材料物理与性能配套课后题答案精选.docx

第一章： 1.1试阐述经典热容理论、爱因斯坦量子热容理论及德拜热容理论，并说出它们 的不同之处答：经典热容理论：杜隆－珀替把气体分子的热容理论直接应用于固体，并用统计力学 处理热容晶体摩尔热容为常数爱因斯坦量子热容理论：爱因斯坦把晶体中原子看成是具有相同频率、并在空间自由振 动的独立振子引用了晶格振动能量量子化即声子的概念德拜量子热容理论：格波的频率有一定分布，即不为常数德拜考虑到低温下只有频率 较低的长声学波对热容才有重要的贡献，可用连续介质中的弹性波来描述1.2 阐述金属热容与合金热容的特点答：包括点阵振动引起的热容cV和电子热容cV一般情况下，常温时点阵振动贡献的 热容远大于电子热容，只有在温度极低或极高时，电子热容才不能被忽略金属及合金发生 相变时，会产生附加的热效应，并因此使热容（及热焓）发生异常变化按照变化特征主要 可分为一级相变、二级相变、亚稳态组织转变等情况1.3证明理想固体线膨胀系数和体膨胀系数间的关系答：见文中（1—43）〜（1 — 47）1.4简述影响膨胀系数的因素答：膨胀系数与温度、热容、质点间的结合能、熔点以及物质的结构都有关系1.5为什么导电性好的材料一般其导热性也好？答： 固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由运动来实现的。

导电性好的材料有大 量的自由电子，而且电子的质量很轻，能够迅速地实现热量的传递因此，导电性好的材料 一般导热性也好1.6 一级相变、二级相变对热容有什么影响？答： 一级相变伴随相变潜热发生，若为恒温转变，在相变时伴随有焓的突变，同时热容趋于无穷大，但是二级相变则没有相变潜热，但热容有突变1.7 何谓热应力？它是如何产生的？请以平面陶瓷薄板为例说明热应力的计算答：不改变外力作用状态，材料仅因热冲击在温度作用下产生的内应力叫热应力其产生和计算见文中1.5.2 节1・8何谓差热分析（DTA）法？差热分析法与普通热分析法有何不同？在DTA基础上发展起来的差示扫描量热（DSC）法与DTA有何不同？答：DTA是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差随温度变化的一种技术差热分析反映的是物质在受热或冷却过程中发生的物理变化和化学变化伴随着吸热和放热 现象如晶型转变、沸腾、升华、蒸发、熔融等物理变化，以及氧化还原、分解、脱水和离 解等等化学变化均伴随一定的热效应变化见 1.6.2和 1.6.3）1.9简述纳米材料在热学性能上与常规材料的不同，并请解释其原因答：由于纳米材料与常规粉体材料相比，纳米粒子的表面能高，表面原子数多，这些表 面原子近邻配位不全，活性大，因此，其熔化时所需增加的内能小得多，这就使得纳米粒子 熔点急剧下降。

又纳米粒子尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中 高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散因此，在较低温度下烧结 就能达到致密化目的第四章1、试说明经典自由电子论、量子自由电子论和能带理论的区别？答：（1）经典电子理论 （自由电子论）：认为：连续能量分布的价电子在均匀势场中运动无法解释一价金属和二价金属的导电问题按照自由电子的概念，二价金属的价电子比 一价金属的多，似乎二价金属的导电性比一价金属好，但是，实际情况却是一价金属的导电 性比二价金属好问题的根源：忽略了电子之间的排斥作用和正离子点阵周期场的作用经典电子理论它 是立足于牛顿力学（宏观运动），而对微观粒子的运动问题应用量子力学的概念来解决2）量子自由电子论： 认为：不连续能量分布的价电子在均匀势场中运动 很好解释了自由电子论不能解决的问题，但不能很好解释铁磁性、相结构、结合力等问 题3）能带理论： 认为：不连续能量分布的价电子在周期性势场中运动在量子自由电子论基础上，考虑了离子所造成的周期性势场的存在，导出了电子在金属 中的分布特点，并建立了禁带的概念，解决了以上存在的问题2、为什么金属的电阻因温度的升高而增大，而半导体的电阻却因温度的升高而n e 2 n e 2ef t 二 ef_2m 2mp温度减小？答：对金属来说，利用量子力学原理可以导出电导率为升高离子热振动的振幅就大，电子就容易受到散射，故可认为 p （单位时间内散射的次数， 称为散射几率）与温度成正比，则c就与温度成反比（因为上式中其他的量均与温度无关）, 这就是金属的导电性随温度升高而降低的原因；而半导体的导电性却正好相反，由于温度升 高使低能级的电子获得能量可以跃迁到高能级上去，所以半导体的导电性随温度升高而增 强。

3、表征超导体性能的三个主要指标是什么？答：临界温度TC、磁场强度HC、电流密度JC4、简要论述电阻测量在金属研究中的应用？ 答：通过测量材料电阻率的变化，可以研究材料的成分、结构和组织的变化例如， 研究固溶体的溶解度曲线，研究合金的时效，研究材料的相变以及疲劳等5、为什么锗半导体材料最先得到应用，而现在的半导体材料却大都采用硅半导 体？答： 锗易提纯，但硅难提纯硅：难以制造，需要现代技术在70 年代前，锗制作的 半导体三极管运用很广，而当时硅的三极管反而更贵进入到大规模集成电路时代后，硅的 特性优势显示出来由于硅的半导体性能以及化学性质比锗优越，即禁带宽度比锗大，可以耐高压，器件的 工作温度较高，可达150-200€,而锗只能到75.91，所以硅器件的功率大这就是为什么 硅比锗应用的更广的原因另外，硅可以制成二氧化硅薄膜，这在半导体器件中非常重要6、 怎样通过实验区别n型半导体和p型半导体？答：在p-n结的两端加上外电场，如果电流随电压的增大呈指数上升，则证明所加电压 为正偏压，即负极一端为n型半导体，正极一端为p型半导体；如果电流随电压的增大几乎 没有改变，则关系所加电压为反偏压，即负极一端为P型半导体，正极一端为n型半导体。

