2.3 材料及其应用-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

第3节　材料及其应用 [学习目标]　1.了解材料对人类社会的影响。2.了解材料的种类(重点)。3.了解半导体、纳米材料、石墨烯等几种新型材料的应用前景(重点)。 一、材料对人类社会的影响 时代 工具材料 特点 对生产力的影响 产生年代 石器时代 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。 原始社会 青铜时代 青铜 合金材料，制作成本较高，硬度偏低 给农业和手工业生产以更强大的力量 夏、商、西周时期 铁器时代 铁 坚硬、韧性高、锋利，胜过石器和青铜器 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 信息时代 新材料 举例：(1)半导体材料促进了计算机技术的发展 (2)耐高温高强度的结构材料推动了航天技术的发展 (3)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 现代 二、材料的种类 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。 (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。 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。 (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。 (2)无机非金属材料：主要有陶瓷和玻璃等。 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。 (3)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。 (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。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1　(多选)习惯上，人们把材料分为(　　) A．金属材料 B．无机非金属材料 C．生物材料 D．有机高分子材料 答案　ABD 例2　(多选)下列说法中正确的是(　　) A．不锈钢具有很强的耐腐蚀性，广泛应用于制造餐具、外科手术器械及化工设备 B．有机高分子材料是碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素的有机化合物构成的材料 C．复合材料则是由几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料 D．玻璃钢不是复合材料 答案　ABC 解析　玻璃钢、碳纤维和陶瓷复合材料等都是新型的复合材料，D错误，A、B、C正确。 针对训练1　(多选)下列关于材料的说法正确的是(　　) A．金属材料是指金属及其合金，通常合金的性能优于纯金属 B．合成橡胶、合金都属于复合材料 C．塑料属于有机高分子材料 D．玻璃是无机非金属材料 答案　ACD 解析　金属材料主要是指金属及其合金，一般来讲，合金的性能优于金属单质，所以日常的应用中，合金比金属单质使用得更广泛，选项A正确；合金属于金属材料，而塑料、橡胶都属于有机高分子材料，选项B错误，C正确；玻璃属于无机非金属材料，选项D正确。 三、材料的应用 1．半导体 (1)半导体是具有优异特性的微电子材料。从导电性能上看，半导体的电阻率介于金属导体(电阻率＜10－3 Ω·m)和绝缘体(电阻率＞1012 Ω·m)之间。 (2)微电子工业中使用的半导体材料主要是硅和砷化镓。硅的机械强度高，结晶性好，在自然界中储量丰富，成本低，是制造晶体管和集成电路的主要材料。 2．纳米材料 (1)纳米是长度单位，1 nm＝10－9 m。粒度在1～100_nm的材料称为纳米材料。 (2)碳纳米管是目前纳米材料研究领域的热点之一。碳纳米管是由碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几纳米到几十纳米，管壁厚度仅为几纳米。它的成分和石墨一样，但韧性很高，导电性极强，兼具金属和半导体的特性。 3．石墨烯 (1)石墨烯：由单层原子构成的材料，碳原子之间相互连接成六角网格。 (2)石墨烯的特性：优异的光学、电学、力学特性，是已知强度最高的材料之一，并且能弯曲，有很好的韧性。 (3)用途：①制作传感器；②制作晶体管；③作为柔性显示屏的基础材料。 例3　(多选)下列认识正确的是(　　) A．纳米是一种尺寸很小的材料，是纳米材料的简称 B．粒度在1～100 nm的材料称为纳米材料 C．纳米是一个长度单位 D．纳米材料的奇特效应使纳米材料表现出不同于传统材料的良好性能 答案　BCD 例4　(2022·江苏省高二期中)如图所示为石墨、石墨烯的微观结构，石墨烯是单层的石墨，可以通过剥离石墨而获得，是现有材料中厚度最薄、强度最高、导热性最好的新型材料。下列说法正确的是(　　) A．单层石墨烯的厚度约在厘米数量级 B．石墨烯可以通过物理方法获得 C．石墨和石墨烯中的碳原子都固定在六边形的顶点不动 D．石墨烯熔化过程中吸热，碳原子的平均动能增加 答案　B 解析　单层石墨烯的厚度为纳米数量级，故A错误；由题意可知，可以通过剥离石墨而获得石墨烯，所以石墨烯可以通过物理方法获得，故B正确；石墨和石墨烯中的碳原子是运动的，故C错误；石墨烯是晶体，熔化过程中吸热，温度不变，碳原子的平均动能不变，故D错误。 针对训练2　(多选)石墨烯是从石墨中分离出来的单原子层石墨，它具有超强导电、导热的性能。下列关于石墨烯的说法正确的是(　　) A．石墨烯属于一种新型化合物 B．石墨烯的碳原子之间存在间隔 C．石墨烯可作散热材料 D．石墨烯可作为电池的电极 答案　BCD 解析　石墨烯是从碳中分离出来的单原子层石墨，是一种碳单质，A错误；构成石墨烯的碳原子之间存在间隔，B正确；石墨烯具有超强导电、导热的性能，可用作散热材料和电池的电极，C、D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$