2015版高中物理人教版选修3-3讲义：9.1　固体

课时9.1　固　　体
1.知道固体分为晶体和非晶体两大类,知道晶体分为单晶体和多晶体。
2.知道晶体和非晶体在外形上和物理性质上的区别。
3.了解晶体的空间点阵结构,用结构决定性质的观点认识晶体物理性质的各向异性。
4.了解固体材料在生活、生产、科学研究等方面的应用。
重点难点:晶体和非晶体、单晶体和多晶体在 ( http: / / www.21cnjy.com )外形与物理性质上的差别。认识晶体的空间点阵结构及其物理性质的各向异性,根据晶体和非晶体的物理特性进行辨别。
教学建议:本节内容是了解性的知识,要求较低,只简要讲
述晶体的特征,晶体与非晶体的区别,以及固体 ( http: / / www.21cnjy.com )的微观结构,了解晶体的各向异性的物理特性。给学生一个相对完整的知识体系,引起学生对研究固体性质有关知识的兴趣和求知欲,这是教材编写的主要意图之一。教学时要注意把握深度和广度,不宜讲得太多、太深。在教法上,由于学生对这一节内容的生活经验相对贫乏,要多用晶体实物、图片、多媒体进行展示,要做好相关的实验,让学生去观察、去认识晶体的有关特征和物理特性。
( http: / / www.21cnjy.com )
导入新课:生活中我们遇到很多奇怪的现象,无 ( http: / / www.21cnjy.com )论什么形状的雪花,它们的边角连线总是正六边形;同样是由碳原子组成,但石墨和金刚石的硬度却有着天壤之别。
为什么这些事物会呈现特殊的物理性质
( http: / / www.21cnjy.com )
1.晶体和非晶体
(1)固体可以分为①晶体和②非晶体两类。石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、味精、蔗糖等是③晶体,玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是④非晶体。
(2)单晶体具有⑤确定的几 ( http: / / www.21cnjy.com )何形状,多晶体和非晶体⑥没有确定的几何形状;晶体有⑦确定的熔点,非晶体⑧没有确定的熔点。制作晶体管、集成电路只能用⑨单晶体。
(3)有些晶体沿不同方向的导热或导电性能不同,有些晶体沿不同方向的光学性质不同,这类现象称为⑩各向异性,非晶体沿各个方向的物理性质都是一样的,这叫作各向同性。由于多晶体是由许多单晶体杂乱无章地组合而成的,所以多晶体也是各向同性的。
2.晶体的微观结构
(1)规则性:随着扫描隧道显微镜的问世,人类第一次观察到原子在物质表面的排列状况。在各种晶体中,原子(或分子、离子)都是按照一定的规则排列的,具有空间上的周期性。
(2)变化或转化:有的物质在不同条件下能够生成不同的晶体。那是因为组成它们的微粒能够按照不同的规则在空间分布。如碳原子如果按课本图9.1-7(石墨和金刚石的微结构)甲那样排列,就成为石墨,而按图 9.1-7乙那样排列,就成为金刚石。同种物质也可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现,也就是说,物质是晶体还是非晶体,并不是绝对的,晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化。
1.铁块没有规则的几何形状,铁块是非晶体吗
解答:铁块虽然没有规则的几何形状,但属于晶体。
2.石墨和金刚石都是由碳原子组成的,为什么石墨很软,而金刚石却很坚硬呢
解答:金刚石和石墨中的碳原子排列规则不同。
3.判断下列说法是否正确:
(1)铁块没有规则的几何形状,所以是非晶体。
(2)晶体具有确定熔点。
(3)具有各向同性的固体一定是非晶体。
解答:(1)常见的金属材料是多晶体,(1)错。
(2)无论是单晶体还是多晶体都有确定的熔点,而非晶体无确定的熔点,(2)正确。
(3)非晶体在物理性质上一定表现出各向 ( http: / / www.21cnjy.com )同性,多晶体是由许多单晶体杂乱无章的排列组合而成的,故多晶体在物理性质上也表现出各向同性,因此具有各向同性的固体可能是非晶体,也可能是多晶体,(3)错。
