2019年物理粤教选修3-3学案 第二章+第二、三节+晶体的微观结构+固体新材料+Word版含解析

第二、三节晶体的微观结构__固体新材料
1．人们根据晶体外形的规则性和物理性质的各向异性提出了一种假说，认为晶体内部的微粒是有规则地排列着。后来人们应用X射线对晶体结构进行研究，证实了这种假说的正确性。
2．从微观的角度看，组成晶体的微观粒子按一定的规律在空间整齐排列。物质微粒间有很强的相互作用，微粒的热运动不能克服它们的相互作用而远离，表现为在一定的平衡位置附近做微小振动。
3. 晶体的外形规则可以用物质微粒的规则排列来解释，晶体的各向异性是因为在不同方向上物质微粒的排列情况不同而引起的，另外，晶体有确定的熔点也可以由晶体物质粒子的规则排列得到解释。
4．有的物质在不同条件下能够生成不同的晶体。这是因为组成它们的微粒能够按照不同规则在空间分布。如碳原子如果按如图甲所示那样排列，就成为石墨，而按如图乙所示那样排列，就成为金刚石。
5．新材料的研发及其应用，推动了人类文明和社会进步，半导体材料是支撑现代文明社会的最重要的材料之一，磁存储材料的发展推动了磁记录技术的进步，使电子计算机的微型化成为可能。
6．新材料的制备是今后新材料科学技术发展的重要内容之一，例如：利用空间失重条件进行晶体生长，利用强磁场、强冲击波、超高压、超高真空以及强制冷等手段制备特殊性能的新材料。
晶体的微观结构
1.晶体微观结构的特点
(1)组成晶体的物质微粒(分子、原子或离子)，依照一定的规律在空间中整齐地排列。
(2)晶体中物质微粒的相互作用很强，微粒的热运动不足以克服它们的相互作用力而远离。
(3)微粒的热运动表现为在一定的平衡位置附近不停地做微小的振动。
2．晶体特性的微观结构解释
(1)各向异性：
如图所示，这是在一个平面上晶体物质微粒的排列情况。从图中可以看出，在沿不同方向所画的等长线段AB、AC、AD上，物质微粒的数目不同。直线AB上物质微粒较多，直线AD上较少，直线AC上更少。正因为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。
(2)晶体有确定的熔点：
①晶体的温度升高时，组成晶体的微粒运动加剧，当热运动达到足以破坏其空间排列的规律性时，晶体开始熔化，要破坏微粒空间排列的规律性就需要克服微粒的强大作用力做功，因为在晶体尚未全部熔化之前，吸收的热量全部用来破坏其空间排列的规律性，所以晶体熔化时有确定的熔点，虽然在熔化过程中不断地吸收热量，但吸收的热量全部用来破坏规则的排列，因此温度并不发生变化，当晶体全部熔化后所吸收热量、温度，将由熔点继续升高。
②晶体熔化时内能增大。晶体熔化时温度保持不变，分子的平均动能不变，晶体熔化过程中吸收的热量使分子间的距离增大，全部用来增加分子的势能，因为物体的内能是所有分子动能和分子势能的总和，所以晶体熔化时内能增大。
(3)同一种物质可生成不同的晶体：
这是由于它们的物质微粒能够形成不同的晶体结构，例如碳原子按不同的结构排列可形成石墨和金刚石，二者在物理性质上有很大不同。白磷和红磷的化学成分相同，但白磷具有立方体结构，而红磷具有与石墨一样的层状结构。
(1)晶体的微观结构模型并不代表晶体结构的真实情况，它只是组成晶体的物质微粒有规则排列的示意图。
(2)非晶体内部物质微粒排列不规则，加热时逐渐软化，温度持续上升，没有确定的熔点。
1．[多选]晶体具有各向异性的特点是由于(　　)
A．晶体在不同方向上物质微粒的排列情况不同
B．晶体在不同方向上物质微粒的排列情况相同
