第二章　4　固体 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修三

4　固体
[学习目标]　
1.知道晶体和非晶体的特点及其区分方法，明确单晶体和多晶体的区别(重点)。
2.了解晶体的微观结构，知道晶体和非晶体形状和物理性质不同的原因(难点)。
一、晶体和非晶体
1．固体的分类及性质
固体 天然外形 物理性质(导热性能、 机械强度、导电性能) 有无确定熔点
晶体 _______规则的几何外形，如金刚石、云母、明矾、雪花、食盐、味精等 各向同性或各向异性 _____确定熔点
非晶体 不具有规则的几何外形，如玻璃、松香、沥青、橡胶等 各向_______ ____确定的熔化温度
2.晶体的分类及性质
晶体 构成 物理性质 有无确定熔点
单晶体 大块晶体 各向______ 有确定熔点
多晶体 由____________构成 各向______ 有确定熔点
1．常见的金属没有规则的形状，但具有确定的熔点。它们是晶体还是非晶体？
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2.在玻璃片和云母片上分别涂上一层很薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触玻璃片及云母片的另一面，石蜡熔化，如图所示，那么你看到的现象及得出的结论是什么？
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3．某人为了检验一块薄片物质是否为晶体，做了一个实验。他以薄片的正中央O为坐标原点，建立Oxy平面直角坐标系，在两个坐标轴上分别取两点x1和y1，使x1和y1到O点的距离相等。在x1和y1上分别固定一个测温元件，再把一个针状热源放在O点，发现x1点和y1点的温度在缓慢升高，但两点温度的高低没有差异。于是得出结论：这块薄片是非晶体。请说明：以上结论科学吗？为什么？
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(1)所有晶体都具有天然、规则的几何外形。(　　)
(2)没有确定的熔化温度的固体一定是非晶体。(　　)
(3)物理性质表现为各向同性的一定是非晶体。(　　)
(4)单晶体的各向异性是指在每一种物理性质上都表现为各向异性。(　　)
(5)某一大块晶体粉碎成形状相同的颗粒，每个颗粒为一个单晶体。(　　)
例1　随着科技的发展国家对晶体材料的研究越来越深入，尤其是对稀土晶体的研究，已经走在世界的前列。关于晶体和非晶体，下列说法正确的是(　　)
A．晶体都有规则的几何外形，非晶体则没有规则的几何外形
B．具有规则几何外形的物体就是单晶体
C．多晶体是由单晶体组合而成的，但单晶体表现为各向异性，多晶体表现为各向同性
D．石墨和金刚石都是晶体，但石墨是单晶体，金刚石是多晶体
例2　(2023·盐城市高二月考)在图甲、乙、丙三种固体薄片上涂蜡，由烧热的针接触其上一点，蜡熔化的范围如图甲、乙、丙所示，而甲、乙、丙三种固体在熔化过程中温度随加热时间变化的关系如图丁所示，以下可能说法正确的是(　　)
A．甲、乙为非晶体，丙是晶体
B．甲、乙为晶体，丙是非晶体
C．甲、丙为非晶体，乙是晶体
D．甲为多晶体，乙为非晶体，丙为单晶体
判断晶体与非晶体、单晶体与多晶体的方法
1．区分晶体与非晶体的方法：看其有无确定的熔点，晶体具有确定的熔点，而非晶体没有确定的熔化温度。仅从各向同性或者几何形状不能判断某一固体是晶体还是非晶体。
2．区分单晶体与多晶体的方法：看其是否具有各向异性，单晶体某些物理性质表现出各向异性，而多晶体表现出各向同性。
二、晶体的微观结构
单晶体具有规则的几何外形，某些物理性质方面表现为各向异性，而非晶体没有规则的几何外形，并且物理性质方面表现为各向同性。产生这些不同的根本原因是什么呢？
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1．在各种晶体中，原子(或分子、离子)都是按照一定的________排列的，具有空间上的________。
2．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____________在空间分布，例如碳原子按不同的空间分布排列可形成________和__________。
3．同一种物质也可能以________和________两种不同的形态出现。有些非晶体在一定条件下也可以转化为________。
