材料物理导论

《材料物理导论》习题解答第一章材料的力学1.一圆杆的直径为2.5mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。解：根据题意可得下表2.一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其杨氏模量为3.5×109N/m2，能伸长多少厘米?3.一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108N/m2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。5.一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3(E=380GPa)和5%的玻璃相(E=84GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5%的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。8.一试样受到拉应力为1.0×103N/m2,10秒种后试样长度为原始长度的1.15倍,移去外力后试样的长度为原始长度的1.10倍,若可用单一Maxwell模型来描述,求其松弛时间τ值。第二章材料的热学9.一硅酸铝玻璃的性能为=2.1J/(㎡▪s▪K)，α=4.6×/K,σf=N/㎡,E=N/㎡,μ=0.25.求第一和第二抗热冲击断裂因子和。10.一热机部件由氮化硅制成，导热率为1.84J/(㎡▪s▪K)，最大厚度=0.12m,表面热传导系数为500J/(㎡▪s▪K)，请估算能承受热冲击的最大允许温差。第三章材料的电学20.如果A原子的原子半径为B原子的两倍，那么在其他条件都相同的情况下，A原子的电子极化率大约是B原子的多少倍？25、画出典型铁电体的电滞回线示意图，并用有关机制解释引起非线性关系的原因。解：铁电体晶体在整体上呈现自发极化，这意味着在正负端分别有一层正的和负的束缚电荷。束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高。在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还能使应变能增加。所以均匀极化的状态是不稳定的，晶体将分成若干个小区域，每个小区域内部电偶极子沿同一方向，但各个小区域中电偶极子方向不同。这些小区域称为电畴或畴。畴的间界叫畴壁。铁电体的极化随电场的变化而变化。但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下，新畴成核长大，畴壁移动，导致极化转向。在电场很弱时，极化线性地依赖于电场，此时可逆地畴壁移动占主导地位。当电场增强时，新畴成核，畴壁运动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快，当电场达到相应于B点的值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。26、高分子在电场中的极化有哪几种形式？各有什么特点？答：（1）电子极化：指在外电场中每个原子的价电子云相对于原子核发生位移，极化过程所需时间极短：10-5～10-13（2）原子极化：指在外电场中不同的原子核之间发生相对位移。极化时间约在10-13S以上。（3）取向极化：极性分子自身带有固有偶极子，在电场中，将沿电场方向择优排列，取向过程要克服偶极子本身的惯性与旋转阻力，故所需时间比位移极化长的多：10-9（4）发生在非均相介质界面处的极化，它时在电场作用下，介质中的电子或离子在界面处堆积造成的，称为界面极化。所需时间很长，从几分之一秒至几分钟，甚至更长。第四章材料的磁学6.自发磁化的物理本质是什么?材料具有铁磁性的充要条件是什么?答:铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用材料具有铁磁性的充要条件为:1)必要条件:材料原子中具有未充满的电子壳层,即原子磁矩2)充分条件:交换积分A08.论述各类磁性χ-T的相互关系3）反铁磁性:当温度达到某个临界值TN以上,服从居里-外斯定律14.比较静态磁化与动态磁化特点。第五章材料的光学2.光通过一块厚度为1mm的透明Al2O3板后强度降低了15%，试计算其吸收和散射系数的总和。3.有一材料的吸收系数α=0.32cm-1,透射光强度分别为入射光强的10%、20%、50%及80%时，材料的厚度为多少？6.设一个两能级系统的能级差E2－E1=0.01eV.(1)分别求出T=10²K、10³K、K、K时的粒子数之比值。(2)的状态相当于多高的温度？(3)粒子数发生反转的状态相当于怎样的温度？7.一光纤的芯子折射率n1=1.62、包层折射率n2=1.52，试计算光发生全反射的临界角。8.材料的非线性光学效应是怎样产生的？答：光与材料相互作用的过程，可以看做是组成材料的原子或分子体系在入射光波电场作用下，感生电偶极矩并进而产生电磁波辐射的过程。在光波场较弱时，可采用线性极化近似，表征材料光学性质的许多物理量（如电容率、折射率和吸收系数等）都与光波电场无关，单色光波通过线性材料时其频率不会改变，不同频率的光波在材料中传播时互不干扰，波的叠加原理成立。但在强光场（如激光）或其他外加电场的扰动下，材料原子或分子内电子的运动除了围绕其平衡位置产生微小的线性振动外，还会受到偏离线性的附加扰动，此时材料的电容率往往变为时间或空间的函数，材料的极化响应与光波电场下不再保持简单的线性关系。这种非线性极化将引起材料光学性质的变化，导致不同频率光波之间的能量耦合，从而使入射光波的频率、振幅、偏振及传播方向发生改变，即产生非线性光学效应。第六章材料的声学1.声波满足哪三个基本物理定律？各有何意义？3.若声波在单位时间内声能密度的对数衰变率β为2.76s﹣¹,求混响时间T值。6.试述海水声波传输损失的主要来源。9.试述次声的特点。