C．晶体内部结构的无规则性
D．晶体内部结构的有规则性
解析：选AD　晶体的各向异性是晶体内部结构的有规则性，使不同的方向上物质微粒的排列情况不同，则选项A、D正确。
固体新材料
1.新材料的基本特征
(1)有优异的性能和广阔的应用前景。
(2)它的发展和材料理论有密切的关系，与新工艺、新技术也密切相关。
(3)它的研制与基础学科和理工技术的成果交织在一起。
(4)它具有特殊的性能，例如高强度、超高硬度、超塑性，以及磁性、超导性等特殊的物理性能。
2．新材料的应用
(1)半导体材料：
①应用领域：信息处理与通讯领域
②半导体材料——硅
a．是当前用途最广的半导体材料
b．集成电路对硅单晶片的要求：完整性和局域平整度都有较高要求。
(2)磁存储材料：
①发展过程：氧化物磁粉、金属合金磁粉、金属薄膜。
②磁性铁氧体单晶薄膜，存储密度大，使电子计算机的微型化成为可能。
3．新材料的未来
(1)研究各种复合材料、研究并开发纳米材料、开发同时具有感知外界环境或参数变化和驱动功能的机械材料、研究开发生物医学材料等。
(2)新材料的制备工艺、检测仪器和计算机应用。
材料科学技术的基础是研究材料的微观结构，因为固体材料内部物质微粒的排列影响材料的物理性能。
2．下列说法正确的是(　　)
A．新材料特殊的性能，它不仅包括特殊的物理性能，也包括一些特殊的化学性能
B．制作集成电路时，尽管对硅单晶片的完整性有很高的要求，但是可以允许单晶片内原子的规则排列出现微小的缺陷
C．纳米是长度单位，1 nm＝10－10 m
D．金属薄膜可以配合读写磁头设计的改进，增大磁记录的密度
解析：选D　新材料的特殊性能是指物理性能，A错；制作集成电路的硅单晶片是不允许硅单晶片内原子的规则排列出现微小的缺陷的，B错；1 nm＝10－9m，C错；由于金属薄膜的晶粒尺寸小、晶粒各向异性大，晶粒间的相互交换作用弱，是可以配合读写磁头的改进增大磁记录的密度的，D正确。
对固体微粒结构的认识
[例1]　关于晶体和非晶体，下列说法正确的是(　　)
A．它们是由不同的微粒规则排列构成的
B．晶体内部的物质微粒是有规则地排列的，而非晶体内部物质微粒的排列是无规则的
C．晶体内部的微粒是静止的，而非晶体内部的物质微粒是不停地运动着的
D．在物质内部的各个平面上，微粒数相等的是晶体，微粒数不等的是非晶体
[解析]　微粒的规则排列是晶体的特殊结构，是晶体的一个特性，所以A错B对；组成物质的微粒永远在做热运动，不管是晶体还是非晶体，所以C是错的；非晶体就提不到什么层面的问题，即使是晶体，各个层面的微粒数也不见得相等，所以D也是错误的。
[答案]　B
借　题
发　挥
(1)物质微粒的规则排列是晶体的特性。
(2)一切微粒都在永不停息地做无规则热运动。
(3)晶体的微观结构决定了晶体外形的规则性和物理性质的各向异性。
晶体微观结构的应用
[例2]　内陆盐矿中开采的氯化钠称为岩盐，岩盐的颗粒很大，我们能清楚地看出它的立方体形状。把大颗粒的岩盐敲碎后，小颗粒的岩盐仍然呈立方体形状。如图所示为岩盐晶体的平面结构：白点为氯离子，黑点为钠离子，如果把它们用直线连起来，将构成一系列大小相同的正方形。作分界线AA1，使它平行于正方形的对角线，作分界线BB1，使它平行于正方形的一边。在两线的左侧各取一个钠离子：M和N，为了比较这两个钠离子所受分界线另一侧的离子对它作用力的大小，分别以M，N为圆心，作两个相同的扇形，不考虑扇形以外远处离子的作用。
