答案材料物理性能試卷14級B閉卷merged

1、南京理工大學(xué)課程考試答案及評分標(biāo)準(zhǔn)課程名稱： 材料物理性能 學(xué)分： 3 教學(xué)大綱編號： 16021702 試卷編號： A 考試方式： 閉卷 滿分分值： 100 考試時間： 120 分鐘一不定項選擇題 （115，共計15分）（基礎(chǔ)題：考查各類物理性能的物理本質(zhì)、表征等基本概念）1. 附圖是導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體在熱力學(xué)溫度T = 0 K時的能帶結(jié)構(gòu)圖。其中屬于絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)是 A 。 導(dǎo)帶(空帶)導(dǎo)帶(未滿)滿 帶空 帶導(dǎo)帶(未滿)禁帶禁帶禁帶禁帶重合(1)(2)(3)4)滿 帶滿 帶滿 帶導(dǎo)帶(空帶) A. (1) B. (2) C. (1)、(3) D. (3) 2. 下列關(guān)于離子導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)

2、制的敘述正確的是： AB 。A. 低溫下以雜質(zhì)導(dǎo)電為主，高溫下以本征導(dǎo)電為主B. 高溫下以雜質(zhì)導(dǎo)電為主，低溫下以本征導(dǎo)電為主C. 低溫及高溫下都以雜質(zhì)導(dǎo)電為主 D. 低溫及高溫下都以本征導(dǎo)電為主3. 晶格的熱傳導(dǎo)必須用聲子的 （1）B 近似來解釋，此時的聲子氣 （2）A 理想氣體，因為聲子之間 （3）A 碰撞。（1）A簡諧 B. 非諧 C.近自由電子 D.緊束縛（2）A是 B. 不是 （3）A發(fā)生 B. 不發(fā)生4. 固體材料的點陣熱容，尤其是低溫?zé)崛?，由下列哪個模型給出了較好的解釋： A 。A. 德拜模型 B.愛因斯坦模型 C.杜隆-珀替模型15. 關(guān)于磁疇壁的疇壁厚度與能量之間的關(guān)系，下列描

3、述正確的是： AD 。A. 各向異性能隨疇壁厚度增加而增加B. 各向異性能隨疇壁厚度增加而減小C. 交換能隨疇壁厚度增加而增加D. 交換能隨疇壁厚度增加而減小6. 關(guān)于影響材料導(dǎo)電性的因素，下列說法中正確的是 D 。A由于晶格振動加劇散射增大，金屬和半導(dǎo)體電阻率均隨溫度上升而升高。B冷塑性變形對金屬電阻率的影響沒有一定規(guī)律。C“熱塑性變形退火態(tài)” 的電阻率高于“熱塑性變形淬火態(tài)”的電阻率D一般情況下，固溶體的電阻率高于純組元的電阻率。7. （注意：a)與b)中選做一題）a) 下面哪種器件利用了壓電材料的熱釋電功能 B 。 A 電控光閘 B 紅外探測器 C鐵電顯示器件 D晶體振蕩器b) 下列對于

4、折射率的定義正確的有 AD 。A ()1/2 B(/)1/2 C()1/2 D真空光速/介質(zhì)光速8. 利用立方穩(wěn)定的氧化鋯作為氧敏元件來監(jiān)控汽車的排氣成分是利用了它的 A 性能。A 快離子導(dǎo)電 B 壓電 C鐵電 D鐵磁 9. （注意：a)與b)中選做一題）a) 鋼鐵材料的組織中屬于非鐵磁性相的是 C 。A 珠光體 B 馬氏體 C奧氏體 D鐵素體b) 下列對于半導(dǎo)體導(dǎo)電性表述正確的有 BD 。A雜質(zhì)濃度越高導(dǎo)電性越好 B載流子濃度越高導(dǎo)電性越好 C溫度越高導(dǎo)電性越好 D載流子遷移率越高導(dǎo)電性越好課程名稱： 材料物理性能 學(xué)分： 3 試卷編號： A 10. 根據(jù)電介質(zhì)的分類，H2O屬于 B 。A