( http: / / www.21cnjy.com )
主题1:晶体和非晶体的比较
问题:阅读课本中“晶体和非晶体”标题下的内容,回答下列问题。
(1)说明两组固体:玻璃、蜂蜡、硬塑料和盐粒、砂糖、石英的外表有何不同 固体是怎样分类的
(2)探究单晶体、多晶体和非晶体的异同。
(3)某固体没有确定的形状,怎样判断它是非晶体还是多晶体呢
(4)做“蜂蜡熔化”的实验,说明玻璃片上和云母片上,蜂蜡熔化区域形状不同的原因。
解答:(1)盐粒、砂糖、石英属晶体,有规则的几何外形;玻璃、蜂蜡、硬塑料属非晶体,没有规则的几何外形。固体分为晶体和非晶体。
(2)单晶体和多晶体的共同点是有确 ( http: / / www.21cnjy.com )定的熔点,都是晶体,非晶体没有确定的熔点。不同点是单晶体具有规则的几何形状,在物理性质上表现为各向异性;而多晶体和非晶体没有规则的几何形状,在物理性质上都表现为各向同性。
(3)看有没有确定的熔点,有确定熔点的是多晶体,没有确定熔点的是非晶体。
(4)玻璃片是非晶体,云母片是晶体 ( http: / / www.21cnjy.com );玻璃片在导热性能上表现为各向同性,故出现蜂蜡熔化区域为圆形;云母片在导热性能上表现为各向异性,故出现蜂蜡熔化区域为椭圆形。
知识链接:晶体有确定的熔点,而非晶体没有确定的熔点。在一定条件下,晶体可以变为非晶体,非晶体也可以变为晶体。
主题2:用晶体的微观结构解释晶体的特征
问题:阅读课本中“晶体的微观结构”标题下的内容,回答下列问题。
(1)为什么单晶体具有规则的几何外形
(2)从微观结构上分析,单晶体为什么呈现出各向异性,而多晶体和非晶体为什么呈现出各向同性
(3)晶体为什么会有固定的熔点,而非晶体没有固定的熔点
解答:(1)由于单晶体的物质微粒是按照一定的 ( http: / / www.21cnjy.com )规则在空间中整齐地排列的,表现在外形上具有规则的几何形状,且不同类型的单晶体结构,决定了各种单晶体不同的外形。
(2)在不同方向上物质微粒的排列情况不同,才引起晶体在不同方向上物理性质的不同。
(3)晶体熔化时,吸收的热量全部用来破坏规则的排列,温度不发生变化。非晶体熔化时,先变软,然后变成黏滞性很大的液体,温度不断升高。
知识链接:晶体的微观结构决定其宏观物理性质,改变物质的微观结构从而改变了物质的属性,如碳原子可以组成性质差别很大的石墨和金刚石。
( http: / / www.21cnjy.com )
1.(考查晶体和非晶体)关于晶体和非晶体的说法,正确的是(　　)。
A.所有的晶体都表现为各向异性
B.晶体一定有规则的几何形状,形状不规则的金属一定是非晶体
C.大粒盐磨成细盐,就变成了非晶体
D.所有的晶体都有确定的熔点,而非晶体没有确定的熔点
【解析】只有单晶体才表现为 ( http: / / www.21cnjy.com )各向异性,故A错;单晶体有规则的几何形状,而多晶体无规则的几何形状,金属属于多晶体,故B错;大粒盐磨成细盐,细盐是形状规则的晶体,在放大镜下能清楚地观察到,故C错;晶体和非晶体的一个重要区别,就是晶体有确定的熔点,而非晶体无确定的熔点,故D对。
【答案】D
　　【点评】若经过人为加工,非晶体和多晶体也可以有规则的形状。
2.(考查晶体的微观结构)有关晶体的微观结构,下列说法正确的是(　　)。
A.同种元素原子按不同结构排列有相同的物理性质
B.同种元素原子按不同结构排列有不同的物理性质
C.同种元素形成晶体只能有一种排列规律
D.同种元素形成晶体可能有不同的排列规律
【解析】同种元素原子可以 ( http: / / www.21cnjy.com )按不同结构排列,即具有不同的空间点阵,物理性质则不同,如石墨和金刚石的物质密度、机械强度、导热性、导电性、光学性质等都有很大差别,所以B、D对,A、C错。
【答案】BD
　　【点评】单晶体具有各向异性,并不是 ( http: / / www.21cnjy.com )说每一种单晶体都能在各种物理性质上表现出各向异性,有些晶体沿不同方向的导热或导电性能不同,有些晶体沿不同方向的光学性质不同。
3.(考查晶体和非晶体的性质)图示是a、b两种不同物质的熔化曲线,下列说法正确的是(　　)。
