觀結構，但與其宏觀結構無關答案：C解析：納米材料是指尺寸在1-100納米之間的材料（A選項錯誤）。納米材料具有獨特的物理和化學性質(zhì)，與傳統(tǒng)的材料不同（B選項錯誤）。納米材料的制備方法主要有物理法、化學法和生物法（C選項正確）。納米材料的性能不僅取決于其微觀結構，還與其宏觀結構有關（D選項錯誤）。因此，正確答案是C。6、題目：下列關于石墨烯的描述，不正確的是（）A.石墨烯是一種單層碳原子組成的二維材料B.石墨烯具有優(yōu)異的導電性能C.石墨烯的強度非常高，被譽為“黑金”D.石墨烯在室溫下具有超導性答案：D解析：石墨烯是一種由單層碳原子組成的二維材料（A選項正確）。石墨烯具有優(yōu)異的導電性能（B選項正確）。石墨烯的強度非常高，被譽為“黑金”（C選項正確）。然而，石墨烯在室溫下并不具有超導性（D選項錯誤）。超導性是在極低溫度下才顯現(xiàn)的性質(zhì)，因此正確答案是D。7、關于新材料的應用，以下說法正確的是（）A.所有超導材料在常溫下可以實現(xiàn)完全導電答案：B解析：目前，只有幾種材料在極低溫度下可以實現(xiàn)超導，而能夠在常溫下實現(xiàn)完全導電的超導材料尚未發(fā)現(xiàn)。因此，選項A的說法是錯誤的。B.鈦合金因密度小、強度高、耐腐蝕性好，可用于制造外科手術器械和航天器部件。C.太陽能電池中使用的硅是一種非金屬材料，能夠在光照下直接產(chǎn)生電能。D.石墨烯因其優(yōu)良的導電性和導熱性，可以用于制作超薄電熱膜。答案：A、B、D解析：B選項正確，因為鈦合金確實具有輕質(zhì)、高強度和耐腐蝕的特點，確實廣泛應用于醫(yī)療器械和航空領域。D選項正確，因為石墨烯是一種由單層碳原子組成的二維材料，它具有優(yōu)異的導電性、導熱性，可以用于制造透明的導電膜和電熱膜。而選項A錯誤，因為超導材料只能在極低溫度下工作，并不能在常溫下實現(xiàn)完全導電。C選項錯誤，太陽能電池中的硅雖然常用于光電轉(zhuǎn)換，但它屬于半導體材料，而不是典型的非金屬材料。二、多項選擇題（本大題有3小題，每小題6分，共18分）1、以下哪些是納米技術所涉及的納米材料類型？A、納米顆粒B、納米線C、納米管D、納米復合材料E、納米機器答案：A、B、C、D解析：納米技術涉及的納米材料主要包括納米顆粒、納米線、納米管和納米復合材料等。納米機器雖然是一個新興的研究方向，但目前尚未廣泛歸類為常規(guī)的納米材料類型，因此不包括在選項中。正確答案為A、B、C、D。2、以下關于新型納米材料的描述，正確的是：A、納米材料具有量子限制效應B、納米材料的熱穩(wěn)定性較差C、納米材料的催化活性高D、納米材料的溶解性較好E、納米材料在生物醫(yī)學領域有廣泛的應用答案：A、C、E解析：納米材料由于其特殊的大小和性質(zhì)，具有以下特點：A、量子限制效應：由于尺寸縮小，納米材料的電子、光子和磁性能發(fā)生變化，表現(xiàn)出量子效應。C、催化活性高：納米材料因其表面積大，反應物更容易接觸到催化劑表面，因此催化活性高。E、在生物醫(yī)學領域有廣泛的應用：納米材料在藥物輸送、生物成像、組織工程等領域有廣泛應用。選項B錯誤，因為納米材料通常具有較好的熱穩(wěn)定性。選項D錯誤，因為納米材料的溶解性并不優(yōu)于常規(guī)材料，且受其表面特性和晶相等因素影響。正確答案為A、C、E。