5、非極性電介質(zhì) B 極性電介質(zhì) C鐵電體 D鐵磁體 11. 如果(1)鍺用銻(五價元素)摻雜，(2)硅用鋁(三價元素)摻雜，則獲得的半導(dǎo)體分別屬于下述類型： B 。 A(1)、(2)均為n型半導(dǎo)體。 B(1)為n型半導(dǎo)體，(2)為p型半導(dǎo)體。C. (1)為p型半導(dǎo)體，(2)為n型半導(dǎo)體。 D(1)、(2)均為p型半導(dǎo)體。12. 離子導(dǎo)體的電導(dǎo)率與離子晶體的結(jié)合力及導(dǎo)電激活能有關(guān)，因此下面關(guān)于NaF與NaCl電導(dǎo)率的比較中，正確的是 A 。ANaF的電導(dǎo)率較高 B NaCl的電導(dǎo)率較高 C兩者相等 D無法比較13. 以下特性中，一般超導(dǎo)體都具有的包括： ABC 。 A零電阻 B完全抗磁性 C約瑟夫

6、森效應(yīng) D巴克豪森效應(yīng)二 判斷說明題：對下列陳述進(jìn)行判斷，并說明錯誤的原因（注：7題中選做5題，35分，共計15分）1. 與純鋁相比，純銅的電導(dǎo)率較高，而熱導(dǎo)率較低。答：錯誤。與純鋁相比，純銅的電導(dǎo)率較高，而熱導(dǎo)率也較高。2. 高溫超導(dǎo)體是指超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)以上的超導(dǎo)體。答：正確。3. 陶瓷材料的彈性模量隨孔隙率增大而增大。答：錯誤。陶瓷材料的彈性模量隨孔隙率增大而減小。4. 晶格振動的簡諧近似模型無法對聲子的導(dǎo)熱做出滿意解釋。答：正確。5. 鐵磁體的交換積分小于零，相鄰原子磁矩同向平行排列。答：鐵磁體的交換積分大于零，相鄰原子磁矩同向平行排列。6. 根據(jù)波粒二象性理論，光子和電子有

7、相同的色散關(guān)系。答：錯誤。光子的色散關(guān)系為 而自由電子的為 7. 如果某材料極化過程中沒有任何弛豫，則在交變電場下沒有介電損耗。答：正確三 問答題 （注：6題中選做4題，410分，共計40分)1. 雜質(zhì)半導(dǎo)體分為哪幾類？以純硅為例，說明摻雜后其電導(dǎo)率有何變化？并解釋原因。 答：雜質(zhì)半導(dǎo)體分n型與p型，前者是在硅或鍺中摻雜第五主族的元素，后者摻雜第三主族元素。純硅中摻雜后，電導(dǎo)率提高。以n型半導(dǎo)體為例，摻雜的第五主族的原子，其最外層的四個電子分別和一個最近鄰的硅原子價電子結(jié)合成共價鍵，多余的電子不再與核緊密束縛，因此在原來本征半導(dǎo)體的禁帶中靠近導(dǎo)帶處形成一個雜質(zhì)的電子的能級，即施主能級，0K時這

8、一能級被電子占據(jù)，并不能用于導(dǎo)電。但當(dāng)溫度升高后，只需要不高于10-2ev的能量，便可以把施主能級上的電子激發(fā)至導(dǎo)帶，載流子濃度大幅增加，因此具有更高的電導(dǎo)率。2. 晶體結(jié)構(gòu)上具有對稱中心的晶體具有熱釋電性嗎？為什么？(10分)（基礎(chǔ)題：考查熱釋電材料的晶體結(jié)構(gòu)條件）答：晶體結(jié)構(gòu)上具有對稱中心的晶體不具有熱釋電性（3分）。具有熱釋電性的晶體結(jié)構(gòu)不具備對稱中心，且具有唯一的極軸（2分）。熱釋電性是指電極化強度隨溫度變化而變化，即溫度變化會使電偶極矩變化（2分），如果晶體結(jié)構(gòu)具有對稱中心，當(dāng)溫度變化時，晶體受熱膨脹卻在各方向都同時發(fā)生，且在對稱方向上，膨脹系數(shù)相等，即在這些方向上，引起的正、負(fù)電荷

