第二章氣體、液體和固體第六節(jié)

新材料粵教版（2019）高中物理選擇性必修第三冊一、半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。它有一個最重要的性質(zhì)，如果在純凈的半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，則其導(dǎo)電性能將會發(fā)生顯著變化，即半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可通過摻雜來控制。人們利用半導(dǎo)體這一特性制造出了各種不同用途的半導(dǎo)體電子器件。硅、鍺是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，95%以上的集成電路芯片都是在單晶硅片上制作的。隨著集成工藝的提高，其內(nèi)部元器件的工藝尺寸已縮小到幾個納米的大小，晶片上可集成超過10億個電子元器件。電路及電子元器件的高度集成，使得各種功能組件小型化、微型化成為可能?，F(xiàn)在一部手掌大的手機(jī),集成了光線、距離、重力、加速度、磁場、指紋等十幾種傳感器，以及多個功能模塊以支持通話、上網(wǎng)、導(dǎo)航、拍照等各種功能。近些年，半導(dǎo)體材料在太陽能發(fā)電、余熱發(fā)電領(lǐng)域成為科學(xué)研究的熱點。半導(dǎo)體制成的光伏材料能將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能。目前，人們致力于降低光伏材料成本和提高發(fā)電效率，使光伏發(fā)電的成本與傳統(tǒng)發(fā)電方式相當(dāng)，從而為大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造條件。半導(dǎo)體熱電材料是將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的材料，已在航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。在航天探測器上，人們采用熱電材料將放射性同位素衰變時放出的熱量轉(zhuǎn)化成電能來維持探測器電子設(shè)備的運(yùn)行。由于放射性同位素的半衰期較長，故能維持航天探測器長時間的運(yùn)行。迄今為止，半導(dǎo)體材料制造的電子產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于我們的生產(chǎn)、生活中，從雷達(dá)、火箭到電腦、手機(jī),從互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航到網(wǎng)絡(luò)購物、視頻聊天,都離不開半導(dǎo)體。正是半導(dǎo)體材料與技術(shù)的應(yīng)用，使得微電子等信息技術(shù)在21世紀(jì)迅速崛起，開創(chuàng)了人類信息化的全新時代。二、納米材料納米材料是當(dāng)今新材料研究最富有活力和影響力的領(lǐng)域。納米技術(shù)的應(yīng)用、使得人類能在原子水平操作物質(zhì)，從而更加自由地搬動原子和重組分子，組成具有特殊性能的新材料。納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1~100mm)或由它們作為重要單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10~100個原子緊密排列在一起的尺度。與宏觀物質(zhì)相比，納米材料通常硬度、韌性、延展性等力學(xué)性能更好，熔點、磁性、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性降低，對光和物質(zhì)具有更好的吸收和吸附性，化學(xué)活性大大增加。納米材料具有更強(qiáng)的韌性和強(qiáng)度以及H吸附性能、如碳納米管是非常細(xì)的中空管狀納米材料，其強(qiáng)度是鋼的100倍，而密度是鋼的1/6，故有人設(shè)想用碳納米管來制造從地球到人造衛(wèi)星的太空云梯。另外，圖2-6-4碳納米管碳納米管還能夠大量地吸附氫氣，就好像自帶許多個“納米鋼瓶”，如圖2-6-4所示。研究表明，常溫常壓下約2/3的氫氣能從碳納米管里釋放出來。據(jù)預(yù)測，對于現(xiàn)在正在研制的氫氣汽車，只需要攜帶1.5升左右的碳納米管，就可以行駛500千米。