2020年春基于核心素养中考物理特色专题——新材料及其应用问题含解

专题32 新材料及其应用问题
新材料及其应用是“物质”这个一级主题划分为四个二级主题当中的一个二级主题。这部分科学内容渗透在初中物理新教材很多章节里。中考出题分值虽然不高，但属于中考试卷里热点问题，希望同学们系统归纳总结。通过收集信息，了解一些新材料的特点及其应用。了解新材料的发展对人类生活和社会发展带来的影响。有合理利用资源、保护环境的意识。能在个人力所能及的范围内对社会的可持续发展有所作为。
1.在知识方面，考查学生能否说出一些新材料的特点，如半导体受温度、光照等外界因素影响的导电特性、超导体零电阻等特点。能否列举现代社会生活中各种新材料等的应用实例。
在过程体验方面，考查学生是否“经历”从图书馆、互联网上收集有关新材料研究和开发的信息过程。在此过程中，是否领悟到新材料的发展对人类生活和社会发展带来的影响，提高对科学、技术和社会关系的认识。
2.中考试题里，在考查重点上有：记忆合金；纳米材料；“绿色”能源；超导体等新材料的特点及其应用。也有考查合理利用资源、保护环境的培养学生情感态度与价值观方面的问题。
【例题1】当温度降低到足够低时，有些材料的电阻会变为零，这就是　　现象．利用这类材料输电，可最大限度地减少电能转化为　　（选填“核能”、“化学能”或“内能”）所造成的能量损失．
【答案】超导、内能．
【解析】某些物质在很低的温度时，如铝在﹣271.76℃以下，铅在﹣265.95℃以下，电阻就变成了零．这就是超导现象；
电流通过导体是会放出热量，所以导线上损失的电能转化为内能．
当温度降低到足够低时，有些材料的电阻变为零，这即为超导现象；
由焦耳定律可知，电流通过导体是会放出热量的；超导体的电阻为0，用超导体做输电导线时，电流通过导线产生的热量为0，所以利用超导材料输电，可最大限度地减少电能转化为内能所造成的能量损失．
【例题2】科学家发明一种由石墨烯制成的“排热被”，把它覆盖在电子元件上，能大幅度降低电子元件工作时的温度．这说明石墨烯具有良好的　　（选填“导电”或“导热”）性；用半导体材料制成的发光二极管具有　　导电的属性．
【答案】导热；单向．
【解析】石墨烯是一种新材料，它的物理性质是延展性好、导电性和导热性好、硬度大、熔点高等，根据它的这些特性结合题目中涉到的特性进行解题；半导体材料有许多独特的功能，例如二极管具有单向导电性．
石墨烯制成的“排热被”能排热，能大幅度降低电子元件工作时的温度，这说明石墨烯具有良好的导热性；用半导体材料制成的二极管具有单向导电性．
【例题3】为做好平昌冬奥闭幕式“北京8分钟”演员的防寒工作，主创团队采用了石墨烯智能发热服饰，确保演员穿着轻薄的演出服时不被冻伤，而且可以保证动作足够舒展，穿着舒适。下列相关分析不合理的是（　　）
A．石墨烯材料保温性能好 B．石墨烯是一种超导材料
C．石墨烯材料韧性好，超轻薄 D．石墨烯服饰材料质地柔软，硬度小
【答案】B
【解析】A.石墨烯电热膜施加电压后能够产生较高热量是因为它有良好的导热性，故A的分析不合理；
B.超导是指温度降到一定程度时导体电阻为0的现象，做演出服不需要超导材料，故B的分析不合理；
CD.要求保证动作足够舒展、穿着舒适，则石墨烯材料的韧性好、超轻薄，并且质地柔软，硬度小，故CD的分析合理。
一、选择题
1.巨磁电阻（GMR）效应是指某些材料的电阻在磁场中随磁场的增强而急剧减小的现象。如图是说明巨磁电阻特性原理的示意图，图中的GMR是巨磁电阻。在电源电压U不超过指示灯额定电压的条件下，闭合开关S1、S2，则（　　）
A．电磁铁A端是N极
B．电磁铁产生的磁感线不管外部还是内部都是从N极出发回到S极
C．向右滑动滑片P，GMR两端的电压增大
D．向左滑动滑片P，指示灯会变亮
【答案】ACD
【解析】（1）利用安培定则判断电磁铁的磁极；
（2）在磁体外部，磁感线是从N极出发回到S极；
（3）根据灯泡的亮度变化，能够确定电路中电流的变化，进而知道巨磁电阻的阻值与磁场强度的关系。
A.利用安培定则可知，右手握住螺线管，四指指向电流的方向，大拇指指向电磁铁的左端A为N极、右端B为S极。故A正确。
B.在磁体外部，磁感线是从N极出发回到S极；故B错误。
C.向右滑动滑片P，滑动变阻器接入电路的阻值变大，则电路的总电阻变大，由欧姆定律可知，电路电流减小，因此电磁铁磁性减弱，周围磁场减弱，GMB的阻值变大。则GMR两端的电压增大，故C正确；