( http: / / www.21cnjy.com )
A.a是晶体　　　　　B.b是晶体
C.a是非晶体　　　　 D.b是非晶体
【解析】晶体在熔化过程中,不断吸热,但 ( http: / / www.21cnjy.com )温度却保持不变(熔点对应的温度)。而非晶体没有确定的熔点,不断加热,非晶体先变软,然后熔化,温度不断上升,因此a对应的是晶体,b对应的是非晶体。
【答案】AD
　　【点评】晶体、非晶体的区分关键是看有无固定的熔点,单晶体与多晶体的区分关键是看有无规则外形及物理性质是各向异性还是各向同性。
( http: / / www.21cnjy.com )
4.(考查各向异性)一块密度和厚度 ( http: / / www.21cnjy.com )都均匀分布的矩形被测样品,长AB是宽AC的两倍,如图所示。若用多用电表沿两对称轴O1O1'和O2O2'测其电阻,阻值关系为R1=2R2,则这块样品可能是(　　)。
A.单晶体　 B.多晶体
C.非晶体　 D.以上说法全错
【解析】沿O1O1'和O2O2'两对称轴测该长方体所得电阻值不相同,且=,正说明该物质沿O1O1'和O2O2'方向电阻率(即导电性能)相同,即表现出各向同性的物理性质,故A选项错,B、C选项正确。
【答案】BC
　　【点评】单晶体的各向异性是指单晶体在不同方向上的物理性质不同,也就是沿不同方向去测试单晶体的物理性能时,测试结果不同。
拓展一:晶体和非晶体的物理特性
1.关于晶体和非晶体,下列说法中正确的是(　　)。
A.有规则几何外形的固体一定是晶体
B.晶体在物理性质上一定是各向异性的
C.非晶体不可能转化为晶体
D.晶体有确定的熔点,非晶体没有确定的熔点
【分析】解答本题可以按以下思路进行:
晶体与非晶体的区别判断是否为晶体
【解析】因为外形是否规则可以用人工的方法 ( http: / / www.21cnjy.com )处理,所以选项A错;多晶体在物理性质上是各向同性的,B错;实验证明非晶体在适当的条件下可以转化为晶体,C错;晶体与非晶体的区别表现在是否有确定的熔点,D对。
【答案】D
【点拨】判断晶体与非晶体的方法:
晶体与非晶体最本质的区别是晶体有确定 ( http: / / www.21cnjy.com )的熔点,而非晶体无确定的熔点,由于多晶体和非晶体都具有各向同性,且没有规则外形,仅从各向同性或几何形状不能断定某一固体是晶体还是非晶体。
　　拓展二:对晶体的微观结构的理解和应用
( http: / / www.21cnjy.com )
2.如图所示,食盐(NaCl)晶体是由 ( http: / / www.21cnjy.com )钠离子(图中○)和氯离子(图中●)组成的。这两种离子在空间中三个互相垂直的方向上,都是等距离地交错排列的。已知食盐的摩尔质量是58.8 g/mol,食盐的密度是 2.2 g/cm3,阿伏加德罗常数为6.0×1023 mol-1,在食盐晶体中两个最近的钠离子中心间的距离的数值最接近于(就下面四个数值相比)(　　)。
A.3.0×10-8 cm　　　　B.3.5×10-8 cm
C.4.0×10-8 cm D.5.0×10-8 cm
【分析】本题考查对晶体的微观结构的理解,并以此为基础估算所构建的物理模型中原子间的距离,即原子在空间排列的周期性规律。
【解析】1 mol食盐中有NA个氯离子和NA个钠离子(NA为阿伏加德罗常数),离子总数为2NA。因为摩尔体积=,即V=,所以,每个离子所占体积V0==
。这个V0即图中由八个离子为顶点的小立方体的体积,小立方体边长r=。而距离最近的两钠离子中心间的距离为r。故有
r=·=×
=× cm
=× cm=×2.8×10-8 cm
=4×10-8 cm
所以选项C正确。
【答案】C
【点拨】本题是典型的估算类问题 ( http: / / www.21cnjy.com ),是高中物理中需要掌握的一种最重要的方法和能力,也是高考中特别重视的一类题目。解决问题的关键是找出每个原子所占的空间体积,即确定晶体中周期性空间排列的最小单元。然后应用几何知识进行计算,得出正确的结果。
( http: / / www.21cnjy.com )
　　固体