上海市北虹高中2019-2020学年高中物理沪科版选修3-3：3.4半导体材料和纳米材料 同步练习（含解析）

3.4半导体材料和纳米材料
1．磁悬浮列车需要很强的磁场，因此线圈中的电流将非常大．用超导材料做磁悬浮线圈主要是因为（ ）
A．超导线圈强度大
B．只有超导线圈才能产生强磁场
C．低于临界温度时，超导线圈无电阻不发热
D．低于临界温度时，超导线圈有电阻但不发热
2．有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能是(　　)
A．金属导体
B．绝缘体
C．半导体
D．超导体
3．下列关于电阻率的叙述，错误的是(　　)
A．当温度极低时，超导材料的电阻率会突然减小到零
B．常用的导线是用电阻率较小的铝、铜材料做成的
C．材料的电阻率取决于导体的电阻、横截面积和长度
D．金属材料的电阻率随温度变化而变化
4．当电路中的电流超过熔丝的熔断电流时，熔丝就会熔断。由于种种原因，熔丝的横截面积略有差别，那么，熔丝熔断的可能性较大的是（ ）
A．同时熔断
B．可能是横截面积大的地方，也可能是横截面积小的地方
C．横截面积大的地方
D．横截面积小的地方
5．石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新型纳米材料，2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖．石墨烯的结构非常稳定，碳碳键仅为1．42?，它内部碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持稳定的结构．石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，电阻率约10﹣6Ω?cm，比铜或银的电阻率更小，为当今发现电阻率最小的材料，石墨烯的应用范围广阔，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等，石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，利用石墨烯加入电池电极材料中可以大大提高充电效率，并且提高电池容量．通过阅读上述材料，推断下列说法中不正确的是（ ）
A．石墨烯的厚度数量级为10﹣10m
B．用石墨烯做成的电池储存电能的性能大大增加
C．石墨烯和金刚石是同位素
D．用石墨烯可以实现像报纸一样可以卷起来的平板电脑
6．下列说法中正确的是(　　)
A．由可知，电阻与电压、电流都有关系
B．由可知，电阻只与导体的长度和横截面积有关系
C．各种材料的电阻率都与温度有关，金属的电阻率随温度的升高而减小
D．所谓超导现象，就是当温度降低到接近绝对零度的某个临界温度时，导体的电阻率突然变为零的现象
7．关于材料的电阻率，下列说法中正确的是（　　）
A．导体的电阻率与导体的长度成正比，与导体的横截面积成反比，还与导体材料有关
B．金属导体的电阻率随温度的升高而增大
C．纯金属的电阻率比合金的电阻率小
D．产生超导现象时，材料的电阻为零，但材料的性质没有变，材料的电阻率不为零
8．对于常温下一根阻值为R的均匀金属丝，下列说法中正确的是（ ）
A．常温下，若将金属丝均匀拉长为原来的10倍，则电阻变为10R
B．常温下，若将金属丝从中点对折起来，电阻变为R
C．给金属丝加上的电压逐渐从零增大到U0，则任一状态下的比值不变
D．把金属丝温度降低到绝对零度附近，电阻率会突然变为零
9．如图所示的电路中，当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时，电流表示数增大，则说明