9、的位移相等，則正負(fù)電荷中心重合的現(xiàn)狀并未因為溫度改變而變化，所以從晶體結(jié)構(gòu)上分標(biāo)，只要結(jié)構(gòu)有對稱中心，就不具有熱釋電現(xiàn)象（3分）。3. 什么是自發(fā)磁化？以單晶體為例，從能量的角度解釋磁疇的多疇結(jié)構(gòu)是如何形成的？答：鐵磁物質(zhì)在內(nèi)部“分子場”的作用下，原子磁矩自發(fā)的同向平行排列，即自發(fā)磁化，自發(fā)磁化分成若干個小區(qū)域，各個區(qū)域的磁化方向各不相同，每個區(qū)域內(nèi)部的原子磁矩是同一取向，這課程名稱： 材料物理性能 學(xué)分： 3 試卷編號： A 些區(qū)域稱為磁疇（4分）。以單晶體為例，交換能力圖使整個晶體自發(fā)磁化至飽和，磁化方向沿著晶體易磁化方向，這樣就使交換能和磁晶各向異性能都達(dá)到最小值，但必然在其端面處產(chǎn)生磁

10、極，有磁極存在就必然產(chǎn)生退磁場，從而增加了退磁場能。這個退磁場將要破壞已形成的自發(fā)磁化，兩個矛盾相互作用使大磁疇分割為小磁疇，減少退磁能是分疇的基本動力。分疇后退磁能雖然減少，卻增加了疇壁能，因此不能無限制地分疇。隨磁疇數(shù)目的增加，退磁能減少，疇壁能增加，當(dāng)達(dá)到疇壁能與退磁能之和為最小值時，分疇就停止了，從而達(dá)到一種平衡狀態(tài)的疇結(jié)構(gòu)（6分）。4. 什么是彈性的鐵磁性反?，F(xiàn)象？如何解釋？答：未磁化的鐵磁材料，在居里溫度以下的彈性模量比磁化飽和狀態(tài)的彈性模量低，這一現(xiàn)象稱為彈性的鐵磁性反常，又稱效應(yīng)（4分）。根據(jù)可知，在應(yīng)力作用下，未磁化的鐵磁性金屬會產(chǎn)生磁彈性能，對于s0的鐵磁體而言，當(dāng)應(yīng)力與磁

11、矩之間的夾角=/2時，即應(yīng)力與磁矩方向垂直時，磁彈性能E有最小值，磁矩將轉(zhuǎn)向與應(yīng)力垂直的方向。而由于s0，該樣品在與磁矩方向平行的方向上收縮，而在與磁矩方向垂直的方向上伸長，因此沿應(yīng)力方向樣品發(fā)生伸長，在拉應(yīng)力條件下產(chǎn)生一個附加應(yīng)變，使得其彈性模量降低。而磁化飽和的同種合金由于原子磁矩已經(jīng)不能再發(fā)生轉(zhuǎn)動，故不會產(chǎn)生附加應(yīng)變（6分）。5. 電子有效質(zhì)量m*的定義是什么？對于如下色散關(guān)系，, 如何求出波矢k下對應(yīng)的粒子的速度？答：電子的有效質(zhì)量滿足如下表達(dá)式：(4分)其中為約化普朗克常數(shù)，E為電子能量，k為波矢。對于上述色散關(guān)系，可求得有效質(zhì)量m*=m。再根據(jù)波粒二象性中動量的定義，可求得動量P=

12、k. 因此粒子的速度v=P/ m*= k/m. (6分)6. 激光和普通的光相比有哪些主要的特點，其產(chǎn)生的條件有哪些？答：激光的主要特點是強度高，較好的方向性，單色性以及相干性。(4分)其產(chǎn)生的條件主要有：1. 通過電注入實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，進(jìn)而使得受激輻射得以發(fā)生；2. 必須有波導(dǎo)的存在從而使得產(chǎn)生的光子在一定的區(qū)域內(nèi)運動；3. 諧振腔的存在，使得只有某些特定波長下的光得到增強，從而可以出光。這些條件都具備后，還要保證注入的電流大于閾值電流，從而使得光增益大于光的損耗，從而產(chǎn)生激光。(6分)四 綜合題（注：4題中選做2題，215分，共計30分)1. 1）示意的畫出鐵磁體典型的技術(shù)磁化曲線；2）對

