1、二级主题04 新材料及其应用（精练）新材料及其应用二级主题综合训练题一、选择题1.（2020四川成都）年仅24岁的成都青年曹原，解决了困扰世界物理学家多年的难题，取得了在石墨烯超导领域中的重大突破。超导材料不能用来制作（）A. 电热丝B. 电磁铁C. 电动机线圈D. 输电导线【答案】A【解析】超导材料的电阻为0，根据Q=I2Rt可知，超导材料不会产生热量，故不能用来制作电热丝；可以用来制作电磁铁，使磁性更大；可以用来制作电动线圈、输电导线减小电能的损耗。故A符合题意，BCD不符合题意。2.（2020江苏连云港）2020年新冠病毒席卷全球，疫情之下，医用口罩人人必备，下列关于医用口罩材料的说法正
2、确的是（）A. 面料具有较强的过滤性B. 面料具有较好的导电性C. 鼻梁上的压条应选用可塑性差的材料D. 鼻梁上的压条应选用密度大的材料【答案】A【解析】AB医用口罩对微小带病毒气溶胶或有害微尘的过滤效果显著，材料面料具有较强的过滤性，面料不需要导电，不需要面料具有较好的导电性，故A正确，B错误；CD鼻梁上的压条弯折后不易折断，应选用可塑性好的材料，鼻梁上的压条质量小一些，体积相同条件下，选用密度小的材料，故CD错误。3.（2020湖北荆门）我国年仅22岁的优秀青年科学家曹原研究发现：当两层石墨烯以一个“魔角”叠加在一起时，再加入一定数量的电子，石墨烯的电阻突然变为0，此现象中石墨烯是( )A
3、绝缘体 B导体 C半导体 D超导体【答案】D【解析】由题意知，石墨烯的电阻突然变为0，这是超导体具备的现象，可见此现象中的石墨烯是超导体。故应选D。4.（2020湖南岳阳）石墨烯又称单层墨，它仅由一层碳原子组成，具有许多奇特的属性，包括极强的拉力，优良的导电性和导热性，硬度最大，熔点超过3000等，这种高新材料有可能代替硅成为新的半导体材料。发现石墨烯的两位俄裔科学家因此获2010年诺贝尔物理学奖。根据石墨烯的特性，你认为石墨烯不能用来制成 ( )A高压输电线 B坚韧的防弹衣 C发光二极管 D保温隔热材料【答案】D 【解析】由于石墨烯具有优良的导电性和导热性，所以可以利用石墨烯制成高压输电线；
4、石墨烯有极强的拉力，硬度最大，所以可以制成坚韧的防弹衣；石墨烯这种高新材料有可能代替硅成为新的半导体材料，因此可以用来制成发光二极管；根据石墨烯优良的导热性，不能用来制成保温隔热材料。故D符合题意为答案。5.现代建筑多采用中空双层玻璃窗隔热。实验表明：中空双层玻璃窗的隔热性能与两层玻璃间空气压强有关。实验测得中空双层玻璃内外温差与中间空气压强关系如图所示,则中空双层玻璃中间空气压强（）A等于大气压强时，没有隔热效果B小于10-1pa时，隔热效果变差C在10-1102pa时，隔热效果最好D等于10-3pa时的隔热效果比104pa时好【答案】D 【解析】中空双层玻璃内处温差越大，说明热传递效果越不
5、好，则隔热效果越好。A.等于大气压时，中空双层玻璃内外温差最小，隔热效果最差，不是没有隔热效果，故A错误；B.小于10-1pa时，中空双层玻璃内外温差最大，隔热效果最好，故B错误；C.在10-1102pa时，中空双层玻璃内外温差适中，隔热效果适中，故C错误；D.中空双层玻璃内外温差随玻璃中间空气压强的增大而减小，即玻璃中间气压越大，隔热效果越差，所以等于10-3pa时的隔热效果比104pa时好，故D正确。6.“纳米材料”出现成了人们谈论的热门话题，关于“纳米材料”的说法正确的是（）A人们找到了一种特殊的“纳米材料”制成了“纳米抗菌奶瓶”B“纳米防水布”是利用纳米能防水的特性制成的C某些物质的尺
6、度加工到1-100nm，它们的物理性质或化学性能发生了异常变化，这就是纳米材料D只要认真的去探究寻找还可以找到许许多多的纳米材料【答案】C 【解析】当某些物质的尺度加工到1-100nm，它们的物理性质或化学性能发生了异常变化，这就是纳米材料。7.（2019大连）新材料的研发和利用极大促进了现代科技的发展，也密切影响整个人类社会生活方式的变化，下面关于各种新材料的叙述中错误的说法是（）A. 提到纳米材料，所指的“纳米”实际上是一种很小的微粒B. 用超导材料制造的电子元件，可不必考虑元件的散热问题C. 智能手机芯片等体积的微型化得益于一种纳米材料的研发D. 计算机芯片制造所用的材料与发光二极管都是
