2025年高三物理上学期“物理材料”中的物理知识考查卷

2025年高三物理上学期“物理材料”中的物理知识考查卷一、单项选择题（共8小题，每题6分，共48分）1.材料力学性能与牛顿运动定律的综合应用某新型航空材料的拉伸试验中，材料样品在恒力作用下产生0.2mm的弹性形变。已知样品横截面积为1×10⁻⁴m²，弹性模量（杨氏模量）E=2×10¹¹Pa，根据胡克定律F=kx与应力-应变关系σ=Eε（σ=F/S，ε=Δx/L），若样品原长L=0.1m，则该恒力大小为（）A.40NB.400NC.4×10³ND.4×10⁴N解析：由胡克定律F=kx与应力-应变关系σ=Eε可得：k=ES/L=（2×10¹¹Pa×1×10⁻⁴m²）/0.1m=2×10⁸N/m则F=kx=2×10⁸N/m×0.2×10⁻³m=4×10⁴N，答案D。2.超导材料与电磁感应现象高温超导材料YBa₂Cu₃O₇在液氮环境（77K）下电阻趋近于零。将其制成半径为0.1m的圆环，置于磁感应强度B=0.5T的匀强磁场中，磁场方向垂直于环面。若突然撤去磁场（Δt=0.01s），环中产生的感应电流大小为（）A.0AB.7.96AC.79.6AD.无法计算解析：根据法拉第电磁感应定律E=ΔΦ/Δt=Δ(BS)/Δt=Bπr²/Δt代入数据得E=0.5×π×(0.1)²/0.01≈1.57V因超导电阻R=0，由I=E/R可知电流理论上无穷大，但实际超导环存在临界电流，题目未给出时默认理想模型，答案A。3.纳米材料的表面张力现象将直径2μm的纳米玻璃球轻轻置于水面，水面产生的表面张力使小球悬浮。已知水的表面张力系数γ=0.073N/m，接触点形成的圆周周长L≈πd，则表面张力的合力约为（）A.4.6×10⁻⁷NB.4.6×10⁻⁶NC.4.6×10⁻⁵ND.4.6×10⁻⁴N解析：表面张力合力F=γL=γπd=0.073×π×2×10⁻⁶≈4.6×10⁻⁷N，答案A。4.复合材料的动量守恒应用质量为2kg的碳纤维复合材料板，以3m/s的速度与静止的普通钢板（质量1kg）发生弹性碰撞，碰撞后复合材料板的速度为（）A.1m/sB.2m/sC.3m/sD.0m/s解析：弹性碰撞满足动量守恒m₁v₁=m₁v₁'+m₂v₂'和动能守恒(1/2)m₁v₁²=(1/2)m₁v₁'²+(1/2)m₂v₂'解得v₁'=(m₁-m₂)v₁/(m₁+m₂)=(2-1)×3/(2+1)=1m/s，答案A。5.半导体材料的霍尔效应N型半导体薄片（载流子为电子）置于垂直纸面向里的磁场中，通入从左向右的电流I，已知霍尔系数RH=-1×10⁻³m³/C，薄片厚度d=0.1mm，宽度b=1cm，若测得霍尔电压UH=-0.1mV，则磁感应强度B为（）A.0.1TB.0.5TC.1TD.2T解析：由霍尔电压公式UH=RHIB/d得B=UHd/(RHI)=（-0.1×10⁻³V×0.1×10⁻³m）/（-1×10⁻³m³/C×1A）=0.01T，答案A。6.弹性材料与机械波传播某弹性材料制成的弦线中传播横波，其波动方程为y=0.02sin(10πt-πx)（m）。若该材料的线密度μ=0.1kg/m，则弦线的张力T为（）A.10NB.25NC.100ND.250N解析：由波动方程得角频率ω=10πrad/s，波数k=πrad/m，波速v=ω/k=10m/s由v=√(T/μ)得T=μv²=0.1kg/m×(10m/s)²=10N，答案A。7.磁性材料与磁场力计算钕铁硼永磁体（NdFeB）的磁感应强度B=1.2T，将其制成边长0.1m的立方体，与长直导线（电流I=5A）相距0.2m放置，导线所受安培力大小为（）A.0.3NB.0.6NC.3ND.6N解析：永磁体产生的磁场近似匀强磁场，导线有效长度L=0.1m（与磁场垂直）F=BIL=1.2T×5A×0.1m=0.6N，答案B。8.压电材料与能量转换压电陶瓷在压力作用下产生的电荷量Q与压力F成正比（Q=dF，d为压电系数）。