D.由图可知，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，
由I=U/R可知，电路中的电流变大，此时电磁铁的磁性变强；
由右图可知，巨磁电阻和灯泡串联，
因电阻在磁场中随磁场的增强而急剧减小，
所以，此时巨磁电阻的阻值会变小，电路中的总电阻变小，
由I=U/R可知，电路中的电流变大，通过灯泡的电流变大，
因P=I2R，且灯泡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；故D正确。
2．下列关于材料、信息及能源的说法正确的是（　　）
A．纳米材料的基本单元大小限制在1﹣100μm范围内
B．同种材料制成的导体，其电阻大小只与长度有关
C．我国海域深处蕴藏的大量“可燃冰”属于可再生能源
D．用手机收看“华唐名师”的直播是利用电磁波来传递信息的
【答案】D
【解析】（1）纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应；
（2）根据影响电阻大小的因素进行分析，即导体的电阻与导体的长度、横截面积以及材料决定的；
（3）可以从自然界源源不断地得到的能源称之为可再生能源；一旦消耗就很难再生的能源称之为不可再生能源；
（4）根据电磁波的应用与传播的知识分析答题。
A.纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子。这大约相当于10～1000个原子紧密排列在一起的尺度，故A错误；
B.影响导体电阻的因素有：导体的长度、导体的横截面积、导体的材料以及温度，故B错误；
C.可燃冰不能在短期内从自然界得到补充，所以它们属于不可再生能源，故C错误；
D.手机是利用电磁波来传递信息的，故D正确。
3．清华大学的研究人员发明一种新型陶瓷，既可以像海绵一样变形，也能像陶瓷一样隔热、绝缘，同时具有超轻、高韧性等特点这种材料适合用来制造下列哪种物品（　　）
A．自行车的车架 B．新型消防服 C．输电导线 D．便携式水果刀
【答案】B
【解析】根据陶瓷的特点分析其用途。新型陶瓷，既可以像海绵一样变形，也能像陶瓷一样隔热、绝缘，同时具有超轻、高韧性等特点；
A.自行车的车架必须用坚硬的材料来制作，故A错误；
B.新型消防服的特点与该陶瓷的特点相同，故B正确；
C.该陶瓷不具有电阻小的特点，故不能用来制作输电导线，故C错误；
D.水果刀需要一定的硬度，故D错误。
4．各种新材料正在提高我们的生活品质，坚硬的纳米材料一石墨烯，就是其中的一种，它几乎是完全透明的，并有着出色的导电性和导热性。下列物体中不适合使用石墨场制作的是（　　）
A．防弹衣 B．隔热手套 C．电脑元件 D．太阳能电池
【答案】B
【解析】由材料知石墨烯具有坚硬、透明、导电性、导热性等物理性质；
A.防弹衣要求富有弹性，石墨烯的弹性较大，故A不符合题意；
B.隔热手套要求导热性能差，而石墨烯具有优良的导电性和导热性，不适合做保温隔热材料，故B符合题意；
C.石墨烯晶体管的传输速度快，应用于电脑元件，故C不符合题意；
D.石墨烯可用于制造更耐热的太阳能电池，故D不符合题意。
5．在北京8分钟的节目中，憨态可掬的大熊猫令人忍俊不禁。这只大熊猫是用一种特殊的铝合金材料制成的，它的高为2.35m，质量却只有10kg，它利用了铝合金的哪一种性质（　　）
A．质量小 B．密度小 C．比热容小 D．导热性能好
【答案】B
【解析】由题知，大熊猫是用一种特殊的铝合金材料制成的，它的高为2.35m，质量却只有10kg，也就是说它的体积很大，质量很小，根据ρ=可知，材料的体积相同时，密度越小，质量越小。所以它利用了铝合金密度小的性质。故ACD错误，B正确。
6.新材料的开发和应用是多方面的，当前主要是从两个方面去开发新材料，一是寻找一些特殊的物质在特定条件下出现的特性来加以应用；二是利用科学技术的进步将物质加工到一定的程度出现的特性来加以应用。下列新材料属于第二种情况的是 ( )
A．记忆合金 B.纳米材料 C.“绿色”能源 D.超导体
【答案】B
