答案材料物理性能试卷.doc

南京理工大学课程考试答案及评分标准课程名称： 材料物理性能 学分： 3 教学大纲编号： 16021702 试卷编号： A 考试方式： 闭卷 满分分值： 100 考试时间： 120 分钟一不定项选择题 （115，共计15分）（基础题：考查各类物理性能的物理本质、表征等基本概念）1. 附图是导体、半导体、绝缘体在热力学温度T = 0 K时的能带结构图。其中属于绝缘体的能带结构是 A 。 导带(空带)导带(未满)满 带空 带导带(未满)禁带禁带禁带禁带重合(1)(2)(3)4)满 带满 带满 带导带(空带) A. (1) B. (2) C. (1)、(3) D. (3) 2. 下列关于离子导体导电机制的叙述正确的是： AB 。A. 低温下以杂质导电为主，高温下以本征导电为主B. 高温下以杂质导电为主，低温下以本征导电为主C. 低温及高温下都以杂质导电为主 D. 低温及高温下都以本征导电为主3. 晶格的热传导必须用声子的 （1）B 近似来解释，此时的声子气 （2）A 理想气体，因为声子之间 （3）A 碰撞。（1）A简谐 B. 非谐 C.近自由电子 D.紧束缚（2）A是 B. 不是 （3）A发生 B. 不发生4. 固体材料的点阵热容，尤其是低温热容，由下列哪个模型给出了较好的解释： A 。A. 德拜模型 B.爱因斯坦模型 C.杜隆-珀替模型第1页15. 关于磁畴壁的畴壁厚度与能量之间的关系，下列描述正确的是： AD 。A. 各向异性能随畴壁厚度增加而增加B. 各向异性能随畴壁厚度增加而减小C. 交换能随畴壁厚度增加而增加D. 交换能随畴壁厚度增加而减小6. 关于影响材料导电性的因素，下列说法中正确的是 D 。A由于晶格振动加剧散射增大，金属和半导体电阻率均随温度上升而升高。B冷塑性变形对金属电阻率的影响没有一定规律。C“热塑性变形退火态” 的电阻率高于“热塑性变形淬火态”的电阻率D一般情况下，固溶体的电阻率高于纯组元的电阻率。7. （注意：a)与b)中选做一题）a) 下面哪种器件利用了压电材料的热释电功能 B 。 A 电控光闸 B 红外探测器 C铁电显示器件 D晶体振荡器b) 下列对于折射率的定义正确的有 AD 。A ()1/2 B(/)1/2 C()1/2 D真空光速/介质光速8. 利用立方稳定的氧化锆作为氧敏元件来监控汽车的排气成分是利用了它的 A 性能。A 快离子导电 B 压电 C铁电 D铁磁 9. （注意：a)与b)中选做一题）a) 钢铁材料的组织中属于非铁磁性相的是 C 。A 珠光体 B 马氏体 C奥氏体 D铁素体b) 下列对于半导体导电性表述正确的有 BD 。A杂质浓度越高导电性越好 B载流子浓度越高导电性越好 C温度越高导电性越好 D载流子迁移率越高导电性越好第2页课程名称： 材料物理性能 学分： 3 试卷编号： A 10. 根据电介质的分类，H2O属于 B 。A 非极性电介质 B 极性电介质 C铁电体 D铁磁体 11. 如果(1)锗用锑(五价元素)掺杂，(2)硅用铝(三价元素)掺杂，则获得的半导体分别属于下述类型： B 。 A(1)、(2)均为n型半导体。 B(1)为n型半导体，(2)为p型半导体。C. (1)为p型半导体，(2)为n型半导体。 D(1)、(2)均为p型半导体。12. 离子导体的电导率与离子晶体的结合力及导电激活能有关，因此下面关于NaF与NaCl电导率的比较中，正确的是 A 。ANaF的电导率较高 B NaCl的电导率较高 C两者相等 D无法比较13. 以下特性中，一般超导体都具有的包括： ABC 。 A零电阻 B完全抗磁性 C约瑟夫森效应 D巴克豪森效应二 判断说明题：对下列陈述进行判断，并说明错误的原因（注：7题中选做5题，35分，共计15分）1. 与纯铝相比，纯铜的电导率较高，而热导率较低。答：错误。与纯铝相比，纯铜的电导率较高，而热导率也较高。2. 高温超导体是指超导临界转变温度在液氮温区以上的超导体。答：正确。3. 陶瓷材料的弹性模量随孔隙率增大而增大。答：错误。陶瓷材料的弹性模量随孔隙率增大而减小。