(1)如果F表示两个相邻离子之间引力的大小，问：M，N所受扇形范围内的负离子对它作用力的合力是F的多少倍？为使问题简化，设所有离子都是质点，而且它们的相互作用遵从平方反比规律。
(2)根据计算结果解释：为什么敲碎的岩盐总是呈立方形状，而不会沿图中AA1分界线断开？
[解析]　(1)因扇面内相邻粒子间的引力为F，由图可知M受到两个负离子作用力的合力为F，N所受负离子的引力为F。
(2)因受外力作用后，由(1)知N处离子间吸引力小些易断开，即可沿BB1断开，而较难沿AA1断开。
[答案]　(1)F　F　(2)见解析
借　题　
发　挥
(1)带电微粒间的作用力为库仑力，不是万有引力，库仑力要远远大于万有引力。
(2)正确地理解题意和题中的结构模型是解决此类信息题目的关键。
1．[多选]下列说法中正确的是(　　)
A．化学成分相同的物质只能生成同一种晶体
B．因为石英是晶体，所以由石英制成的玻璃也是晶体
C．普通玻璃是非晶体
D．一块铁虽然是各向同性的，但它们是晶体
解析：选CD　一种元素可以生成多种晶体，因为其分子可能排成几种空间点阵结构；玻璃为非晶体，而石英为晶体，所有的金属都为多晶体，故C、D正确。
2．下列说法错误的是(　　)
A．晶体具有天然规则的几何形状，是因为物质微粒是规则排列的
B．有的物质能够生成种类不同的几种晶体，因为它们的物质微粒能够形成不同的空间结构
C．凡各向同性的物质一定是非晶体
D．晶体的各向异性是由晶体内部结构决定的
解析：选C　晶体的外形、物理性质都是由晶体的微观结构决定的，A、B、D正确；各向同性的物质不一定是非晶体，多晶体也具有这样的性质，C错误。
3．[多选]有关晶体的排列结构，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：选BD　同种元素原子在不同情况下可能按不同的方式排列，并导致物理性质有明显的差异，故A、C错误，B、D正确。
4．下列叙述中，不能利用晶体的微观结构解释的是(　　)
A．晶体有规则的几何外形，非晶体没有规则的几何外形
B．晶体有一定的熔点，非晶体没有熔点
C．晶体的导电性能比非晶体好
D．单晶体的各向异性
解析：选C　由晶体的微观结构特点可知A、B、D正确；晶体的导电性能不一定比非晶体好。
5．[多选]下列叙述中错误的是(　　)
A．单晶体的各向异性是由于它的微粒按空间点阵排列
B．单晶体具有天然规则的几何外形是由于它的微粒按一定规则排列
C．非晶体有规则的几何形状和确定的熔点
D．石墨的硬度比金刚石差很多，是由于它的微粒没有按空间点阵分布
解析：选CD　单晶体内部微粒排列的空间结构决定着单晶体的物理性质，也正是由于它的微粒按一定规律排列，使单晶体具有天然规则的几何形状。石墨与金刚石的硬度相差甚远是由于它们内部微粒的排列结构不同，石墨的层状结构决定了它的质地柔软，而金刚石的网状结构决定了其中碳原子间的作用力很强，所以金刚石有很大的硬度。
6．[多选]下列关于晶体空间结构的说法，正确的是(　　)
A．构成晶体空间结构的物质微粒，只能是离子
B．晶体的物质微粒之所以能构成空间结构，是由于晶体中物质微粒之间相互作用很强，所有物质微粒都被牢牢地束缚在空间结构的结点上不动
C．所谓空间点阵与空间结构的结点，都是抽象的概念；结点是指组成晶体的物质微粒做永不停息的微小振动的平衡位置；物质微粒在结点附近的微小振动，就是热运动
D．相同的物质微粒，可以构成不同的空间结构；也就是同一种物质能够生成不同的晶体，从而能够具有不同的物理性质