【解析】记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5%的马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫做"记忆合金"。当然它不可能像人类大脑思维记忆，更准确地说应该称之为"记忆形状的合金"。此外，记忆合金还具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点，因此应用十分广泛。绿色能源也称清洁能源，它可分为狭义和广义两种概念。 狭义的绿色能源是指可再生能源，如水能、生物能、太阳能、风能、地热能和海洋能。这些能源消耗之后可以恢复补充，很少产生污染。广义的绿色能源则包括在能源的生产、及其消费过程中，选用对生态环境低污染或无污染的能源，如天然气、清洁煤（将煤通过化学反应转变成煤气或“煤”油，通过高新技术严密控制的燃烧转变成电力）和核能等等；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。
二、填空题
7.2018年2月，CR929飞机首件全尺寸（15m×6m）复合材料机身壁板工艺件试制成功，标志着未来复合材料的使用，将减轻飞机重量，说明该复合材料的密度较　小　，如果采用传统材料﹣钢铁制作全尺寸（15m×6m）、厚度为5cm的平面壁板，则这样的壁板质量将达到　　t，壁板平面所承受的大气压力是　 　N．
【答案】小；35.1；4.545×105。
【解析】复合材料机身壁板工艺件试制成功，标志着未来复合材料的使用，将减轻飞机重量，即质量减小，相同体积说明该复合材料的密度较小；
由ρ=可得，壁板质量：
m=ρV=7.8×103kg/m3×15m×6m×0.05m=3.51×104kg=35.1t；
由p=F/S可得壁板平面所承受的大气压力：
F=pS=1.01×105pa×15m×6m×0.05m=4.545×105N。
8.把很多二极管，三极管和电阻等电子元件做在芯片上，就成了集成电路，其中二极管、三极管是用______材料制成的。随着科技的进步，未来的电子元件如果用______材料来制作，由于没有电阻，不必考虑散热问题，就可以实现电子设备的微型化。
【答案】半导体；超导体
【解析】把很多二极管，三极管和电阻等电子元件做在芯片上，常用的各种二极管，三极管是由半导体材料制成的，在社会各领域应用广泛；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。制造电子元件时，由于没有电阻，不必考虑散热问题。二极管由半导体材料制成，二极管具有单向导电的特性；可以根据超导材料的电阻为零这一特点来分析第二个问题。知道二极管，三极管是由半导体材料制成，并知道超导现象以及它的应用，这是本题考查的重点，属物理常识。9.某合金材料制成的解冻板，无需用水用电即可快速解冻食品，这是利用了该材
料　　性强的物理属性；边长为0.1m的由上述材料制成的正方体合金块质量为3kg，该材料的密度ρ=　　kg/m3，静置在水平地面上时对地面的压强p=　　Pa．g取10N/kg．
【答案】导热；3×103；3000．
【解析】（1）根据题目中“某合金材料制成的解冻板，无需用水用电即可快速解冻食品”可知，这是利用了该材料导热性强的物理属性；
（2）正方体合金块的体积：
V=（0.1m）3=1×10﹣3m3，
该材料的密度：
ρ===3×103kg/m3；
（3）正方体合金块静置在水平地面上时对地面的压力：
F=G=mg=3kg×10N/kg=30N，
对地面的压强：
p===3000Pa．
三、综合能力题
10.超市的塑料袋为市民购物提供了极大的方便，可同时又造成了“白色污染”，是否该取消超市方便袋呢？请你通过了解塑料袋的成分，在生产和使用过程中对环境造成的污染及市民的反应等方面，提出自己的合理建议。其建议如下：
建议一：（1）________________________________；
建议二：（2）________________________________；
建议三：（3）________________________________。
【答案】（1）影响农业发展。废塑料制品混在土壤中不断累积，会影响农作物吸收养分和水分，导致农作物减产。建议农民在田间使用后，及时收回并且焚烧；
（2）对动物生存构成威胁。抛弃在陆地上或水体中的废塑料制品，被动物当作食物吞入，导致动物死亡。建议在动物园旅游观光时，不要把塑料制品乱扔，要自己保存好；
（3）在城市、旅游区、水体和道路旁散落的废旧塑料包装物给人们的视觉带来不良刺激，影响城市、风景点的整体美感，破坏市容、景观，由此造成”视觉污染“。建议旅游景点要及时检查，不允许携带塑料制品进入。
（4）我们只有一个地球，从可持续发展的角度来说，限塑令将是一项造福后代子孙的措施。也许在不久的将来，塑料袋会从我们的生活中消失。?