1．如图为石墨和金刚石的微观结构图，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？
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2．如图所示是一个平面上晶体微粒排列的情况。请观察沿不同方向单位长度上微粒的数目是否相同，并思考引起晶体各向异性的原因。
晶体各向异性的微观解释
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例3　下列说法正确的是(　　)
A．固体可以分为晶体和非晶体两类，晶体、非晶体是绝对的，是不可以相互转化的
B．由同种元素构成的固体，可能会由于原子的排列方式不同而成为不同的晶体
C．天然石英表现为各向异性，是由于该物质的微粒在空间的排列不规则
D．同种物质在不同条件下所生成的晶体微粒的排列规律相同
例4　(2022·苏州市高二期末)2010年诺贝尔物理学奖授予安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究，他们通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐减小，最终寻找到了厚度只有0.34 nm的石墨烯，是碳的二维结构。如图所示为石墨、石墨烯的微观结构。根据以上信息和已学知识判断，下列说法中正确的是(　　)
A．石墨是晶体，石墨烯是非晶体
B．石墨是单晶体，石墨烯是多晶体
C．石墨的物理性质表现为各向异性，石墨烯的物理性质表现为各向同性
D．他们是通过物理变化的方法获得石墨烯的
4　固体
[学习目标]　1.知道晶体和非晶体的特点及其区分方法，明确单晶体和多晶体的区别(重点)。2.了解晶体的微观结构，知道晶体和非晶体形状和物理性质不同的原因(难点)。
一、晶体和非晶体
1．固体的分类及性质
固体 天然外形 物理性质(导热性能、 机械强度、导电性能) 有无确定熔点
晶体 具有规则的几何外形，如金刚石、云母、明矾、雪花、食盐、味精等 各向同性或各向异性 有确定熔点
非晶体 不具有规则的几何外形，如玻璃、松香、沥青、橡胶等 各向同性 无确定的熔化温度
2.晶体的分类及性质
晶体 构成 物理性质 有无确定熔点
单晶体 大块晶体 各向异性 有确定熔点
多晶体 由许多晶粒构成 各向同性 有确定熔点
1．常见的金属没有规则的形状，但具有确定的熔点。它们是晶体还是非晶体？
答案　金属虽然没有规则的几何外形，但是有确定的熔点，所以金属是晶体。
2.在玻璃片和云母片上分别涂上一层很薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触玻璃片及云母片的另一面，石蜡熔化，如图所示，那么你看到的现象及得出的结论是什么？
答案　玻璃片上石蜡的熔化区域呈圆形，说明玻璃片沿各个方向的导热性能相同。云母片上石蜡的熔化区域呈椭圆形，说明云母片沿各个方向的导热性能不相同。
3．某人为了检验一块薄片物质是否为晶体，做了一个实验。他以薄片的正中央O为坐标原点，建立Oxy平面直角坐标系，在两个坐标轴上分别取两点x1和y1，使x1和y1到O点的距离相等。在x1和y1上分别固定一个测温元件，再把一个针状热源放在O点，发现x1点和y1点的温度在缓慢升高，但两点温度的高低没有差异。于是得出结论：这块薄片是非晶体。请说明：以上结论科学吗？为什么？
答案　不科学。实验说明该均匀薄片在x、y两个方向上导热性能相同，但不能因此就确定这块薄片是非晶体，因为晶体有可能在导热性能上表现为各向同性，而在其他性质上表现为各向异性；由于多晶体具有各向同性，该薄片也有可能是多晶体。
(1)所有晶体都具有天然、规则的几何外形。(　×　)
(2)没有确定的熔化温度的固体一定是非晶体。(　√　)
(3)物理性质表现为各向同性的一定是非晶体。(　×　)
(4)单晶体的各向异性是指在每一种物理性质上都表现为各向异性。(　×　)
(5)某一大块晶体粉碎成形状相同的颗粒，每个颗粒为一个单晶体。(　×　)
例1　随着科技的发展国家对晶体材料的研究越来越深入，尤其是对稀土晶体的研究，已经走在世界的前列。关于晶体和非晶体，下列说法正确的是(　　)
A．晶体都有规则的几何外形，非晶体则没有规则的几何外形
B．具有规则几何外形的物体就是单晶体
C．多晶体是由单晶体组合而成的，但单晶体表现为各向异性，多晶体表现为各向同性
D．石墨和金刚石都是晶体，但石墨是单晶体，金刚石是多晶体