某型号压电材料d=1×10⁻¹¹C/N，当受到100N压力时，若将其与1μF电容串联，则电容两端电压为（）A.1×10⁻⁶VB.1×10⁻³VC.1VD.1000V解析：Q=dF=1×10⁻¹¹C/N×100N=1×10⁻⁹CU=Q/C=1×10⁻⁹C/1×10⁻⁶F=1×10⁻³V，答案B。二、多项选择题（共4小题，每题6分，共24分）9.新型合金材料的热力学性质某记忆合金在温度升高时发生马氏体相变，其比热容c随温度T的变化如图所示。下列说法正确的有（）A.相变过程中合金吸收热量但温度不变B.相变前后合金的内能变化量ΔU=Q+WC.由c=Q/(mΔT)可知，相变时比热容趋近于无穷大D.该过程违反热力学第一定律解析：相变过程中温度不变但吸收潜热，A正确；热力学第一定律ΔU=Q+W适用于所有过程，B正确；相变时ΔT=0，c理论上无穷大，C正确；答案ABC。10.光纤材料与光的传播单模光纤的纤芯折射率n₁=1.45，包层折射率n₂=1.43，光在真空中速度c=3×10⁸m/s。关于光纤通信，下列说法正确的有（）A.光在纤芯中的传播速度v=2.07×10⁸m/sB.发生全反射的临界角C=arcsin(n₂/n₁)≈80.5°C.若光以30°入射角（与轴线夹角）射入纤芯，将在包层界面发生全反射D.光纤通信利用了光的偏振现象解析：v=c/n₁=3×10⁸/1.45≈2.07×10⁸m/s，A正确；临界角C=arcsin(n₂/n₁)=arcsin(1.43/1.45)≈80.5°，B正确；入射角30°时，折射角θ满足sinθ=sin30°/n₁≈0.345，界面入射角90°-θ≈55.5°<C，不会全反射，C错误；光纤通信利用全反射，D错误；答案AB。三、实验题（共2小题，共28分）11.材料弹性形变的探究实验（14分）某同学用“拉伸法测金属丝杨氏模量”实验装置，探究新型铝合金材料的弹性性能，步骤如下：（1）用螺旋测微器测量金属丝直径d，示数如图1所示，读数为______mm；（2）已知金属丝原长L=1m，当挂上500g钩码时，光杠杆反射镜使标尺读数变化Δx=3cm，光杠杆常数（镜面到标尺距离D=2m，后足尖到前足尖距离l=7cm），则应变ε=ΔL/L=（结果保留两位有效数字）；（3）若计算得杨氏模量E=7×10¹⁰Pa，分析该值小于理论值的可能原因：。答案：（1）0.520mm（螺旋测微器固定刻度0.5mm，可动刻度2.0×0.01mm=0.020mm）；（2）ε=ΔL/L=Δxl/(2D)=（3×10⁻²m×7×10⁻²m）/（2×2m）≈5.25×10⁻⁴≈5.3×10⁻⁴；（3）金属丝存在塑性形变、光杠杆足尖未完全固定。12.超导材料的零电阻特性实验（14分）用如图2所示电路探究超导材料的电阻特性，已知电源电动势E=3V，内阻r=1Ω，超导样品电阻Rₓ，保护电阻R₀=100Ω：（1）未浸入液氮时，电流表示数I=20mA，样品电阻Rₓ=Ω；（2）浸入液氮后，电流表示数变为I'=2.97A，此时样品电阻Rₓ'≈Ω，说明超导材料；（3）若将电源更换为交流电源，实验现象为。答案：（1）Rₓ=E/I-R₀-r=3V/0.02A-100Ω-1Ω=49Ω；（2）Rₓ'=E/I'-R₀-r≈3V/2.97A-100Ω-1Ω≈-100Ω（实验误差范围内视为0），电阻趋近于零；（3）产生感应电流，但因超导零电阻，电流不会衰减。四、计算题（共2小题，共46分）13.复合材料桥梁的力学分析（22分）某跨海大桥采用碳纤维复合材料箱梁结构，单根箱梁长L=30m，截面简化为矩形（高h=2m，宽b=1m），材料密度ρ=1.5×10³kg/m³，弹性模量E=3×10¹¹Pa。（1）计算箱梁自重产生的最大弯曲正应力σ_max（提示：σ=My/I，其中M=qL²/8，q=ρghb，I=bh³/12）；（2）若车辆通行时箱梁承受附加弯矩M'=1×10⁶N·m，为保证安全，需控制总应力不超过材料屈服强度σ_s=5×10⁸Pa，计算允许的最大附加弯矩增量ΔM。