7、 半导体有哪些物理效应？答： 敏感效应包括热敏效应、光敏效应、压敏效应、以及如次敏效应、气敏效应、光磁 效应、热磁效应、热电效应等其他敏感效应；光致发光效应；电致发光效应；光伏特效应等第五章5.1 解释下列名词：极化电荷、偶极子、电偶极矩、极化强度、电介质的电极化 率、介电强度、取向极化、介电强度的破坏答： 极化电荷：由于分子内在力的约束，电介质分子中的带电粒子不能发生宏观的位移， 被称作束缚电荷，也叫极化电荷偶极子：一个正电荷q和另一个符号相反、数量相等的负电荷- q由于某种原因而坚固 地互相束缚于不等于零的距离上，便组成一个电偶极子―►电偶极矩：若从负电荷到正电荷作一矢量1，则这个粒子具有的电偶极矩可表示为矢量 山二q 电偶极矩的单位为c 〃 m （库仑〃米）极化强度：单位体积人V中电偶极矩的矢量和 "是用来衡量电介质极化强弱的一个参 数，该参数被称为极化强度P可表示为：P二亍电介质的电极化率：在描述极化强度P和电场强度E之间的关系的式子中P ~aE0肚 这里咒和a 一样都取决于电介质的性质，叫做电介质的极化率介电强度：当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质就由介电状态变为导电状态，这一突变现象称为介电强度的破坏，或叫电介质的击穿。

相应的电场强度 E称为介电强度，用 穿表示取向极化：没有外电场作用时，电偶极子在固体中杂乱无章地排列，宏观上显示不出它 的带电特征；如果将该系统放入外电场中，固有电矩将沿电场方向取向，其固有的电偶极矩 沿外电场方向有序化，这个过程被称为取向极化或转向极化介电强度的破坏：当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质就由 介电状态变为导电状态，这一突变现象称为介电强度的破坏，或叫电介质的击穿5.2 什么叫极化强度？写出它的几种表达式及其物理意义？答：单位体积AV中电偶极矩的矢量和 "是用来衡量电介质极化强弱的一个参数， 该参数被称为极化强度P y 一P = 可表示为 AV极化强度是一个矢量，它是一个具有平均意义的物理量，其单位为C/m2可以证明， 电极化强度的值等于介质表面的电荷密度极化强度的另一种表达式是：P =aE = 8严描述了极化强度P和电场强度E之间的关系，P与E的关系与场强方向有关，同一大 小的场强如果方向不同，引起的极化强度也会不同这里咒和a 一样都取决于电介质的性 质，叫做电介质的极化率第三种表述为：电极化强度P可以表示为单位体积电介质在实际电场作用下所有偶极 矩的总和，即p = y nii式中：Ni为第i种偶极子数目，卩i为第i种偶极子平均偶极矩。

5.3—平行板真空电容器，极板上的电荷面密度 =1.77X10-6 C/m2现充以£ r=9的介质，若极扳上的自由电荷保持不变，计算真空和介质中的E、P、D 各为多少？束缚电荷产生的场强是多少？解：真空条件下，P在任何电场强度E下均为零，故其咒二0 , 8 = 80，真空介电常8数 o =8.85x10-12 F/m，静电力常量 k=9.0x109N・m2/C2C= 由8S04兀kdE = Ud，S 得：厂 4兀koE = 一804 x 3.14 x 9.0 x 109 x 1.77 x 10-68.85 x 10-12=2.26x1014N/C8D= 0 E=8.85x10-12x2.26x1014=2.0x103束缚电荷产生的场强：厂 4兀koE = 一880r4x3.14x9.0x109x1.77x10-68.85x10-12x9=2.5x1013N/C介质中：厂 4兀ko 4 x 3.14 x 9.0 x 109 x 1.77 x 10-6E = =89r =2.22x103N/CD = 8 (01 +X)E D = 8 8 E= 0 r =8.85x10-12x9x2.22x103=1.77x105P= D-80E=1.77x105-8.85x10-12x2.22x103=1.77x1055.4边长为10mm、厚度为1mm的方形平板电容器的电介质相对介电系数为 2000，计算相应的电容量。

若在平板上外加 200 V 电压，计算：①电介质中的电场；② 每个平板上的总电量；③电介 质的极化强度；④储存在介质电容器中的能量解：电容量：8Sr4nkd2000 x 10 x 10 x 10-64 x 3.14 x9.0x 109 x 1 x 10-3=1.77x10-9= 2 x 10 5V/m① 电介质中电场：U 200E = =d 1x10 -3② 每个平板上的总电量： Q=CU=1.77x10-9x2x105=3.54x10-4C③ 电介质 的极化强度： P = ^E = 8(8r -1 E = 80 =8.85x10-12x ( 2000-1 )x2x105=3.54x10-3p④ 储存在介质电容器中的能量：W 能=1/2 r E2=1/2x2000x(2x105)2=4x1013J5.5 电介质的极化机制有哪些？分别在什么频率范围响应？极化机制发生极化的频率范围电子位移极化直流-光频离子位移极化直流-红外离子松弛极化直流-超高频电子松弛极化直流-超高频转向极化直流-超高频空间电荷极化直流-低频103Hz自发极化与频率无关5.6如果A原于的原子半径为B原子的两倍，那么在其它条件都相同的情况下，原子A的电子极化。