納米梯度材料的結(jié)構(gòu)單元尺寸（如晶粒尺寸）在空間上呈梯度變化，從納米尺度連續(xù)增加到宏觀尺度，能解決傳統(tǒng)工藝和材料中的一些難題。如在航天用的發(fā)動機(jī)中，燃燒室的內(nèi)表面需要耐高溫，其外表面卻要與冷卻劑接觸。當(dāng)用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結(jié)成形時，就能達(dá)到燃燒室內(nèi)側(cè)耐高溫、外側(cè)有良好導(dǎo)熱性的要求。納米材料能改變材料的表面活性和生物活性，可以用來制造冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等電器的內(nèi)壁或外殼，可以有效地防止微生物滋生，從而不留異味、易于清洗。在軍事上，將高分子纖維與納米氧化鋁、氧化硅、氧化鈦復(fù)合納米粉體以及鐵氧體磁性納米材料結(jié)合，形成的復(fù)合材料涂裝在飛機(jī)上，能對雷達(dá)起到很強(qiáng)的隱身作用。在醫(yī)學(xué)上，有科學(xué)家成功地研制了以納米磁性材料為載體的靶向藥物，可用于癌癥、血栓等各種疾病的診斷與治療。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)革命。三、超材料超材料一般定義為具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，是將人造單元結(jié)構(gòu)以特定方式排列形成的，具有特殊電、磁特征的人造結(jié)構(gòu)材料。典型的超材料包括左手材料、光子晶體、超磁性材料等。左手材料是指一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)值的材料。電磁波在其傳播時，由于波矢、電場和磁場符合左手定則，因此被稱為“左手材料”。左手材料可用于制造高指向性天線，用于聚焦微波波束，實現(xiàn)“完美透鏡”，或用于電磁波隱身及制造各種新型微波器件。光子晶體能使某一頻率范圍的電磁波不能在其內(nèi)部傳播，可用于控制光子的流動，制造光子晶體光纖、光子晶體微帶天線等。超常的物理特性使得超材料的應(yīng)用前景十分廣泛，應(yīng)用范圍覆蓋工業(yè)、軍事、生活等各個方面。比如，電磁超材料可以用于慢波結(jié)構(gòu)等元器件的制作。在應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域時，利用超材料的頻率選擇和負(fù)折射率特性，可以制造隱身涂層，實現(xiàn)射頻隱身，提高戰(zhàn)場生存能力。我國在超材料領(lǐng)域已取得了多項原創(chuàng)性成果，基于這些實驗成果展開的產(chǎn)業(yè)化也在不斷地加快，相信在不久的將來超材料會給人類社會的發(fā)展帶來新的變革。盡管新材料根據(jù)其功能或結(jié)構(gòu)的差異性可以分為有機(jī)材料、合成無機(jī)材料、復(fù)合材料以及人工超結(jié)構(gòu)材料等，然而，它們在分類上也可能有交叉。比如，太陽能電池材料具有人工異質(zhì)結(jié)構(gòu)，也是半導(dǎo)體材料，吸光層常常又是納米級別。因此，太陽能電池材料可以屬于人工超結(jié)構(gòu)材料中的納米材料類，也可以屬于新性能復(fù)合材料，還可以屬于無機(jī)功能新材料。

1.下列說法正確的是（）A．彩色液晶顯示器利用了液晶的光學(xué)性質(zhì)具有各向同性的特點B．石英、瀝青、明礬、食鹽、松香、蔗糖都是晶體C．?dāng)U散現(xiàn)象和布朗運(yùn)動的劇烈程度都與溫度有關(guān)，它們都是分子的運(yùn)動D．水的溫度升高，并不是每一個水分子的運(yùn)動速率都會增大D課堂練習(xí)2.關(guān)于固體、液體和物態(tài)變化，下列說法正確的是（）A．當(dāng)人們感到潮濕時，空氣的絕對濕度一定較大B．液晶具有液體的流動性和多晶體的各向異性C．一定質(zhì)量的理想氣體，在壓強(qiáng)不變時，氣體分子每秒對器壁單位面積平均碰撞次數(shù)隨著溫度升高而減少D．水的飽和汽壓隨溫度和體積的增大而增大C3.下列說法中正確的是（）A．液體表面分子受到與其接觸的氣體分子的斥力作用，使液體表面有收縮趨勢B．水銀不浸潤玻璃，是因為附著層里分子比液體內(nèi)部稀疏C．為了把地下水分引上來，要把地面上的土壤鋤松D．液晶可以用來做顯示屏，是因為它在一定條件下能夠發(fā)光B