3、以下關于新型納米材料的描述中，正確的是（）A、納米材料具有獨特的光學性質(zhì)，如金納米粒子呈紅色B、納米材料在催化劑領域具有廣泛應用，可提高催化效率C、納米材料在醫(yī)學領域主要用于制備生物傳感器和生物芯片D、納米材料的制備方法有化學氣相沉積、溶液法、機械合金化等E、納米材料的尺寸通常在1-100納米之間答案：ABDE解析：A選項：正確。納米材料具有獨特的光學性質(zhì)，例如金納米粒子在可見光范圍內(nèi)呈現(xiàn)紅色，這是由于金納米粒子的等離子共振效應。B選項：正確。納米材料在催化劑領域有廣泛應用，如納米貴金屬催化劑在化學反應中具有更高的催化活性和選擇性。C選項：錯誤。雖然納米材料在醫(yī)學領域有應用，但主要用于藥物載體、生物成像、組織工程等，而非主要用于制備生物傳感器和生物芯片。D選項：正確。納米材料的制備方法包括化學氣相沉積、溶液法、機械合金化等，這些方法可以制備出不同形態(tài)和尺寸的納米材料。E選項：正確。納米材料的尺寸通常在1-100納米之間，這是納米材料的重要特征。三、非選擇題（前4題每題10分，最后一題14分，總分54分）第一題題目背景：隨著科技的發(fā)展，新材料的應用越來越廣泛，從日常用品到高科技產(chǎn)品，新材料都發(fā)揮著重要作用。本題旨在考察學生對于幾種常見新材料的理解及其在實際中的應用能力。題目內(nèi)容：石墨烯是一種由單層碳原子緊密排列成二維蜂窩狀晶格結構的新材料。它以其優(yōu)異的導電性和導熱性、極高的強度以及透光性而聞名。請回答下列問題：1.描述石墨烯的物理性質(zhì)，并說明這些性質(zhì)對石墨烯的應用有何影響。2.列舉三種石墨烯目前的主要應用領域，并簡要說明其在這些領域的應用方式。3.石墨烯作為一種新型材料，它的制備方法有哪些？請列舉至少兩種，并簡單描述每種方法的特點。答案與解析：1.石墨烯的物理性質(zhì)及其應用影響：導電性：石墨烯是已知最好的導電材料之一，即使在室溫下也表現(xiàn)出極高的電子遷移率。這一特性使得石墨烯成為制作高效能電子元件的理想材料，如透明導電膜、超級電容器等。導熱性：石墨烯具有非常高的熱導率，這使其在散熱材料方面有著廣泛應用，比如作為電子設備的散熱片。機械強度：石墨烯是已知最硬的材料之一，同時也很輕薄，這使得它在復合材料中作為增強材料使用，可以顯著提高材料的整體性能。透光性：雖然石墨烯幾乎是完全透明的，但它仍然能夠吸收大約2.3%的入射光。這種獨特的性質(zhì)讓它適合用于制造觸摸屏和其他需要透明導電層的技術。2.石墨烯的主要應用領域：電子產(chǎn)品：石墨烯的高導電性和透光性使其成為制造下一代觸摸屏、顯示器和太陽能電池板的理想材料。能源存儲：由于石墨烯具有大的表面積和良好的導電性，它可以用來制造高性能的電池和超級電容器，從而提高能量密度和充電速度。生物醫(yī)學：石墨烯及其衍生物（如氧化石墨烯）在藥物遞送、生物傳感器和組織工程等領域顯示出巨大潛力。它們可以用來提高藥物的靶向性和減少副作用。3.石墨烯的制備方法：化學氣相沉積法（CVD）：這是一種常用的制備大面積高質(zhì)量石墨烯薄膜的方法。通過在高溫下讓碳源氣體分解并在金屬基底上沉積形成石墨烯層。這種方法的優(yōu)點是可以獲得連續(xù)的大面積石墨烯薄膜，但成本相對較高。剝離法：這是最早發(fā)現(xiàn)石墨烯的方法之一，通過機械方式從石墨晶體上剝離出單層或多層石墨烯。雖然操作簡單，但是難以大規(guī)模生產(chǎn)且得到的石墨烯片大小有限。