A．热敏电阻在温度越高时，电阻越大
B．热敏电阻在温度越高时，电阻越小
C．半导体材料温度升高时，导电性能变差
D．半导体材料温度升高时，导电性能变好
10．关于电阻率，下列说法中正确的是（ ）
A．有些材料的电阻率随温度的升高而减小
B．电阻率大的导体，电阻一定大
C．用来制作标准电阻的材料的电阻率几乎不随温度的变化而变化
D．电阻率与导体的长度和横截面积有关
11．关于电阻率，下列说法中不正确的是（ ）．
A．电阻率是表征材料导电性能好坏的物理量，电阻率越大，其导电性能越好
B．各种材料的电阻率都与温度有关，金属的电阻率随温度升高而增大
C．所谓超导体，当其温度降低到接近绝对零度的某个临界温度时，它的电阻率突然变为零
D．某些合金的电阻率几乎不受温度变化的影响，通常都用它们制作标准电阻
12．下列关于电阻和电阻率的说法中，不正确的是（ ）
A．导体对电流的阻碍作用叫做导体的电阻，因此只有导体中有电流通过时才有电阻
B．由可知导体的电阻与导体两端的电压成正比，跟导体中的电流成反比
C．将一根导线等分为二，则半根导线的电阻和电阻率都是原来的二分之一
D．某些金属、合金和化合物的电阻率随温度的降低会突然减小为零，这种现象叫做超导现象.发生超导现象时的温度叫“转变温度”
13．关于电磁现象，下列说法正确的是
A．MP3的耳机是把电信号转化为声信号
B．煤气灶电子打火针尖做成球形比做成针尖状好，有利于和空气接触
C．连接电路的导线一般用电阻率较小的铝或者铜制作，必要时可在导线上镀银
D．丽水某地的避雷针，打雷时电流方向向下，地磁场的作用使其受到安培力方向向西
14．下列说法正确的是（ ）
E．生产半导体器件时，需要在纯净的半导体材料中掺入其他元素，可以在高温条件下利用分子的扩散来完成
A．外界对封闭气体做功时，气体内能可能增大
B．晶体熔化时吸收热量，分子平均动能一定增大
C．空调既能制热又能制冷，说明在不自发地条件下热传递方向性可以逆向
D．“油膜法估测分子大小”的实验中，估算油酸分子直径用的是油酸酒精溶液的体积除以油膜的面积
15．对于一根阻值为R的均匀金属丝，下列说法中正确的是(　　)
A．电阻率是表征材料导电性能好坏的物理量，电阻率越大，其导电性能越好
B．某些合金的电阻率几乎不受温度变化的影响，通常用它制作标准电阻
C．给金属丝加上的电压逐渐从零增大到U0，则任一状态下的比值不变
D．把金属丝温度降低到绝对零度附近，电阻率会突然变为零
16．下列有关电阻的说法正确的是
A．由 可知，导体两端的电压升高，导体的电阻就变大
B．由可知，电阻的大小与导体的长度和横截面积都有关系
C．半导体的伏安特性曲线不是直线，所以不是线性元件
D．用超导体做成的导体，电阻为零，所以不发热
17．根据导电性能可以把物质分为导体、半导体和绝缘体．在玻璃杯、电炉丝、橡胶手套、热敏材料，这些物品中利用半导体材料制成的是__________，20世纪初，科学家发现有些物质在温度很低时，如铝在1.39K（-271.76℃）以下，电阻就变成零，这就是______现象
18．根据导电性能可以把物质分为导体、半导体和绝缘体．在发光二极管、塑料尺、玻璃棒、金属箔片、铅笔芯、橡胶棒、钢卷尺这些物品中，利用半导体材料制成的是_______．金属导体的电阻会随着温度的降低而减小，当温度降低到一定程度时，电阻会减小到零，这就是超导现象．超导现象是20世纪的重大发现之一，超导现象应用于实际，会给人类带来很大的好处，请你写出超导现象应用于实际的一个例子：_________________________
19．（1）如图所示，图甲是电阻为R半径为r的金属圆环，放在匀强磁场中，磁场与圆环所在平面垂直，图乙是磁感应强度B随时间t的变化关系图像（B1B0t0均已知），求：