7、半导体材料【答案】A【解析】“纳米”是一个长度单位，与原子直径的数量级差不多大；超导材料的特点就是在温度很低时电阻为零。当电阻为零时用超导材料传输电能可以减少热损耗，用作输电导线或制作电子元件。根据焦耳定律，电热是克服电阻做功产生的。制造电子元件时，由于没有电阻，不必考虑散热问题；半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。本题主要考查学生对新型的材料的了解和掌握，是一道基础题。A.纳米材料，纳米科学技术是现代科学技术前沿，“纳米”是一个很小的长度单位，纳米科学的研究对象是原子等微观粒子，故A错误；B.超导材料的特点就是在温度很低时电阻为零，根据焦耳定律，电热是克服电阻做功产生的。在制造电子元件时，
8、由于其电阻为零，所以不必考虑散热问题，故B正确；C.智能手机芯片所占空间体积极小，空间尺度在纳米级，所以属于纳米材料，故C正确；D.半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，计算机芯片制造所用的材料与发光二极管都是半导体材料，故D正确。8.（2019福建）材料科学的发展正在影响着我们的生活，下列关于材料应用的说法中正确的是( )A. 利用钨丝做灯丝，是因为钨的熔点高B. 利用半导体材料可以制成性能优良的输电线C. 利用超导材料做电热丝，电热丝发热效果会更好D. 利用液态氢做火箭的燃料是因为它的密度小【答案】A【解析】钨丝的熔点高，用做灯泡的灯丝，不会因灯泡发光温度升高而熔化。输电线应使用电阻小的材
9、料，以减少能量的损失。焦耳定律：，超导材料的电阻为0，用做电热丝时，不会发热。燃料的热值越大，燃烧相同质量的燃料时，产生的内能就越大。A.利用钨丝做灯丝，是因为钨的熔点高，灯泡发光时不会熔化，故A正确。B.输电线应该用电阻小的材料，不能使用半导体材料，故B错误。C.利用超导材料做电热丝，电热丝不会发热，故C错误。D.利用液态氢做火箭的燃料是因为它的热值大，故D错误。二、填空题1.（2019云南）近年来开发的和材料，能够制造出大面积的太阳能电池，发电的效率提高、成本下降，1m2的面积可以提供100多瓦的电力。【答案】多晶硅非晶硅.【解析】太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生
10、光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。晶体硅太阳能电池的制作过程：“硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。自从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。2.纳米技术是指纳米
11、尺度内的科学技术，它是现代科学技术的前沿，纳米是单位，1nm =m。【答案】长度，110-9。【解析】了解长度的基本换算关系，熟练记忆这些关系。1m =10dm, 1dm=10cm, 1cm=10mm, 1mm= 1000um,1um=1000nm1m=1103mm=1106um=1109nm1nm =110-9m。3.汽车各转向灯都是LED灯，其核心元件是发光二极管，二极管的作用是_，制作二极管的核心材料是_。【答案】单向导电性 半导体【解析】LED灯核心元件是发光二极管，制作二极管的核心材料是半导体，它具有单向导电性。故答案为：单向导电性；半导体。二极管是由半导体做成的器件，它具有单向导电