解析：（1）线荷载q=ρVg/L=ρbhLg/L=ρbgh=1.5×10³×1×2×9.8≈2.94×10⁴N/m跨中最大弯矩M=qL²/8=2.94×10⁴N/m×(30m)²/8≈3.315×10⁶N·m截面惯性矩I=bh³/12=1×2³/12≈0.667m⁴σ_max=My/I=3.315×10⁶N·m×1m/0.667m⁴≈4.97×10⁶Pa≈5×10⁶Pa（2）总弯矩M_total=σ_sI/y=5×10⁸Pa×0.667m⁴/1m≈3.335×10⁸N·mΔM=M_total-M-M'=3.335×10⁸-3.315×10⁶-1×10⁶≈3.29×10⁸N·m14.电磁材料的能量转换应用（24分）某电磁弹射装置利用超导线圈产生强磁场，推动金属滑块（质量m=10kg）在导轨上运动。已知线圈磁感应强度B=5T，滑块有效长度L=2m，通入电流I=1×10⁴A，导轨长度s=50m，忽略摩擦与空气阻力：（1）计算滑块所受安培力F及加速度a；（2）若电流随时间变化I=kt（k=2×10³A/s），求t=5s时滑块的速度v；（3）分析该过程中能量转化形式，并计算t=5s内系统消耗的总电能。解析：（1）F=BIL=5T×1×10⁴A×2m=1×10⁵Na=F/m=1×10⁵N/10kg=1×10⁴m/s²（2）由I=kt得F=BktL，加速度a=F/m=BkLt/m速度v=∫adt=∫₀⁵(BkLt/m)dt=BkLt²/(2m)=5×2×10³×2×5²/(2×10)=2.5×10⁴m/s（3）电能转化为滑块动能与线圈焦耳热（超导线圈焦耳热为零，理想状态全部转化为动能）动能E_k=1/2mv²=0.5×10×(2.5×10⁴)²=3.125×10⁹J五、综合应用题（共22分）15.智能材料与现代科技（22分）（1）形状记忆合金的温控特性：镍钛合金（NiTi）在温度T₁时发生马氏体相变，恢复原状。某NiTi弹簧在20℃时长度L₁=10cm，60℃时长度L₂=15cm，若温度从20℃升至60℃，弹簧弹性势能变化ΔE_p=______（已知劲度系数k=100N/m，忽略热膨胀）；（2）压电材料的能量收集：某智能鞋垫内置压电陶瓷片，每步行走产生压力F=500N，压电系数d=2×10⁻¹¹C/N，若每天行走1万步，产生电荷量Q=C，若将其存储于1000μF电容，电压可升高______V；（3）电磁屏蔽材料的应用：某军用飞机采用碳纤维复合材料外壳，其对电磁波的屏蔽效能SE=20lg(E₀/E)（E₀为入射波电场强度，E为透射波电场强度），若SE=60dB，则透射波强度与入射波强度之比I/I₀=（电磁波强度I∝E²）。答案：（1）ΔE_p=1/2k(L₂²-L₁²)=0.5×100×(0.15²-0.1²)=0.5×100×0.0125=0.625J；（2）Q=10⁴×dF=10⁴×2×10⁻¹¹×500=1×10⁻⁴C，ΔU=Q/C=1×10⁻⁴C/1000×10⁻⁶F=0.1V；（3）SE=20lg(E₀/E)=60dB→E₀/E=10³→I/I₀=(E/E₀)²=10⁻⁶。六、选考模块（共15分，从以下两题中任选一题作答）16.3-3模块：新型保温材料的热学特性某真空绝热板（VIP）的导热系数λ=0.004W/(m·K)，面积S=1m²，厚度d=0.01m，两侧温度差ΔT=30K，根据热传导公式Q=λSΔTt/d，计算24小时内的漏热量Q，并与传统聚氨酯泡沫（λ=0.02W/(m·K)）比较，说明VIP材料的保温优势。答案：Q=0.004×1×30×24×3600/0.01=1.0368×10⁵J传统材料Q'=0.02×1×30×24×3600/0.01=5.184×10⁵J，VIP漏热量仅为传统材料的20%，保温性能更优。17.3-4模块：光子晶体材料的光学特性光子晶体是一种折射率周期性变化的人工材料，可调控光的传播。某一维光子晶