a．在0-t0的时间内，通过金属圆环的电流大小，并在图中标出电流方向；
b．在0-t0的时间内，金属圆环所产生的电热Q．
（2）超导体在温度特别低时电阻可以降到几乎为零．将一个闭合超导金属圆环水平放置在匀强磁场中，磁感线垂直于圆环平面，逐渐降低温度使超导环发生由正常态到超导态的转变后突然撤去磁场，此后若环中的电流不随时间变化，则表明其电阻为零．为探究该圆环在超导状态的电阻率上限，研究人员测得撤去磁场后环中电流为I，并经一年以上的时间t未检测出电流变化．实际上仪器只能检测出大于ΔI的电流变化，其中，当电流的变化小于ΔI时，仪器检测不出电流的变化，研究人员便认为电流没有变化．设环的横截面积为S，环中电子定向移动的平均速率为v，电子质量为m、电荷量为e，环中定向移动电子减少的动能全转化为圆环的内能．试用上述给出的各物理量，求超导状态的电阻率上限ρ．
参考答案
1．C
【解析】
线圈强度与是否是超导体无关，故A错误；只要电流大就能产生强磁场，故B错误；达到临界温度时，超导体电阻变为零，根据Q=I2Rt可知，产生热量为零，减小能量损耗，超导材料做磁悬浮线圈正是用了超导体的这一特性，故C正确，D错误．故选C．
2．C
【解析】
大部分金属导体随着温度的升高电阻增大，绝缘体电阻不变，超导体无电阻；而半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。根据半导体对热敏感的特性可制成热敏电阻，故C正确，ABD错误。
3．C
【解析】
A.当温度极低时，超导材料的电阻率会突然减小到零，故选项A不符合题意；
B.铝、铜的电阻率较小，故常用的导线是用铝、铜材料做成的，故选项B不符合题意；
C.材料的电阻率取决于导体的材料和温度，与导体的电阻、横截面积和长度无关，故选项C符合题意；
D.材料的电阻率取决于导体的温度，故材料的电阻率随温度变化而变化，故选项D不符合题意。
4．D
【解析】
本题的关键是根据电阻定律可知，在长度相同的地方，横截面积小的地方电阻较大，再根据焦耳定律不难判断横截面积小的地方熔丝熔断的可能性较大。
【详解】
通过熔丝的电流相同，根据焦耳定律Q=I2Rt和电阻定律可知，在长度L相同的地方，横截面积越小电阻R越大，则产生的热量就越多，就越容易烧断，故D正确。
故选：D。
【点睛】
本题关键是明确超导体、导体、半导体、绝缘体的概念，明确其区别。
5．C
【解析】
试题分析：A、石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新型纳米材料，故厚度等于原子的直径，故其数量级为10﹣10m，故A正确；B、根据题意“利用石墨烯加入电池电极材料中可以大大提高充电效率，并且提高电池容量”可知，用石墨烯做成的电池储存电能的性能大大增加，故B正确；C、石墨烯和金刚石是同素异形体，不是同位素，故C错误；D、根据题意“当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持稳定的结构”，用石墨烯可以实现像报纸一样可以卷起来的平板电脑，故D正确；本题选不正确的，故选C。
考点：阿伏加德罗常数；电阻定律．
6．D
【解析】
【分析】
【详解】
A．是电阻的定义式，R与电压和电流无关，故A错误；
B．而是电阻的决定式，即电阻与ρ、l、S都有关系，故B错误；
C．电阻率一般与温度有关，金属的电阻率随温度的升高而增大，故C错误；
D．当温度降低到接近绝对零度的某个临界温度时，导体的电阻率突然变为零的现象叫超导现象，故D正确。
故选D。
7．BC
【解析】
【分析】
【详解】
A．电阻率的大小与温度和材料本身都有关，与长度和横截面积无关，故A错误；