4. 晶格振动的简谐近似模型无法对声子的导热做出满意解释。答：正确。第2页5. 铁磁体的交换积分小于零，相邻原子磁矩同向平行排列。答：铁磁体的交换积分大于零，相邻原子磁矩同向平行排列。6. 根据波粒二象性理论，光子和电子有相同的色散关系。答：错误。光子的色散关系为 而自由电子的为 7. 如果某材料极化过程中没有任何弛豫，则在交变电场下没有介电损耗。答：正确三 问答题 （注：6题中选做4题，410分，共计40分)1. 杂质半导体分为哪几类？以纯硅为例，说明掺杂后其电导率有何变化？并解释原因。 答：杂质半导体分n型与p型，前者是在硅或锗中掺杂第五主族的元素，后者掺杂第三主族元素。纯硅中掺杂后，电导率提高。以n型半导体为例，掺杂的第五主族的原子，其最外层的四个电子分别和一个最近邻的硅原子价电子结合成共价键，多余的电子不再与核紧密束缚，因此在原来本征半导体的禁带中靠近导带处形成一个杂质的电子的能级，即施主能级，0K时这一能级被电子占据，并不能用于导电。但当温度升高后，只需要不高于10-2ev的能量，便可以把施主能级上的电子激发至导带，载流子浓度大幅增加，因此具有更高的电导率。2. 晶体结构上具有对称中心的晶体具有热释电性吗？为什么？(10分)（基础题：考查热释电材料的晶体结构条件）答：晶体结构上具有对称中心的晶体不具有热释电性（3分）。具有热释电性的晶体结构不具备对称中心，且具有唯一的极轴（2分）。热释电性是指电极化强度随温度变化而变化，即温度变化会使电偶极矩变化（2分），如果晶体结构具有对称中心，当温度变化时，晶体受热膨胀却在各方向都同时发生，且在对称方向上，膨胀系数相等，即在这些方向上，引起的正、负电荷的位移相等，则正负电荷中心重合的现状并未因为温度改变而变化，所以从晶体结构上分标，只要结构有对称中心，就不具有热释电现象（3分）。3. 什么是自发磁化？以单晶体为例，从能量的角度解释磁畴的多畴结构是如何形成的？答：铁磁物质在内部“分子场”的作用下，原子磁矩自发的同向平行排列，即自发磁化，自发磁化分成若干个小区域，各个区域的磁化方向各不相同，每个区域内部的原子磁矩是同一取向，这课程名称： 材料物理性能 学分： 3 试卷编号： A 些区域称为磁畴（4分）。以单晶体为例，交换能力图使整个晶体自发磁化至饱和，磁化方向沿着晶体易磁化方向，这样就使交换能和磁晶各向异性能都达到最小值，但必然在其端面处产生磁极，有磁极存在就必然产生退磁场，从而增加了退磁场能。这个退磁场将要破坏已形成的自发磁化，两个矛盾相互作用使大磁畴分割为小磁畴，减少退磁能是分畴的基本动力。分畴后退磁能虽然减少，却增加了畴壁能，因此不能无限制地分畴。随磁畴数目的增加，退磁能减少，畴壁能增加，当达到畴壁能与退磁能之和为最小值时，分畴就停止了，从而达到一种平衡状态的畴结构（6分）。4. 什么是弹性的铁磁性反常现象？如何解释？答：未磁化的铁磁材料，在居里温度以下的弹性模量比磁化饱和状态的弹性模量低，这一现象称为弹性的铁磁性反常，又称效应（4分）。根据可知，在应力作用下，未磁化的铁磁性金属会产生磁弹性能，对于s0的铁磁体而言，当应力与磁矩之间的夹角=/2时，即应力与磁矩方向垂直时，磁弹性能E有最小值，磁矩将转向与应力垂直的方向。而由于s0，该样品在与磁矩方向平行的方向上收缩，而在与磁矩方向垂直的方向上伸长，因此沿应力方向样品发生伸长，在拉应力条件下产生一个附加应变，使得其弹性模量降低。而磁化饱和的同种合金由于原子磁矩已经不能再发生转动，故不会产生附加应变（6分）。5. 电子有效质量m*的定义是什么？对于如下色散关系，, 如何求出波矢k下对应的粒子的速度？答：电子的有效质量满足如下表达式：(4分)其中为约化普朗克常数，E为电子能量，k为波矢。对于上述色散关系，可求得有效质量m*=m。再根据波粒二象性中动量的定义，可求得动量P=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点，其产生的条件有哪些？答：激光的主要特点是强度高，较好的方向性，单色性以及相干性。