人教版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第2章 第4节　固体学案

第4节　固　体
核心素养 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任
1.知道什么是晶体和非晶体、单晶体和多晶体；能从微观结构认识、区分单晶体、多晶体和非晶体。
2.知道晶体和非晶体在外形上和物理性质上的区别。了解晶体的微观结构。 1.通过实验体验得到单晶体和非晶体物理性质不同结论的过程。
2.了解固体材料在各个方面的应用。 实验探究晶体和非晶体各项物理性质的异同。 晶体的各向异性在生产生活中的应用。
知识点一　晶体和非晶体
[观图助学]
如图观察食盐颗粒和松香的外形，它们的外形各有怎样的特征？
再用显微镜观察精盐和松香粉末的外形，两者有什么样的差别吗？
1.固体的分类
(1)晶体：如石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、蔗糖、味精等。
(2)非晶体：如玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等。
2.晶体和非晶体的比较
(1)单晶体有天然规则的几何形状，非晶体没有天然规则的几何形状。
(2)晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点；晶体的某些物理性质表现为各向异性，非晶体沿各个方向的物理性质都是一样的，表现为各向同性。
3.多晶体
一些固体，由许多小的晶粒(单晶体)组成，这些小的单晶体的取向杂乱无章，把它称为多晶体，它没有确定的几何外形，也不显示各向异性，仅保留了在一定压强下具有确定熔点的特征。
[思考判断]
(1)所有晶体都具有天然、规则的几何外形。(×)
(2)没有固定熔点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。(×)
知识点二　晶体的微观结构
[观图助学]
观察食盐晶体和金刚石的微观结构图，看它们的原子(或离子)排列有什么特点？
　
食盐晶体的微观结构　　　金刚石的微观结构
1.组成晶体的原子(或分子、离子)，按照一定的规则排列，具有空间上的周期性。
2.微观结构的不同，造成晶体与非晶体形状和物理性质的不同。
3.在不同条件下，同种物质的微粒按照不同规则在空间排列，可以生成不同的晶体，例如石墨和金刚石。有些晶体在一定条件下可以转化为非晶体，例如天然水晶熔化后再凝固成石英玻璃。
[思考判断]
(1)同一种物质只能形成一种晶体。(×)
(2)有些非晶体在一定条件下可以转化为晶体。(√)
(3)金刚石是晶体，石墨是非晶体。(×)
雪花是水蒸气凝华时形成的晶体，它们的形状虽不同，但都是六角形的图案。食盐晶体总是立方体形，明矾晶体总是八面体形，石英晶体(俗称水晶)的中间是一个六棱柱，两端是六棱锥，像雪花、食盐小颗粒、明矾等都是单晶体。
几种晶体的几何形状
(1)单晶体的某些物理性质与方向有关，在不同的方向上物理性质各不相同称为各向异性。
(2)多晶体和非晶体的物理性质与方向无关，在各个方向都相同，称为各向同性。
(3)单晶体的各种物理性质并不是均表现为各向异性。
各向异性的微观理解
如图所示是一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。线段AB上物质微粒较多，线段AD上较少，线段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不同。
(1)对熔点的解释
给晶体加热到一定温度时，一部分微粒有足够的动能，克服微粒间的作用力离开平衡位置，使规则的排列被破坏，晶体开始熔化，熔化时晶体吸收的热量全部用来破坏规则的排列，温度不发生变化。
(2)有的物质有几种晶体
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。
核心要点 　对晶体和非晶体的理解
[观察探究]
(1)几种常见的晶体的几何形状和外形。
晶体的外形
(2)几种常见的非晶体。
请分析归纳单晶体、多晶体及非晶体的异同。
[探究归纳]
晶体分为单晶体和多晶体，其区别和联系如下：
[试题案例]
[例1] 下列关于晶体和非晶体的说法中正确的是
(　　)
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各向异性，故A错误；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错误；大粒盐磨成细盐，而细盐仍是形状规则的晶体，在放大镜下能清楚地观察到，故C错误；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正确。
答案　D
方法凝炼　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点。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)区分单晶体和多晶体的方法：看其是否具有各向异性，单晶体表现出各向异性，而多晶体表现出各向同性。
[针对训练1] 在甲、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，以下说法可能正确的是(　　)
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