B．金属导体的电阻率随温度的升高而增大，故B正确；
C．电阻率跟导体的材料有关是反映材料导电性能好坏的物理量，纯金属的电阻率小，合金的电阻率较大，故C正确；
D．产生超导现象时，超导体的电阻率为零，对电流的阻碍作用为零，故D错误。
故选BC。
8．BD
【解析】
试题分析：导体的电阻 R 与它的长度 L 成正比，与它的横截面积 S 成反比，还与导体的材料有关系，这个规律叫电阻定律．公式：R=
ρ﹣﹣制成电阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆?米 （Ω?m）；
L﹣﹣绕制成电阻的导线长度，国际单位制为米 （m）；
S﹣﹣绕制成电阻的导线横截面积，国际单位制为平方米（m2）；
R﹣﹣电阻值，国际单位制为欧姆 （Ω）．
其中 ρ 叫电阻率：某种材料制成的长 1 米、横截面积是 1 平方米的导线的电阻，叫做这种材料的电阻率．是描述材料性质的物理量．国际单位制中，电阻率的单位是欧姆?米，常用单位是欧姆?平方毫米/米．与导体长度 L，横截面积 S 无关，只与物体的材料和温度有关．有些材料的电阻率随着温度的升高而增大，有些恰好相反．
解：A、常温下，若将金属丝均匀拉长为原来的10倍，横截面积减小为0.1倍，电阻率不变，根据电阻定律，电阻增大为100倍，故A错误；
B、常温下，若将金属丝从中点对折起来，长度变为一半，横截面积变为2倍，故电阻变为倍，故B正确；
C、给金属丝加上的电压逐渐从零增大到U0，由于功率增加，导致温度会略有升高，故金属丝的电阻率会变大，由于截面积和长度均不变，根据电阻定律可得电阻值变大；再根据欧姆定律可以得到比值变大，故C错误；
D、金属电阻率会随温度的降低而降低，当温度降低到绝对零度附近时，电阻率会突然降为零，发生超导现象，故D正确；
故选BD．
【点评】本题关键要能熟练运用电阻定律，同时要明确电阻率的物理意义和温度对其的影响．
9．BD
【解析】
试题分析：电流表的示数增大，说明电路中的电流增大，电阻减小，所以这个热敏电阻的电阻率是随温度的升高而降低的；半导体材料的电阻值在其他条件不变时升高温度，导电性能变好，故选项B、D正确．
考点：热敏电阻；全电路欧姆定律.
【名师点睛】此题是对热敏电阻及全电路欧姆定律的考查；关键是知道热敏电阻的特点：热敏电阻的电阻率是随温度的升高而降低；根据电路中电流的变化分析总电阻的变化，然后分析热敏电阻的变化；半导体材料的电阻值在其他条件不变时升高温度，导电性能变好．
10．AC
【解析】
【详解】
A．有些材料的电阻率随温度的升高而减小，如半导体材料，故A正确；
B．电阻率由材料决定，电阻与材料、长度和截面积都有关，故电阻率大的导体，电阻不一定大，故B错误；
C．有些合金的电阻率几乎不受温度变化的影响，可以用来制成标准电阻，故C正确；
D．电阻率是描述材料导电能力的物理量，材料的电阻率由材料本身性质决定，与材料长度和横截面积无关，受温度影响；故D错误。
11．BCD
【解析】
电阻率是表征材料导电性的物理量，电阻率越大，则电阻越大，导电性能越差；故A错误．各种材料的电阻率都与温度有关，金属导体的电阻率随温度升高而增大．故B正确．超导体是指当温度降低到接近绝对零度的某一临界温度时，它的电阻突然变为零．故C正确．有些合金的电阻率几乎不受温度的影响，通常用它们制成标准的电阻．故D正确．故选BCD．
12．ABC
【解析】
【详解】
A.电阻是导体对电流的阻碍作用，是导体本身的一种特性；其大小与导体的材料、长度、横截面积、温度有关；而与导体两端有无电压、电压高低，导体中有无电流、电流大小无关，故AB错误；
