2025年下學(xué)期高中物理新材料試卷一、單項(xiàng)選擇題（每題4分，共28分）2025年南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)在鎳基超導(dǎo)材料研究中實(shí)現(xiàn)了常壓下40K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，其核心特征是（）A.電阻隨溫度升高線性增大B.零電阻與完全抗磁性同時(shí)出現(xiàn)C.僅在強(qiáng)磁場中表現(xiàn)超導(dǎo)性D.需依賴液氦維持超低溫環(huán)境碳納米管作為典型納米材料，其強(qiáng)度可達(dá)鋼的100倍，密度僅為鋼的1/6，這種特性主要源于（）A.量子尺寸效應(yīng)B.表面效應(yīng)C.宏觀量子隧道效應(yīng)D.介電常數(shù)異常智能手機(jī)芯片中廣泛使用的半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間，下列操作可使半導(dǎo)體電阻減小的是（）A.降低溫度至絕對零度B.光照強(qiáng)度增強(qiáng)C.施加反向電壓D.摻入三價(jià)元素形成P型半導(dǎo)體拓?fù)浣^緣體表面存在受拓?fù)浔Ｗo(hù)的導(dǎo)電邊緣態(tài)，即使存在晶格缺陷也不影響電流傳輸，這種特性可用于制造（）A.高損耗輸電線路B.抗干擾量子芯片C.普通家用保險(xiǎn)絲D.一次性電池電極某納米磁性材料的磁記錄密度為普通材料的10倍，若普通磁盤單碟存儲量為500GB，則相同尺寸的納米磁盤理論存儲量為（）A.50GBB.5000GBC.5TBD.50TB超導(dǎo)磁懸浮列車?yán)谩斑~斯納效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)無接觸運(yùn)行，當(dāng)列車速度為600km/h時(shí)，其懸浮間隙的磁場能量主要轉(zhuǎn)化為（）A.熱能B.電能C.機(jī)械能D.電磁輻射全碳?xì)饽z是目前世界上最輕的固體材料，密度僅為0.16kg/m3，一塊體積為1m3的氣凝膠置于水中（ρ水=1000kg/m3），所受浮力約為（）A.0.16NB.1.6NC.1600ND.16000N二、多項(xiàng)選擇題（每題5分，共15分）2025年新課標(biāo)要求高中物理實(shí)驗(yàn)需結(jié)合新材料特性，下列實(shí)驗(yàn)方案合理的有（）A.用納米陶瓷材料制作可彎曲的力學(xué)實(shí)驗(yàn)支架B.利用超導(dǎo)材料零電阻特性測量微小電流C.通過半導(dǎo)體霍爾元件測定磁場強(qiáng)度D.借助碳納米管的高導(dǎo)熱性研究熱傳遞規(guī)律鎳基高溫超導(dǎo)材料的臨界電流密度達(dá)1.2×10?A/cm2，若將其制成截面積為0.1cm2的導(dǎo)線，下列說法正確的有（）A.導(dǎo)線允許通過的最大電流為1.2×10?AB.導(dǎo)線在超導(dǎo)態(tài)下的焦耳熱功率為零C.該材料可直接用于常溫高壓輸電線路D.其超導(dǎo)性能由電子-聲子相互作用主導(dǎo)關(guān)于新材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用，下列說法正確的有（）A.納米金屬催化劑可提高汽車尾氣凈化效率B.超導(dǎo)磁體可用于污水處理中的重金屬離子分離C.半導(dǎo)體傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣中PM2.5濃度D.拓?fù)浣^緣體材料可降解塑料垃圾三、非選擇題（共57分）（一）實(shí)驗(yàn)題（12分）某小組探究“納米二氧化鈦薄膜的光催化性能”，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示（夾持裝置略）。（1）實(shí)驗(yàn)原理：納米TiO?在紫外光照射下產(chǎn)生電子-空穴對，空穴氧化水中有機(jī)物生成CO?和H?O。寫出甲基橙（C??H??N?SO?Na）被完全氧化的化學(xué)方程式：________________________。（2）關(guān)鍵步驟：①用________法（填制備方法）制備厚度為50nm的TiO?薄膜，通過________（填儀器名稱）測量薄膜厚度。②光照過程中，用紫外-可見分光光度計(jì)監(jiān)測甲基橙溶液的________變化，計(jì)算降解率。（3）數(shù)據(jù)處理：測得初始濃度為20mg/L的甲基橙溶液，光照2h后濃度降為2mg/L，該薄膜的降解速率為________mg/(L·h)。（4）誤差分析：若薄膜表面存在針孔缺陷，會導(dǎo)致降解率________（填“偏高”“偏低”或“不變”）。（二）計(jì)算題（15分）高溫超導(dǎo)帶材是磁共振成像（MRI）設(shè)備的核心部件。