解析　由图甲、乙、丙可知：甲、乙各向同性，丙各向异性；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，其中甲可能为多晶体，丙为单晶体，故D正确。
答案　D
核心要点 　晶体的微观结构
[要点归纳]
晶体的微观结构及特点
(1)组成晶体的微粒(分子、原子或离子)，依照一定的规则在空间中整齐地排列。
(2)晶体中微粒的相互作用很强，微粒的热运动不足以使它们克服相互作用而
远离。
(3)微粒的热运动表现为在平衡位置附近不停地做微小的振动。
物质的微观结构决定其宏观物理性质，改变物质的微观结构可以改变物质的属性，如碳原子可以组成性质差别很大的石墨和金刚石，有些晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。
[试题案例]
[例2] (多选)有关晶体的微观结构，下列说法中正确的有(　　)
A.同种元素的原子按不同结构排列有相同的物理性质
B.同种元素的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　同种元素的原子可以按不同结构排列，形成不同的物质，不同物质的物理性质不同，例如：由碳元素组成的石墨和金刚石的密度、机械强度、导热性能、导电性能和光学性质等都有很大差别，所以B、D正确，A、C错误。
答案　BD
温馨提示　物体的宏观性质是由微观结构决定的，单晶体和非晶体的物理性质不同，是因为微观结构不同，单晶体具有各向异性也是由微观粒子排列的特点决定的。
[针对训练2] 在晶体中，原子(或分子、离子)都是按照各自的规律排列的，具有空间上的周期性。晶体的这种微观结构可用来解释(　　)
A.单晶体具有规则的几何形状，非晶体没有规则的几何形状
B.晶体能溶于水，非晶体不能溶于水
C.晶体的导电性比非晶体强
D.晶体的机械强度不如非晶体
解析　单晶体内的原子按一定规律排列，因此具有规则的几何外形，在物理性质上具有各向异性的特点，而非晶体没有规则的几何形状，A正确；这种微观结构不能解释晶体能溶于水、晶体的导电性、机械强度，也不能解释非晶体的各向同性，B、C、D错误。
答案　A
1.(晶体和非晶体)下列固体中全是由晶体组成的是(　　)
A.石英、云母、明矾、食盐、雪花、铜
B.石英、玻璃、云母、铜
C.食盐、雪花、云母、硫酸铜、松香
D.蜂蜡、松香、橡胶、沥青
答案　A
2.(晶体和非晶体)(多选)关于晶体和非晶体的几种说法中，正确的是(　　)
A.不具有规则几何形状的物体一定不是晶体
B.有些晶体的物理性质与方向有关，这种特性叫做各向异性
C.若物体表现为各向同性，它就一定是非晶体
D.晶体有一定的熔化温度，非晶体没有一定的熔化温度
解析　只有单晶体有规则的几何形状，而多晶体没有确定的几何形状，选项A错误；有些晶体的物理性质与方向有关，这种特性叫各向异性，选项B正确；若物体表现为各向同性，则可能是多晶体，也可能是非晶体，选项C错误；晶体有一定的熔化温度，非晶体没有一定的熔化温度，选项D正确。
答案　BD
3.(晶体的微观结构)(多选)下列说法正确的是(　　)
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.凡具有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　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；具有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。
答案　ABD
4.(晶体的微观结构)(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　晶体的各向异性取决于晶体内部结构的有规则性，即不同方向上物质微粒的排列情况不同。故A、D正确。
答案　AD
基础过关
1.(多选)关于晶体和非晶体，下列说法中正确的是(　　)
A.晶体和非晶体都有固定的熔点
B.晶体有固定的熔点，而非晶体没有固定的熔点
C.所有晶体都是各向异性的
D.多晶体没有确定的几何形状
解析　晶体有固定的熔点，而非晶体没有固定的熔点，所以A错误，B正确；晶体中的单晶体各向异性，多晶体各向同性，所以C错误；单晶体有确定的几何形状，而多晶体和非晶体均无确定的几何形状，所以D正确。
答案　BD
2.某球形固体物质，其各向导热性能相同，则该物体(　　)
A.一定是非晶体
B.可能具有确定的熔点
C.一定是单晶体，因为它有规则的几何外形
D.一定不是单晶体，因为它具有各向同性的物理性质
解析　导热性能各向相同的物体可能是非晶体，也可能是多晶体，因此，A错误；多晶体具有确定的熔点，因此B正确；物体外形是否规则不是判断是否是单晶体的依据，应该说，单晶体具有规则的几何外形是“天生”的，而多晶体和非晶体也可以有规则的几何外形，当然，这只能是“后天”人为加工的，因此C错误；因为单晶体区别于多晶体和非晶体在于其物理性质上的各向异性，但导热具有各向同性，不代表所有物理性质都是各向同性，比如，导电可能是各向异性，故D错误。
答案　B
3.下面哪些现象能说明晶体与非晶体的区别(　　)
A.食盐粒透明，橡胶不透明
B.金刚石的密度大，松香的密度小
C.冰熔化时温度保持不变，松香熔化时温度不断升高
D.石墨可导电，沥青不导电
解析　透明程度、密度和导电性不是晶体与非晶体的区别，A、B、D错误，C正确。
答案　C
4.(多选)下列固体物质哪些是晶体(　　)
A.雪花 B.黄金
C.玻璃 D.食盐
解析　玻璃是非晶体，雪花、食盐是晶体，黄金是金属，各种金属材料是晶体(属晶体中的多晶体)，所以A、B、D正确。
答案　ABD
5.(多选)图中a、b是两种不同物质的熔化曲线，根据曲线，你认为下面说法中正确的是(　　)