第二題題目：某新型納米材料在室溫下具有優(yōu)異的導電性能，其電阻率ρ隨溫度T的變化關系可用下式表示：ρ=ρ?*(1+α*T)，其中ρ?為材料在T=0℃時的電阻率，α為溫度系數(shù)。已知該材料在T=0℃時的電阻率為ρ?=10^-8Ω·m，溫度系數(shù)α=3×10^-4/℃。（1）求該材料在T=100℃時的電阻率ρ；（2）若將該材料制成一根長度為L=0.5m，橫截面積為S=1×10^-4m2的電阻絲，當溫度從T?=0℃升高到T?=100℃時，求電阻絲的電阻變化量ΔR。答案：（1）ρ=10^-8*(1+3×10^-4*100)=3.1×10^-7Ω·m（2）ΔR=R?-R?，其中R?=ρ?*L/S，R?=ρ*L/S解析：（1）根據(jù)題目給出的公式，將溫度T代入公式中，即可求出該材料在T=100℃時的電阻率ρ。（2）根據(jù)電阻定律R=ρ*L/S，將材料在T?和T?時的電阻值代入公式中，求出電阻變化量ΔR。第三題題目“石墨烯”是一種新型的二維碳材料，以其優(yōu)異的力學性能、電學性能和熱學性能而在諸多領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。石墨烯是由單層碳原子構成的蜂窩狀晶格結構，碳原子間以共用電子對相互連接形成了非常強的鍵。假設一個碳原子的質(zhì)量是1.99×1.純石墨烯的理論密度為2.21×2.如果要制備一塊邊長為1m，厚度為1×3.已知石墨烯的導電機制主要依賴于在其二維空間中自由電子的運動。假設在一個特定區(qū)域，石墨烯中的自由電子沿垂直于晶格平面的方向以速度v=1×106答案1.每個單位面積中碳原子數(shù)=6單位面積的碳原子總質(zhì)量=2.石墨烯薄片體積=石墨烯薄片的質(zhì)量=3.在1×區(qū)域?qū)挾?電子速度v電子通過的總距離=通過區(qū)域的橫截面積=在1×10解析1.通過題目中給出的信息，直接按照每個單位面積的碳原子個數(shù)和每個碳原子的質(zhì)量進行計算。2.首先計算石墨烯薄片的體積，再利用石墨烯的理論密度計算其質(zhì)量。3.首先確定通過該區(qū)域的自由電子的總距離，然后利用電子通過的橫截面積和運動速度計算出電子數(shù)。注意橫截面積的計算非常重要，同時電子密度也被隱含給出，可以通過電子在單位面積內(nèi)單位時間通過的距離來反推。第四題方案一：將一根長度為10cm，電阻率為1.0×10^-7Ω·m的超導材料放入溫度為0℃的冰水混合物中，對其進行磁通量束縛實驗。方案二：在真空中將同一超導材料制成直徑為5mm的光學光纖，用于傳輸特定波段的光信號。請回答以下問題：1.若要保持納米材料超導，方案一中的冰水混合物溫度應調(diào)整至多低？2.理解方案二中光纖的基本原理，并解釋為什么這種光纖傳輸特定波段的光信號？3.在方案一中，若材料在0℃時發(fā)生小量斷開，試分析其電阻與溫度之間的關系。答案：1.由于納米材料的臨界溫度為9K，即相對溫度為9/273（以開爾文為單位），要保持其超導，溫度應調(diào)整至1K以下，即-272℃以下。2.方案二中光纖的基本原理是，光在光纖中的傳輸主要依賴于全內(nèi)反射現(xiàn)象。由于光纖材料的折射率和光纖的內(nèi)外結構設計，可以使光在纖維內(nèi)多次全內(nèi)反射，而損耗極小。選擇特定波段的光信號傳輸，是因為光纖材料的折射率與光波長有特定的關系，不