12、性。4.我们在日常生活中长期使用的干电池具有轻便的优点，但只能使用一次，丢弃后会；铅蓄电池能反复使用，但是又了；用锂做的电极制造出的锂离子电池，它具有体积，质量，能够多次充电，对环境污染等特点。最理想的绿色能源是。【答案】污染环境；太笨重；小、轻、小。太阳能。【解析】使用新材料锂离子电池主要好处是体积小、质量轻、污染小。太阳能是绿色能源，是今后世界需要开发使用的重要新能源。5.（2020湖北黄石）在抗击新型冠状病毒疫情期间，所有的公共场都必须要凭手机扫码进入，扫描器中光敏二极管的主要材料_填“导体”、“半导体”或“绝缘体”；如图是电磁学中很重要的两个实验，其中_图的实验装置原理可以制造出发电机
13、。【答案】半导体 乙【解析】当光照发生变化时，由半导体材料做成的光敏电阻的阻值可发生变化，则可以感知条形码，而其它材料都不具有此种性质；甲图有电源，是通电导体在磁场中受力的作用实验，闭合开关，导体中有电流通过，将受力运动，在此过程中，将电能转化为机械能，根据这个原理制成了电动机；乙图没有电源，是电磁感应实验，闭合开关S，当导体ab在磁场中做切割磁感线运动时，电路中会有感应电流产生，电流表指针偏转，将机械能转化为电能。根据这个现象制成了发电机。6.（经典题）记忆合金的主要成分是和，它的物理性质是当温度达到一定的数值时材料内部的结构会发生变化，从而导致了的变化。【答案】镍钛，晶体，形状。【解析】（
14、1）形状记忆合金:形状记忆合金：加热后能随意拉长和扭曲，冷却后形状不变；再次加热可恢复到原来形状。（2）主要成分是：镍和钛；（3）物理特性：当温度达到某一数值时，材料内部的晶体结构会发生变化，从而导致了外形的变化.7.（2019黑河）电视遥控器前端的发光二极管可以发出不同的_选择“红外线或紫外线”，实现对电视的遥控。二极管采用_材料选择“半导体或导体”。【答案】红外线 半导体【解析】红外线可以进行遥控；电视机的遥控器的前端有一个发光的二极管，可以发射红外线，用它来传递信息，实现对电视的控制；常用的二极管、三极管中的主要材料都是半导体，电视遥控器前端的发光二极管也是采用半导体材料制成的。8.（2
15、019海南）硅、锗等半导体材料的导电能力比铜、铁等金属的导电能力_(选填“强”或“弱”)。某些物质在温度很低时，电阻变为_，这就是超导现象。如果能制造出常温下的超导体，它可以在下列哪些情境得到应用_(选填序号)。用作电吹风的电热丝用作白炽灯的灯丝用作输电线缆【答案】弱。 0，【解析】一般材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动几乎消失，材料的电阻趋近于0，此时称为超导体，达到超导的温度称为临界温度。高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。9.（2020山东潍坊）巨磁电阻（GMR）效应是指某些材料的电阻随磁场增大急剧减小的现象如
16、图是巨磁电阻特性原理示意图，GMR是巨磁电阻，电源电压恒定，当开关S1、S2都闭合时，滑动变阻器滑片P向左滑动时，电流表示数将（“变大”、“变小”或“不变”），指示灯的亮度将（“变亮”、“变暗”或“不变”）【答案】变大；变亮【解析】由左图可知，滑动变阻器的滑片P向左滑动过程中接入电路中电阻变小，总电阻减小电源电压恒定，由I= U/R可知，电路中的电流变大，即电流表示数变大；因电磁铁磁性的强弱与线圈匝数和通过的电流有关，且匝数不变，通过的电流越大，磁性越强，所以，此时电磁铁的磁性变强；由右图可知，巨磁电阻和灯泡串联，由I=U/R可知，可知电路中的电流变大，通过灯泡的电流变大，因为P=I2R且灯泡
17、的亮暗取决于实际功率的大小，所以，灯泡的实际功率变大，灯泡变亮10.（2020长沙）石墨烯被称为“黑金”、“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”.如图所示，利用石墨烯制成的只有一个碳原子厚度，约为0.335nm的二维碳膜，是目前最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料.该二维碳膜的厚度为_m，按照导电性能划分，它属于_（选填“导体”或“绝缘体”）.【答案】3.3510-10 （或0.33510-9）导体【解析】第一空.1nm=109m, 0.335nm=0.335109m=3.351010m.第二空.由题知，该二维碳膜是导电导热性能最强的一种新型纳米材料，因此属于