13、照上述曲線，詳細(xì)說明技術(shù)磁化過程中不同階段的微觀機(jī)制；3）要提高鐵磁體的磁導(dǎo)率或磁化系數(shù)，可以采取哪些措施？答：1）疇壁的可逆遷移區(qū)疇壁的不可逆遷移區(qū)磁疇的旋轉(zhuǎn)區(qū) （4分）2）如上圖所示。在較低磁場范圍內(nèi)主要依靠磁疇壁遷移，完成磁化。疇壁朝靜磁能較大的磁疇遷移，使靜磁能大的磁疇減小，而靜磁能小的磁疇增大，直至所有磁疇的磁化方向一致。較高磁場范圍內(nèi)，磁疇發(fā)生旋轉(zhuǎn)，磁化強度在外場上的投影增大。（6分）3）要提高磁導(dǎo)率，就要減少磁疇壁遷移的阻力，包括采用合適的制造工藝及熱處理工藝，采用退火消除鐵磁體內(nèi)部的應(yīng)力、降低缺陷密度，控制晶粒尺寸及析出相。（5分）課程名稱： 材料物理性能 學(xué)分： 3 試卷編號

14、： A 2. 工業(yè)純鐵中碳原子在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力感生有序?qū)е碌膬?nèi)耗，圖1為在連續(xù)加熱過程中測得的內(nèi)耗溫度曲線，測量時應(yīng)力頻率為，現(xiàn)改用另一頻率測定這一內(nèi)耗，且，內(nèi)耗峰的位置將發(fā)生變化，請示意的畫出這一內(nèi)耗峰位置變化的情況，并解釋原因。答：內(nèi)耗峰向高溫推移。（4分）碳原子的應(yīng)力感生有序是熱激活過程，測量頻率提高，相對于碳原子有序化響應(yīng)的時間縮短，因此需要加熱至更高的溫度提供激活能才能使碳原子在間隙位置上發(fā)生跳動（6分）。弛豫型內(nèi)耗由間隙原子擴(kuò)散導(dǎo)致，其弛豫時間滿足：，而時，出現(xiàn)內(nèi)耗峰，即，可見在H一定的條件下，提高， T升高（5分）。3. 1）某磁化率為的順磁材料制成一個小球。定義磁化強

15、度M與外磁場H的比值為外磁化率e,試建立外磁化率e與材料本身磁化率之間的關(guān)系。（5分）2）同樣的順磁材料被制成一根細(xì)線，建立當(dāng)外磁場分別平行和垂直于軸線時，外磁化率e與材料本身磁化率之間的關(guān)系。（5分）3）與2）中條件相同，試求當(dāng)外磁場H與軸線成角時，退磁能是多少？外磁場對應(yīng)的靜磁能是多少？請問對于1）的球形顆粒，退磁能和靜磁能是否和外場方向有關(guān)？（5分）答： 1）對于小球，退磁化場為-M/3。則材料的磁化率滿足如下關(guān)系： 可解得： 因而外磁化率可以寫為： 2）對于細(xì)線，當(dāng)外場平行于軸線是，退磁場為零，因此外磁化率與材料本身磁化率相等，即： 當(dāng)外場垂直于軸線時，退磁化場為-M/2。則材料磁化率

16、滿足如下關(guān)系：可解得： 因而外磁化率可以寫為： 3）對于細(xì)線，當(dāng)外場H與軸線成角時，將外場分解為平行軸線分量Hcos和垂直軸線分量Hsin。對于平行分量，退磁場為零，因而退磁能也為零。對于垂直軸線分量，退磁場為： 因而退磁能為： 外磁場對應(yīng)的靜磁能為：對于球形顆粒，無論外磁場指向哪個方向，退磁場都相等，因而退磁能和靜磁能和方向無關(guān)。其表達(dá)式分別為： 課程名稱： 材料物理性能 學(xué)分： 3 試卷編號： A 4. 某金屬材料的在光學(xué)波段的相對介電常數(shù)如下： 其相對磁導(dǎo)率=1。(1) 當(dāng)p時，()0。試問介電常數(shù)小于零的物理含義是什么？（提示：從介電常數(shù)的定義出發(fā)去考慮該問題）（5分）(2) 從光學(xué)的角度與考慮，()0意味著什么？如果頻率p，光能在該材料中正常傳播嗎？（提示：從