答案　C
解析　单晶体有规则的几何外形，多晶体和非晶体则没有规则的几何外形，故A错误；单晶体具有天然的几何外形，但有些非晶体可以被塑造成规则的几何外形，比如正方体玻璃器件，故B错误；根据多晶体与单晶体的特点可知，单晶体的某些物理性质表现为各向异性，多晶体和非晶体的物理性质表现为各向同性，故C正确；石墨和金刚石都是晶体，金刚石是单晶体，故D错误。
例2　(2023·盐城市高二月考)在图甲、乙、丙三种固体薄片上涂蜡，由烧热的针接触其上一点，蜡熔化的范围如图甲、乙、丙所示，而甲、乙、丙三种固体在熔化过程中温度随加热时间变化的关系如图丁所示，以下可能说法正确的是(　　)
A．甲、乙为非晶体，丙是晶体
B．甲、乙为晶体，丙是非晶体
C．甲、丙为非晶体，乙是晶体
D．甲为多晶体，乙为非晶体，丙为单晶体
答案　D
解析　由图甲、乙、丙可知，甲、乙表现为各向同性，丙表现为各向异性；由图丁可知，甲、丙有固定熔点，乙无固定熔点，所以甲、丙为晶体，乙为非晶体，其中甲为多晶体，丙为单晶体，D正确。
判断晶体与非晶体、单晶体与多晶体的方法
1．区分晶体与非晶体的方法：看其有无确定的熔点，晶体具有确定的熔点，而非晶体没有确定的熔化温度。仅从各向同性或者几何形状不能判断某一固体是晶体还是非晶体。
2．区分单晶体与多晶体的方法：看其是否具有各向异性，单晶体某些物理性质表现出各向异性，而多晶体表现出各向同性。
二、晶体的微观结构
单晶体具有规则的几何外形，某些物理性质方面表现为各向异性，而非晶体没有规则的几何外形，并且物理性质方面表现为各向同性。产生这些不同的根本原因是什么呢？
答案　它们的微观结构不同。
1．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．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规则在空间分布，例如碳原子按不同的空间分布排列可形成石墨和金刚石。
3．同一种物质也可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现。有些非晶体在一定条件下也可以转化为晶体。
1．如图为石墨和金刚石的微观结构图，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？
答案　金刚石中碳原子间的作用力很强，而石墨是层状结构，层与层之间距离较大，原子间的作用力比较弱，所以金刚石很坚硬，石墨却很松软。
2．如图所示是一个平面上晶体微粒排列的情况。请观察沿不同方向单位长度上微粒的数目是否相同，并思考引起晶体各向异性的原因。
晶体各向异性的微观解释
答案　由晶体微粒的排列情况可知，沿不同方向单位长度上微粒的数目均不相同，正是这种不同，使晶体的物理性质表现为各向异性。
例3　下列说法正确的是(　　)
A．固体可以分为晶体和非晶体两类，晶体、非晶体是绝对的，是不可以相互转化的
B．由同种元素构成的固体，可能会由于原子的排列方式不同而成为不同的晶体
C．天然石英表现为各向异性，是由于该物质的微粒在空间的排列不规则
D．同种物质在不同条件下所生成的晶体微粒的排列规律相同
答案　B
解析　固体可以分为晶体和非晶体两类，晶体、非晶体是相对的，在一定的条件下可以相互转化，A错误；天然石英表现为各向异性，是由于组成该物质的微粒在空间的排列是规则的，具有空间上的周期性，C错误；相同物质在不同的条件下能够生成不同的晶体，组成它们的微粒能够按照不同的排列规律在空间分布，如金刚石与石墨，B正确，D错误。
例4　(2022·苏州市高二期末)2010年诺贝尔物理学奖授予安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究，他们通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐减小，最终寻找到了厚度只有0.34 nm的石墨烯，是碳的二维结构。如图所示为石墨、石墨烯的微观结构。根据以上信息和已学知识判断，下列说法中正确的是(　　)
A．石墨是晶体，石墨烯是非晶体
B．石墨是单晶体，石墨烯是多晶体
C．石墨的物理性质表现为各向异性，石墨烯的物理性质表现为各向同性
D．他们是通过物理变化的方法获得石墨烯的
答案　D
解析　石墨、石墨烯都是单晶体，石墨与石墨烯等都是碳元素的单质，故A、B错误；石墨、石墨烯的物理性质都表现为各向异性，故C错误；他们是通过物理变化的方法获得石墨烯的，故D正确。