11.6 材料及其应用简介 课件 -2022-2023学年高二下学期物理沪科版（2020）选择性必修第三册

11.6材料及其应用简介 一、材料对人类社会的影响 每一种重要材料的开发和应用,都把人类文明推向一个新的阶段。 石器时代 青铜时代 铁器时代 信息时代 石头 石器虽硬却容易断裂,不易加工。 效率低下,生产力发展极其缓慢。 青铜 原始社会 合金材料,制作成本较高。 给农业和手工业生产以更强大的力量。用于生产数量少。 夏、商、西周时期 铁 带来了相对发达的生产力,促进了中华文明的发展。 战国晚期 新材料 半导体材料促进了计算机技术的发展 耐高温高强度的结构材料推动了航天技术的发展 低消耗的光导纤维引领了光纤通信技术的发展 材料已经与信息、能源一起,被当今国际社会公认为现代文明的三大支柱。 二、材料的种类 ①结构材料主要利用材料的力学特性 ②功能材料主要利用材料的声、光、热、电、磁等特性。 1、按照材料的特性,可将材料分为结构材料和功能材料两类。 2、按照材料的应用领域,又可将材料分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。 3、习惯上,人们把材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。 二、材料的种类 ①金属材料 金属材料一般包括金属与合金。合金是由两种或两种以上的金属,或者金属与非金属结合而成的具有金属特性的材料。 例如,钢是铁和碳的合金,再加上铬就成了不锈钢,不锈钢具有很强的耐腐蚀,广泛用于制造餐具、外科手术器械及化工设备等。 ②无机非金属材料 无机非金属材料主要有陶瓷和玻璃等。 传统的陶瓷材料主要用于制造碗、碟、卫生洁具等日常生活用品。如今,陶瓷新材料有惊人的耐腐蚀性能,能耐受强碱氢氧化钠、几乎所有的无机酸及有机酸的腐蚀,同时它又是一种高性能的电绝缘材料,在现代工业和航空航天领域得到了广泛的应用。 二、材料的种类 ③有机高分子材料 有机高分子材料是由含碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素的有机化合物构成的材料。塑料、合成纤维和合成橡胶这三大合成高分子材料,已经成为生产和生活中必不可少的重要材料。 例如,人工合成的有机玻璃不但具有玻璃的各种优点,而且非常坚韧,即使受到猛烈撞击也不易破碎,可用于制造飞机的座舱盖及汽车的挡风玻璃,还可用于制造文具、乐器(图2-30)和工艺品等。 二、材料的种类 ④复合材料 复合材料是由以上几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既能保留原组成材料的主要优点,又能通过复合效应获得原组合成分所不具备的性能,还可通过材料设计使各组合成分的性能互相补充并彼此关联,从而获得新的优越性能。 例如,玻璃钢、碳纤维和陶瓷复合材等新型复合材料具有强度高、耐腐蚀、刚性好、质量轻等优良特性,在许多方面都得到了应用(图2-31)。 1、各向异性:单晶体在不同的方向上不仅导热性能不同,而且机械强度、导电性能和光的折射率等其他物理性质也不同,这类现象称为各向异性。 2、各向同性:非晶体沿各个方向的物理性质都是一样的,这叫作各向同性。多晶体一般情况下是各向同性的。 二、晶体的微观结构 (1)1848年,法国物理学家布拉维提出空间点阵假说,认为晶体内部的微粒是有规则地排列着。 (2)1912年,德国物理学家劳厄利用X射线进行晶体衍射实验证实假说。 【思考问题】为什么晶体的形状和物理性质会与非晶体不同? (3)1982年,人们用扫描隧道显微镜观察到物质表面原子的排列。 有的物质在不同条件下能够生成不同的晶体。 石墨是层状结构,层与层之间距离较大,原子间的作用力比较弱,所以,石墨质地松软 金刚石中碳原子间的作用力很强,所以,金刚石有很大的硬度; 在晶体中,原子(或者分子、离子)并不是静止不动的。它们在不停地振动,图中所画的那些点,是它们振动的平衡位置。 【讨论与交流】如图所示是一个平面上晶体微粒排列的情况。请观察沿不同方向单位长度上微粒的数目是否相同,并思考引起晶体各向异性的原因。 1、晶体和非晶体在适当条件下是可以转化的; 2、组成晶体空间点阵的粒子可以是离子、原子、分子等不同粒子。 二、晶体的微观结构 基础知识 绝缘体 一、半导体:指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。 基础知识 一、半导体:指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。 基础知识 纯净的半导体:本征半导体 典型半导体材料:硅、锗、砷化镓等 (一)特点: 1.半导体的导电性可以通过掺杂来控制 基础知识 本征半导体 基础知识 五价磷原子 自由电子(-) N型半导体:自由电子浓度大于本征半导体 三价硼原子 空穴(+) P型半导体:空穴浓度大于本征半导体 $