某型MRI磁體需產(chǎn)生1.5T的勻強(qiáng)磁場，采用上海超導(dǎo)公司生產(chǎn)的YBCO超導(dǎo)帶材（臨界電流密度Jc=2×10?A/cm2，厚度d=0.2mm）繞制螺線管線圈。（1）求單根帶材允許通過的最大電流Ic；（2）若螺線管長L=1m，匝數(shù)N=1000，忽略邊緣效應(yīng)，求所需最小帶材寬度w；（3）若磁體工作溫度為77K（液氮溫度），計(jì)算該磁體與傳統(tǒng)銅線圈（電阻R=10Ω，電流I=50A）相比，每小時(shí)節(jié)約的電能ΔE。（三）材料分析題（18分）閱讀下列材料，回答問題：鎳基超導(dǎo)材料的突破2025年2月，我國科學(xué)家在常壓下制備出鎳基高溫超導(dǎo)材料，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)40K，其晶體結(jié)構(gòu)如圖所示（NiO?層與SrO層交替排列）。通過“強(qiáng)氧化原子逐層外延”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了原子級精度的薄膜生長，氧分壓控制精度達(dá)10?3Pa，襯底溫度穩(wěn)定性±0.1K。（1）晶體結(jié)構(gòu)分析：①已知Ni2?的價(jià)電子排布式為3d?，超導(dǎo)態(tài)時(shí)部分Ni2?被氧化為Ni3?，則Ni3?的未成對電子數(shù)為________。②若晶胞參數(shù)a=3.8?（1?=10?1?m），計(jì)算NiO?層中Ni-Ni鍵的距離r=________?。（2）制備技術(shù)創(chuàng)新：①“強(qiáng)氧化原子逐層外延”技術(shù)中，氧分壓為10?3Pa相當(dāng)于________atm（1atm=1.01×10?Pa，保留兩位有效數(shù)字）。②襯底溫度波動±0.1K，換算為攝氏溫度波動范圍是________℃。（3）應(yīng)用前景評估：與銅基超導(dǎo)材料相比，鎳基材料的上臨界磁場超過50T，分析其在高場磁體領(lǐng)域的優(yōu)勢：________________________。（四）選考題（12分，任選一題作答）14A.【納米材料與器件】某納米傳感器的核心元件為ZnO納米線，其電阻隨氣體濃度變化的關(guān)系為R=R?(1+kC)，其中R?=100Ω，k=0.5ppm?1。當(dāng)傳感器置于CO濃度為20ppm的環(huán)境中時(shí)：（1）計(jì)算電阻變化量ΔR；（2）若采用惠斯通電橋測量該電阻，電源電壓U=3V，設(shè)計(jì)電路圖并計(jì)算電橋輸出電壓U?。14B.【超導(dǎo)與能源】我國首條高溫超導(dǎo)直流電纜示范工程輸電容量為2GW，輸電電壓U=200kV，若傳統(tǒng)電纜輸電損耗率為10%，超導(dǎo)電纜損耗率降至0.5%：（1）計(jì)算超導(dǎo)電纜的輸電電流I；（2）估算該工程每年（按365天計(jì)）節(jié)約的電能相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)量（q煤=3×10?J/kg）。參考答案及評分標(biāo)準(zhǔn)（注：實(shí)際試卷中不呈現(xiàn)答案，此處僅為示例完整性展示）B2.A3.B4.B5.C6.C7.CABCD9.AB10.ABC11.（1）C??H??N?SO?Na+16O?→14CO?+6H?O+NaHSO?+1.5N?（2分）（2）溶膠-凝膠法（1分）；原子力顯微鏡（1分）；吸光度（1分）（3）9（2分）（4）偏低（1分）12.（1）Ic=Jc·S=2×10?A/cm2×(0.1cm×0.02cm)=400A（5分）（2）由B=μ?nI得n=B/(μ?I)=1.5/(4π×10??×400)≈3×103匝/m，w=L·n/N=1×3×103/1000=3cm（5分）（3）ΔE=I2Rt=502×10×3600=9×10?J=25kWh（5分）13.（1）①3（2分）②2.69（2分）（2）①9.9×10??atm（2分）②-273.05~-272.85（2分）（3）更高的磁場承載能力，適用于緊湊型高場磁體（2分）14A.（1）ΔR=100×(1+0.5×20)-100=1000Ω（6分）（2）電橋電路圖（略），U?=1.5V（6分）14B.（1）I=P/U=2×10?W/2×10?V=1×10?A（6分）（2）ΔE=2×10?W×365×24h×9.5%=1.67×101?J≈5.57×10?kg（6分）命題說明內(nèi)容覆蓋：嚴(yán)格依據(jù)2025年新課標(biāo)要求，涵蓋納米材料、半導(dǎo)體、超導(dǎo)、拓?fù)洳牧纤拇箢?，涉及必修模塊“電磁學(xué)”“力學(xué)”及選擇性必修“現(xiàn)代物理初步”。核心素養(yǎng)：通過計(jì)算題（12題