(4分)其产生的条件主要有：1. 通过电注入实现粒子数反转，进而使得受激辐射得以发生；2. 必须有波导的存在从而使得产生的光子在一定的区域内运动；3. 谐振腔的存在，使得只有某些特定波长下的光得到增强，从而可以出光。这些条件都具备后，还要保证注入的电流大于阈值电流，从而使得光增益大于光的损耗，从而产生激光。(6分)四 综合题（注：4题中选做2题，215分，共计30分)1. 1）示意的画出铁磁体典型的技术磁化曲线；2）对照上述曲线，详细说明技术磁化过程中不同阶段的微观机制；3）要提高铁磁体的磁导率或磁化系数，可以采取哪些措施？答：1）畴壁的可逆迁移区畴壁的不可逆迁移区磁畴的旋转区 （4分）2）如上图所示。在较低磁场范围内主要依靠磁畴壁迁移，完成磁化。畴壁朝静磁能较大的磁畴迁移，使静磁能大的磁畴减小，而静磁能小的磁畴增大，直至所有磁畴的磁化方向一致。较高磁场范围内，磁畴发生旋转，磁化强度在外场上的投影增大。（6分）3）要提高磁导率，就要减少磁畴壁迁移的阻力，包括采用合适的制造工艺及热处理工艺，采用退火消除铁磁体内部的应力、降低缺陷密度，控制晶粒尺寸及析出相。（5分）第4页课程名称： 材料物理性能 学分： 3 试卷编号： A 2. 工业纯铁中碳原子在交变应力作用下产生的应力感生有序导致的内耗，图1为在连续加热过程中测得的内耗温度曲线，测量时应力频率为，现改用另一频率测定这一内耗，且，内耗峰的位置将发生变化，请示意的画出这一内耗峰位置变化的情况，并解释原因。答：内耗峰向高温推移。（4分）碳原子的应力感生有序是热激活过程，测量频率提高，相对于碳原子有序化响应的时间缩短，因此需要加热至更高的温度提供激活能才能使碳原子在间隙位置上发生跳动（6分）。弛豫型内耗由间隙原子扩散导致，其弛豫时间满足：，而时，出现内耗峰，即，可见在H一定的条件下，提高， T升高（5分）。3. 1）某磁化率为的顺磁材料制成一个小球。定义磁化强度M与外磁场H的比值为外磁化率e,试建立外磁化率e与材料本身磁化率之间的关系。（5分）2）同样的顺磁材料被制成一根细线，建立当外磁场分别平行和垂直于轴线时，外磁化率e与材料本身磁化率之间的关系。（5分）3）与2）中条件相同，试求当外磁场H与轴线成角时，退磁能是多少？外磁场对应的静磁能是多少？请问对于1）的球形颗粒，退磁能和静磁能是否和外场方向有关？（5分）答： 1）对于小球，退磁化场为-M/3。则材料的磁化率满足如下关系： 可解得： 因而外磁化率可以写为： 2）对于细线，当外场平行于轴线是，退磁场为零，因此外磁化率与材料本身磁化率相等，即： 当外场垂直于轴线时，退磁化场为-M/2。则材料磁化率满足如下关系：可解得： 因而外磁化率可以写为： 3）对于细线，当外场H与轴线成角时，将外场分解为平行轴线分量Hcos和垂直轴线分量Hsin。对于平行分量，退磁场为零，因而退磁能也为零。对于垂直轴线分量，退磁场为： 因而退磁能为： 外磁场对应的静磁能为：对于球形颗粒，无论外磁场指向哪个方向，退磁场都相等，因而退磁能和静磁能和方向无关。其表达式分别为： 课程名称： 材料物理性能 学分： 3 试卷编号： A 4. 某金属材料的在光学波段的相对介电常数如下： 其相对磁导率=1。(1) 当p时，()0。试问介电常数小于零的物理含义是什么？（提示：从介电常数的定义出发去考虑该问题）（5分）(2) 从光学的角度与考虑，()0意味着什么？如果频率p，光能在该材料中正常传播吗？（提示：从折射率的定义出发）（5分）(3) 如果一束光从空气垂直入射到该金属材料表面，试问当光的频率是多少时，所有的光都被反射？（5分）答：1）当p时，()0。根据定义，电位移矢量和电场强度之间满足关系： 对于交变的信号有： ()0 意味着电位移矢量和电场强度的方向相反，或者对于交变信号而言，意味着电位移矢量和电场强度相位相反（相位相差）。2）从光学的角度考虑，根据折射率的定义： ()p时，折射率1n0，则R恒小于1。当=p时，n=0, 则有R=1.当p时，n=ik为虚数，则有 综上所述，当p，所有的光均被反射。