C.导线的电阻率有材料本身的特性决定，与导体的电阻、横截面积、长度无关，将一根导线等分为二，则半根导线的电阻是原来的一半，但电阻率不变，故C错误；
D.由超导现象的定义知，某些金属、合金和化合物的电阻率随温度的降低会突然减小为零，这种现象叫做超导现象，发生超导现象时的温度叫“转变温度”，故D正确．
13．AC
【解析】
试题分析：MP3的耳机是把电信号转化为声信号，选项A正确；煤气灶电子打火针尖是利用尖端放电来引燃煤气的，故应做成针尖状好，选项B错误；连接电路的导线一般用电阻率较小的铝或者铜制作，必要时可在导线上镀银，可减小电阻和发热量，选项C正确；丽水处于北半球，地磁场的水平分量向北，由左手定则，打雷时电流方向向下，地磁场的作用使其受到安培力方向向东，选项D错误．
考点：电磁现象．
14．ACE
【解析】
试题分析：根据热力学第一定律△U=W+Q，外界对气体做功，W＞0，由于不知道气体是吸热还是放热，无法确定气体的内能增加还是减小，故A错误；分子平均动能在理想情况下只与温度有关，非晶体在熔化过程中温度是变化的，晶体熔化过程中温度是不变的，因此分子平均动能不变，故B错误；空调制冷是因为消耗电能而使压缩机工作，而不是热量自发地从低温物体传到高温物体，不能说明不存在方向性，故C正确；“油膜法估测分子大小”的实验中，估算油酸分子直径用的是油酸酒精的体积除以油膜的面积，故D错误；在真空、高温条件下，可以利用分子扩散向半导体材料掺入其他元素，利用提高温度来加快扩散过程，故E正确．
考点：热力学第一定律，热力学第二定律，分子的平均动能，油膜法估测分子大小，分子的扩散
15．BD
【解析】
【分析】
【详解】
电阻率是表征材料导电性能好坏的物理量，电阻率越大，材料的导电性能越不好，故A错误；某些合金的电阻率几乎不受温度变化的影响，通常用它制作标准电阻；故B正确；金属丝的电阻随温度的升高而增大；故电压增大时，比值增大；故C错误；把金属丝温度降低到绝对零度附近，电阻率会突然变为零的现象为超导现象；故D正确；故选BD．
【点睛】
此题关键是知道电阻率是描述材料导电能力的物理量，材料的电阻率由材料本身性质决定，与材料长度和横截面积无关，受温度影响．
16．BCD
【解析】
A、B项：导体的电阻取决于本身的性质，与导体两端电压无关，故A错误，B正确；
C项：伏安特性曲线为曲线为非线性元件，所以半导体不是线性元件，故C正确；
D项：由于超导体的电阻为零 ，所以电流流过超导体不会发热，故D正确．
17． 热敏材料； 超导
【解析】（1）玻璃杯、橡胶手套是绝缘体；电炉丝是导体；热敏材料是半导体；
（2）20世纪初，科学家发现有些物质在温度很低时，如铝在1.39K（-271.76℃）以下，电阻就变成零，这就是超导现象；
18． 发光二极管； 利用超导体可以制造出磁悬浮列车，使列车与路轨之间脱离接触，不产生摩擦．
【解析】导电性能介于导体与绝缘体之间的叫半导体，利用半导体制成的典型物品即是发光二极管，其它的都为导体或绝缘体；超导现象应用于实际的例子很多，例如磁悬浮列车、发电机和电动机中的超导线圈等等．
19．（1）a．；方向沿逆时针；b．；
（2）．
【解析】
试题分析：（1）a．由法拉第电磁感应定律得
=
联立解得：方向沿逆时针
b．得
（2）设圆环周长为l、电阻为R，由电阻定律得
设t时间内环中电流释放焦耳热而损失的能量为，由焦耳定律得
设环中单位体积内定向移动电子数为n，则
式中n、e、S不变，只有定向移动电子的平均速率的变化才会引起环中电流的变化，电流变化大小取时，相应定向移动电子的平均速率的变化得大小为，则
设环中定向移动电子减少的动能总和为，则
由于，可得
因为环中定向移动电子减少的动能全转化为圆环的内能．
联立上述各式，得
考点：电磁感应，超导体，电阻率．