【解析】本题通过学生对日常生活和生产实际中超市的塑料袋以及田间塑料的使用的调查，让学生有保护环境和合理利资源的意识，也考查学生敢于发表自己的见解、提出合理化建议的责任感使命感等。考查的目标属于过程体验领域中的“反应和领悟”水平。
11.阅读理解题
石墨烯—改变世界的神奇新材料
一片碳，看似普通，厚度为单个原子，却使两位科学家海姆和诺沃肖洛夫赢得2010年度诺贝尔物理学奖。这种全新材料名为“石墨烯”。
石墨烯不仅“最簿、最强”，作为电导体，它和铜有着一样出色的导电性；作为热导体，它比目前任何其他材料的导热效果都好。利用石墨烯，科学家能够研发一系列具有特殊性质的新材料。比如，石墨烯晶体管的传输速度远远超过目前的硅晶体管，因此有希望应用于全新超级计算机的研发；石墨烯还可以用于制造触摸屏、发光板，甚至太阳能电池。如果和其他材料混合，石墨烯还可用于制造更耐热、更结实的电导体，从而使新材料更薄、更轻、更富有弹性，从柔性电子产品到智能服装，从超轻型飞机材料到防弹衣，甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。因此其应用前景十分广阔。
（1）这种新材料属于 （填“导体”或“绝缘体”）。
（2）石墨烯应用于超级计算机的研发，是因为 。
（3）石墨烯的应用领域十分广泛，请你从材料中找出两例 。
【答案】（1）导体。（2）石墨烯晶体管的传输速度远远超过目前的硅晶体管。（3）柔性电子产品、智能服装、超轻型飞机材料、防弹衣、太空电梯等。
【解析】本题是考查新材料的特点及其应用。通过阅读能认识到新材料的发展和应用正在改变着人们的生活方式，提高了我们的生活质量，促进了社会的进步和发展。能正确理解短文含义，在短文中就能找到正确答案。考查的目标属于知识领域中的“了解”水平。
12.新型节能电炖锅的发热体是由PTC半导体陶瓷材料制成的，PTC的发热效率较高，它有一个人为设定的温度，低于设定温度时，其电阻值随温度升高而变小；高于设定温度时，其电阻值随温度升高而变大，从而可以自动调节电炖锅的温度和电功率．有一种型号电炖锅，其简化工作电路如图1所示，电源电压为220V，R0是定值电阻，Rt是PTC电阻，它的阻值随温度t的变化曲线如图2所示．炖汤时，汤水沸腾后，电炖锅能在较低功率档位长时间保持水的沸腾，这样既能节约用电，又能使炖出来的汤味道鲜美且不失营养，此时Rt的温度为110℃，电炖锅功率为440W．求：
（1）当Rt的温度为50℃时，Rt的阻值；
（2）当Rt的温度约为110℃时，电炖锅的工作电流；
（3）Rt的温度从20℃升高到110℃的过程中，电炖锅的最大功率．
【答案】（1）当Rt的温度为50℃时，Rt的阻值为60Ω；
（2）当Rt的温度约为110℃时，电炖锅的工作电流为2A；
（3）Rt的温度从20℃升高到110℃的过程中，电炖锅的最大功率为880W．
【解析】（1）由PTC电阻阻值随温度t的变化曲线，当Rt的温度为50℃时，Rt的阻值为60Ω；
（2）Rt的温度为110℃，电炖锅功率为440W，根据P=UI，电炖锅的工作电流：
I===2A；
（3）由欧姆定律I=，在（2）中，电路的总电阻：
R===110Ω，
因Rt的温度为110℃时，由PTC电阻阻值随温度t的变化曲线知，此时Rt=105Ω，根据电阻的串联规律，定值电阻：
R0=R﹣Rt=110Ω﹣105Ω=5Ω；
Rt的温度从20℃升高到110℃的过程中，由PTC电阻阻值随温度t的变化曲线知，当温度为80°C时，Rt的阻值最小为R′t=50Ω，此时电路中的总电阻最小，电炖锅的最大功率：
P大===880W．