解析：选CD　组成晶体的物质微粒可以是分子、原子或离子，这些物质微粒也就是分子动理论所说的分子。显然，组成晶体的物质微粒处在永不停息的无规则的热运动之中，物质微粒之间还存在相互作用，晶体的物质微粒之所以能构成空间点阵，是由于晶体中物质微粒之间的相互作用很强，物质微粒的热运动不足以克服这种相互作用而彼此远离，综上所述，选项C、D正确。
7．晶体在熔化过程中所吸收的热量，主要用于(　　)
A．破坏晶体的空间结构，增加分子动能
B．破坏晶体的空间结构，增加分子势能
C．破坏晶体的空间结构，增加分子势能，同时增加分子动能
D．破坏晶体的空间结构，但不增加分子势能和分子动能
解析：选B　晶体有确定的熔点，熔化过程吸收的热量用于破坏晶体的空间结构，因温度不变，所以分子平均动能不变，吸收的热量用于增加分子势能，内能增加，所以选项B正确。
8．[多选]下列关于白磷与红磷的说法中，正确的是(　　)
A．它们是由不同的物质微粒组成的
B．它们有不同的晶体结构
C．它们具有相同的物理性质
D．白磷的燃点低、红磷的燃点高
解析：选BD　白磷和红磷是由磷元素构成，故A错；白磷和红磷的微粒排列规律不同，构成了不同的晶体，在物理性质上有较大差别，如白磷的燃点比红磷的燃点低，故B、D对，C错。
9．关于石墨和金刚石的区别，下面说法正确的是(　　)
A．石墨和金刚石是由同种物质微粒组成、空间结构相同的晶体
B．金刚石晶体结构紧密，所以质地坚硬，石墨晶体是层状结构，所以质地松软
C．石墨与金刚石是由不同的物质微粒组成的不同晶体
D．石墨导电而金刚石不导电是由于组成它们的化学元素不同
解析：选B　石墨和金刚石都是由碳原子组成的，但碳原子在空间按不同的规则分布。故正确答案为B。
10．现代建筑出现一种新设计：在墙面装饰材料中均匀混入小颗粒状的小球，球内充入一种非晶体材料，当温度升高时，球内材料熔化吸热，当温度降低时，球内材料凝固放热，使建筑内温度基本保持不变。下列四个图像中， 表示球内材料的熔化图像的是(　　)
解析：选C　由于该球内充入的是一种非晶体材料，根据非晶体熔化过程中吸热、温度不断升高但没有一定的熔点的特点，可以判断应该选C；而A是晶体熔化的图像；B、D分别是晶体和非晶体的凝固图像。
11．如图是萘晶体的熔化曲线，由图可知，萘的熔点是________，熔化时间为________。若已知萘的质量为m，固态时比热容为c1，液态时比热容为c2，熔化热为λ，试计算在0～t1 、t1～t2和t2～t3这三个时间间隔中吸收的热量。
答案：T2　t2－t1
0～t1，Q1＝c1m(T2－T1)
t1～t2，Q2＝λ·m
t2～t3，Q3＝c2m(T3－T2)
12．利用扫描隧道显微镜(STM)可以得到物质表面原子排列的图像(如图)，从而可以研究物质的构成规律。下面的照片是一些晶体材料表面的STM图像，通过观察、比较，可以看到这些材料都是由原子在空间排列而构成的，具有一定的结构特征。则构成这些材料的原子的物质表面排列的共同特点是：
(1)________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
(2)________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：本题通过扫描隧道显微镜研究晶体材料的构成规律，尽管不同材料的原子在空间排列情况不同，但原子都是按照一定规律排列的，都具有一定的对称性。
答案：(1)在确定方向上原子有规律地排列，在不同方向上原子的排列一般不同
(2)原子的排列具有一定的对称性