A.a是一种晶体的熔化曲线
B.b是一种晶体的熔化曲线
C.a是一种非晶体的熔化曲线
D.b是一种非晶体的熔化曲线
解析　晶体在熔化过程中，不断吸热，但温度却保持不变(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，温度却不断上升，因此a是晶体，b是非晶体。
答案　AD
6.(多选)对下列几种固体物质的认识，正确的有(　　)
A.食盐熔化过程中，温度保持不变，说明食盐是晶体
B.烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，熔化的蜂蜡呈椭圆形，说明蜂蜡是晶体
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.石墨和金刚石的物理性质不同，是由于组成它们的物质微粒排列结构不同
解析　晶体的特点是在熔化过程中温度保持不变，有固定的熔点，食盐熔化过程中，温度保持不变，说明食盐是晶体，A正确；蜂蜡是非晶体，B错误；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规则，C错误；石墨和金刚石的物理性质不同，是由于组成它们的物质微粒排列结构不同，D正确。
答案　AD
7.晶体内部的分子有序排列为如图所示的空间点阵(图中的小黑点表示晶体分子)，图中AB、AC、AD为等长的三条线段。下列说法中正确的是(　　)
A.A处的晶体分子可以沿三条线段发生定向移动
B.三条线段上，晶体分子的数目相同，表明晶体的物理性质是各向同性的
C.三条线段上，晶体分子的数目不同，表明晶体的物理性质是各向异性的
D.以上说法均不正确
解析　晶体中的分子只在平衡位置附近振动，不会沿三条线段发生定向移动，故A错误；三条线段上晶体分子的数目不同，表明晶体的物理性质是各向异性的，故B、D错误，C正确
答案　C
能力提升
8.(多选)关于晶体和非晶体，下列说法正确的是(　　)
A.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排列是不规则的
B.晶体内部的物质微粒是静止的，而非晶体内部的物质微粒是不停地运动着的
C.物质是晶体还是非晶体并不是绝对的
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　晶体具有规则的形状，是晶体内部物质微粒有规则排列的宏观表现；不管是晶体，还是非晶体，组成物质的微粒永远在做热运动；晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化，即使晶体各个平面上的微粒数也不一定相等，故A、C正确，B、D错误。
答案　AC
9.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒是非晶体
B.固体可以分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同方向上有不同的光学性质
C.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
D.在合适的条件下，某些晶体可以转变为非晶体，某些非晶体也可以转变为晶体
解析　晶体并不会因为颗粒的大小而改变，即使敲碎为小颗粒，仍然是晶体，A错误；根据是否有固定的熔点，可以把固体分为晶体和非晶体两类，单晶体有各向异性，B正确；同种元素构成的固体，可能由于原子的排列方式不同而形成不同的晶体，如金刚石和石墨，C正确；晶体的分子排列结构如果遭到破坏就可能形成非晶体，反之亦然，D正确。
答案　BCD
10.(多选)如图所示，甲、乙、丙三种固体物质，质量相等，加热过程中，相同时间内吸收的热量相等，从其温度随时间变化的图像可以判断(　　)
A.甲、丙是晶体，乙是非晶体
B.乙是晶体，甲、丙是非晶体
C.乙是非晶体，甲的熔点比丙低
D.乙是非晶体，甲的熔点比丙高
解析　晶体在熔化过程中吸热，但是温度不发生变化，这是晶体的重要特征，由题图知甲、丙为晶体，乙为非晶体，故A正确，B错误；从熔点上看甲温度到t2时才熔化，故C错误，D正确。
答案　AD
11.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，从而可以研究物质的结构。如图所示的照片是一些晶体材料表面的STM图像，通过观察、比较，可以看到这些材料表面的原子排列有着共同的特点。这些共同的特点是：(1)________________________________；
(2)____________________________。
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规律一般不同
(2)原子排列具有一定的对称性等
12.如图所示为食盐晶体结构示意图，食盐的晶体是由钠离子(图中〇)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58.5 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，试估算食盐晶体中两个最近的钠离子中心间的距离。
解析　1 mol食盐中有NA个氯离子和NA个钠离子，离子总数是2NA，摩尔体积V与摩尔质量M与物质密度ρ的关系为：V＝，所以一个离子所占的体积为：V0＝＝。
由图可知V0就是图中每四个离子所夹的正立方体的体积，此正方体的边长d＝＝，
而最近的两个钠离子中心间的距离
r＝d＝·＝1.41×
m≈4×10－10 m。
答案　4×10－10 m