18、导体.三、阅读理解题1.如图所示的电动剃须刀，闭合开关时，指示灯亮，同时刀头转动；对调电池两极重新安装，再闭合开关，发现指示灯不亮，而刀头反向转动，由此可以判断：（1）指示灯与电动机在电路中是串联还是并联？（2）指示灯不亮是因为发光二极管具有什么特性？（3）电动机的工作原理是什么？【答案】（1）并联（2）单向导电性（3）通电导体在磁场中的受到力的作用。（1）闭合开关时，灯亮、电动机转动；对调电池两极后，指示灯不亮，电动机转动，这说明指示灯和电动机都能各自独立工作，在电路中是并联的；（2）闭合开关时，指示灯亮，对调电池两极，电流的方向发生了变化，开关闭合后指示灯不发光，这现象说明：发光二极管具有
19、单向导电性。（3）电动机通电后能够运转，其原理是通电导体在磁场中的受到力的作用。2.阅读短文，回答问题：半导体的应用半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料发光二极管（LED）是半导体二极管的一种，具有单向导电性当二极管两端外加正向电压时，如果正向电压很小，正向电流也几乎为零，当正向电压大于某个值以后，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升当二极管两端外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流几乎为零，二极管处于截止状态外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿因而使用时应避免二极管外加的反向电压
20、过高（1）如图甲是一种常见的LED手电筒，发光元件由5个发光二极管并联组成，每个发光二极管的额定电流为30mA，它的能量是由可反复充电使用的电池提供，且LED灯发光的颜色会随电压的变化而变化，如表格所示将一个LED与50的定值电阻R串联，已知电源电压为4.2V保持不变，闭合开关S，毫安表（为读数更精确的电流表）的读数为20mA，此时LED灯发出色的光两端的电压/V22.43.2LED灯的颜色红黄蓝（2）如图乙所示为某发光二极管中的电流随它两端电压变化的曲线图甲可知，当该二极管两端的正向电压为0.2V时，二极管处于（接通/截止）状态；当该二极管两端的反向电压为50V时，二极管将（会/不会）被击穿
21、。该发光二极管两端的正向电压为0.5V时的电阻（大于/等于/小于）正向电压为0.7V时的电阻（3）某家用插座用一只“2V100mA”发光二极管（与一定值电阻串联在电路中）作为指示灯将该插座接在家庭电路中，指示灯正常发光，则在200s内电流通过该发光二极管所做的功J【答案】（1）蓝（2）截止；会。大于（3）40【解析】（1）一个LED与50的定值电阻R串联，由I=UR可得，定值电阻R两端的电压：UR=IR=2010-3A50=1V，因串联电路中总电压等于各分电压之和，所以，LED灯两端的电压：ULED=U-UR=4.2V-1V=3.2V，由表格数据可知，此时LED灯发出蓝色的光（2）二极管电流为
22、0，截止状态。反向电压为50V时，二极管将会被击穿。二极管两端的正向电压由0.5V增大为0.7V时，电流随电压增大而迅速上升，电阻迅速减小。所以该发光二极管两端的正向电压为0.5V时的电阻大于正向电压为0.7V时的电阻（3）在200s内电流通过该发光二极管所做的功W=UIt=2V100mA200s=40J四、综合应用题1我国“华为”公司是当今世界通讯领域的龙头企业，在手机及其它通讯设备的设计制造方面掌握了诸多高新科技成果。以手机为例，华为“Mate 20 pro”不仅采用4200mAh超大容量电池，并且采用“超级快充”技术，不到半小时可把电池充达一半以上，极大方便了人们的使用。已知该电池的部分