4.關(guān)于固體、晶體、液晶、液體，下列說法正確的是（）A．晶體和液晶的性質(zhì)是完全相同的B．液晶就是液體，具有液體的所有性質(zhì)C．液晶是介于晶體與液體之間的一種中間態(tài)D．在相同的條件下，液體的擴(kuò)散速度比固體擴(kuò)散速度慢C5.分子動理論以及固體、液體的性質(zhì)是熱學(xué)的重要內(nèi)容，下列說法不正確的是（）A．用吸管將牛奶吸入口中是利用了毛細(xì)現(xiàn)象B．同溫度的氧氣和氫氣，它們的分子平均動能相等C．荷葉上的小露珠呈球形是由于液體表面張力的作用D．彩色液晶顯示器利用了液晶的光學(xué)性質(zhì)具有各向異性的特點A6.甲、乙、丙、丁四位同學(xué)組成合作學(xué)習(xí)小組，對晶體和液晶的特點展開了討論。他們的說法正確的是（）A．甲說，晶體有單晶體和多晶體，都具有天然規(guī)則的幾何外形B．乙說，多晶體是由許多單晶體雜亂無章地組合而成的，所以多晶體沒有固定的熔點C．丙說，液晶就是液態(tài)的晶體，其光學(xué)性質(zhì)與多晶體相似，具有各向異性D．丁說，液晶是一種在分子結(jié)構(gòu)上介于固體和液體之間的中間態(tài)，它具有液體的流動性，又像某些晶體那樣具有光學(xué)各向異性D7.下列說法正確的是（

）A．?dāng)U散現(xiàn)象可以在液體、氣體中進(jìn)行，不能在固體中發(fā)生B．已知水的密度和水的摩爾質(zhì)量，則可以計算出阿伏加德羅常數(shù)C．在完全失重的環(huán)境中，空中的水滴是個標(biāo)準(zhǔn)的球體D．液晶是介于固態(tài)和氣態(tài)之間的一種物質(zhì)狀態(tài)C8.下列四幅圖所涉及的物理知識，論述正確的是（）A．圖甲說明晶體都有確定熔點，且熔化過程分子平均動能變大B．圖乙水黽可以在水面自由活動，說明它所受的浮力大于重力C．圖丙液晶顯示器是利用液晶光學(xué)性質(zhì)具有各向異性的特點制成的D．圖丁中的醬油與左邊材料不浸潤，與右邊材料浸潤C(jī)9.關(guān)于下圖，下列說法正確的是（）A．圖甲中微粒越大，單位時間內(nèi)受到液體分子撞擊次數(shù)越多，布朗運(yùn)動越明顯B．圖乙中液晶分子排布有序，因此液晶材料不具備光學(xué)各向異性C．圖丙中當(dāng)分子間距離接近無窮大時，分子間作用力可以忽略不計D．圖丁中虛線為同一氣體溫度較高時的速率分布圖C10.下列說法正確的是（）A．布朗運(yùn)動是懸浮在液體中的固體分子所做的無規(guī)則運(yùn)動B．多晶體沒有確定的溶點C．液晶的光學(xué)性質(zhì)具有各向異性D．由于液體表面層中分子間的距離小于液體內(nèi)部分子間的距離，故液體表面存在表面張力C左手材料光子晶體超磁性材料課堂小結(jié)1.半導(dǎo)體材料2.納米材料3.超材料課堂訓(xùn)練1.關(guān)于固體、液體和氣體，下列說法正確的是（）A．固體可以分為晶體和非晶體兩類，非晶體和多晶體都沒有確定的幾何形狀B．液晶像液體一樣具有流動性，而其光學(xué)性質(zhì)與某些多晶體相似，具有各向同性C．在圍繞地球運(yùn)行的“天宮一號”中，自由飄浮的水滴呈球形，這是表面張力作用的結(jié)果D．空氣的相對濕度越大，空氣中水蒸氣的壓強(qiáng)越接近同一溫度時水的飽和汽壓ACD課堂訓(xùn)練2.關(guān)于晶體和非晶體的性質(zhì)說法正確的是（??）A．可以利用有無固定熔點來判斷物質(zhì)是晶體還是非晶體B．晶體在熔化時要吸熱，說明晶體在熔化過程中分子動能增加C．由同種元素構(gòu)成的固體，可能會由于原子的排列方式不同而成為不同的晶體D．液晶像液體一樣具有流動性，而其光學(xué)性質(zhì)和單晶體相似，具有各向異性E．單晶體和多晶體都表現(xiàn)為各向異性，非晶體則表現(xiàn)為各向同性ACD課堂訓(xùn)練3.下列有關(guān)液晶的一些性質(zhì)的說法中，正確的是（）A．液晶分子的空間排列是穩(wěn)定的B．液晶的光學(xué)性質(zhì)隨溫度而變化C．液晶的光學(xué)性質(zhì)隨所加電壓的變化而變化D．液晶的光學(xué)性質(zhì)隨所加壓力的變化而變化BCD課堂訓(xùn)練4.關(guān)于生活中的物理現(xiàn)象，下列說法中正確的是_________。A．冰箱制冷，說明熱量可以從低溫物體傳遞給高溫物體B．彩色液晶電視利用了液晶具有光學(xué)性質(zhì)各向異性的特點C．對能源的過度消耗會使自然界的能量不斷減少，因而存在“能源危機(jī)”D．泡茶時，開水比冷水能快速泡出茶香、茶色，是因為溫度越高分子熱運(yùn)動越劇烈E．水黽能停在水面上是因為受到浮力的作用ABD課堂訓(xùn)練5.以下說法中正確的是（）A．有些非晶體在一定條件下可以轉(zhuǎn)化為晶體B．如果在液體表面任意畫一條線，線