23、参数如表所示。电池名称锂离子电池电压3.7V容量4200mAh（1）表格中的电池“容量”，是哪几个物理量进行了怎样运算的结果？（2）如图所示的两个充电器，一个标注“输出5V 600mA”，另一个标注“输出5V 4A”，其中有一个是快速充电器。假设充电效率为90%，选用快速充电器将电池从零充满需要多少分钟？（3）有人发现，超级快充的充电线比普通手机充电线要粗一些，请你从线路安全的角度来分析为什么有这样的区别。【答案】（1）表格中的电池“容量”是电流与时间的乘积；（2）需要51.8min；（3）充电线较粗可以减小电阻，在充电过程中产生的热量较少。【解析】（1）已知电池的容量是“4200mAh”，m
24、A是电流的常用单位，h是时间的常用单位，所以“容量”是电流与通电时间的乘积；（2）两个充电器的充电功率分别为：P1U1I15V0.6A3W，P2U2I25V4A20W，所以第二个的充电速度快；电池充满电储存的电能为：W储U电池Q3.7V4.2A3600s55944J，已知充电效率为90%，则消耗的电能：W充=62160J；由P可得，选用快速充电器将电池从零充满需要的时间：t=W充/P262160J/20W=3108s51.8min；（3）充电器的充电线有电阻，由焦耳定律知，工作过程中会产生热量；充电线尽可能做得粗一些，目的是减小电阻，使充电过程中产生的热量少一些。2某电热水器具有加热和保温功能
25、，其工作原理如图甲所示。其中控制电路中的电磁铁线圈电阻不计，R为热敏电阻，热敏电阻中允许通过的最大电流Ig15mA，其阻值R随温度变化的规律图象如图乙所示，电源电压U恒为6V，当电磁铁线圈中的电流I8mA时，电磁铁的衔铁被吸下，继电器下方触点a、b接触，加热电路接通：当电磁铁线圈中的电流I8mA时，继电器上方触点c接触，保温电路接通，热敏电阻R和工作电路中的三只电阻丝R1、R2、R3，均置于储水箱中，U2220V，加热时的功率P加热2200W，保温时的功率P保温110W，加热效率90%，R22R1，水的比热容，c水4.2103J/（kg），水箱内最低温度为0。（1）为使控制电路正常工作，保护电
26、阻R0的阻值至少为多大？若R0为该值，试求热水器刚开始保温时水的温度。（2）电阻丝R1、R2、R3的阻值分别为多少欧姆？（3）该热水器在加热状态下，将44kg、20的水加热到50需要多少时间？【答案】（1）为使控制电路正常工作，保护电阻R0的阻值至少为450；若R0为该值，热水器刚开始保温时水的温度为70。（2）电阻丝R1、R2、R3的阻值分别为33、66、374；（3）该热水器在加热状态下，将44kg、20的水加热到50需要2800s。【解析】（1）由题意可知，热敏电阻中允许通过的最大电流I015mA，电源电压U16V，控制电路中最小值是R总小400，当水箱内最低温度为0时，热敏电阻阻值最小
27、，R最小，R最小100。保护电阻R0的最小值，保护电阻阻值至少为R0R总小R最小400100300，热水器刚开始保温时，控制电路中的总电阻R总750，热敏电阻的阻值为：RR总R最小750300450，由图乙可知，此时水温为70；（2）由题意和电路图知：衔铁被吸下时，R1、R2并联，电热水器处于加热状态，P加热+2200W，且R22R1，所以+2200W，2200W，2200W，解得：R133，R22R123366；根据题意可知，电磁继电器上方触点和触点c接通时，电热水器处于保温状态，则由电路图知，此时R2、R3串联，根据电阻的串联特点和欧姆定律可得保温功率：P保温110W，即110W，解得：R3374；（3）水吸收的热量：Q吸cm（tt0）4.2103J/（kg）44kg（5020）5.544106J：根据热效率公式可得，加热电路消耗的能量：W6.16106J，加热时间：t2800s。
