高中 物理 必修第三册 第二章 气体、固体和液体《第4节 固 体》教学设计VIP

第4节固体[学习目标]1．知道晶体和非晶体、单晶体和多晶体的概念。2．知道各向异性现象和各向同性现象。3．掌握晶体和非晶体在外形上和物理性质上的区别。4．学会用晶体的微观结构特点来解释晶体外形的规则性和物理性质的各向异性。知识点1晶体和非晶体1．固体分类通常可分为晶体和非晶体两大类。2．晶体的宏观特征(1)晶体分类晶体可分为单晶体和多晶体两类。(2)单晶体定义：具有规则的几何形状，外形都是由若干个平面围成的多面体。宏观特性：①具有规则的几何形状；②具有各向异性；③有确定的熔点。(3)多晶体定义：没有规则的几何形状，由小晶粒杂乱无章地排列在一起构成的晶体。宏观特性：①没有规则的几何形状；②具有各向同性；③有确定的熔点。3．非晶体的宏观特征非晶体的物理性质是各向同性，没有固定的熔点。[判一判]1．(1)铁块没有规则的几何形状，所以是非晶体。()(2)晶体具有确定的熔点。()(3)具有各向同性的固体一定是非晶体。()(4)玻璃没有确定的熔点，也没有规则的几何形状。()提示：(1)×(2)√(3)×(4)√知识点2晶体的微观结构1．规则性单晶体的原子(或分子、离子)都是按照各自的规则排列，具有空间上的周期性。2．变化或转化在不同条件下，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。有些非晶体在一定条件下可以转化为晶体。[判一判]2．(1)晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。()(2)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。()提示：(1)√(2)×1．(晶体和非晶体)(多选)关于晶体和非晶体，下列说法正确的是()A．单晶体具有各向异性B．多晶体具有各向异性C．非晶体的各种物理性质，在各个方向上都是相同的D．晶体的各种物理性质，在各个方向上都是不同的答案：AC2．(晶体和非晶体)下列说法错误的是()A．将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒仍然是晶体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．在合适的条件下，某些晶体可以转化为非晶体，某些非晶体也可以转化为晶体D．在熔化过程中，晶体要吸收热量，但温度保持不变，内能也保持不变解析：选D。将一块晶体敲碎后，物理性质和化学性质都没有变化，得到的小颗粒仍然是晶体，故A正确；固体可以分为晶体和非晶体两类，晶体具有各向异性，有些晶体在不同方向上有不同的光学性质，故B正确；在合适的条件下，某些晶体可以转化为非晶体，某些非晶体也可以转化为晶体，例如天然石英是晶体，熔融过程中的石英是非晶体，故C正确；在熔化过程中，晶体要吸收热量，但温度保持不变，内能增加，故D错误。3．(晶体的微观结构)(多选)关于晶体和非晶体，下列说法中正确的是()A．同种物质不可能呈现晶体和非晶体两种不同的形态B．晶体中原子(或分子、离子)都按照一定规则排列，具有空间上的周期性C．单晶体和多晶体都具有各向异性的物理性质D．单晶体具有规则的外形是由于它的微粒按一定规律排列解析：选BD。理论和实验证明非晶体具有不稳定状态，在适当的条件下会变成晶体，A错误；晶体分子的排列有规则，在空间上有周期性，B、D正确；单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性，C错误。探究一晶体和非晶体1．单晶体的特征(1)具有天然的规则外形，这种规则的外形不是人工造成的。(2)物理性质各向异性，这是单晶体区别于非晶体和多晶体最重要的特性，是判断单晶体最主要的依据。(3)具有一定的熔点，单晶体在这一点上和多晶体没有区别。从宏观上区分晶体和非晶体的重要依据是看有无一定的熔点。2．多晶体和非晶体(1)多晶体虽无天然规则的几何形状，物理性质各向同性，但组成多晶体的晶粒都有规则的几何形状，每一个晶粒都具有单晶体的特征和物理性质，这是多晶体和非晶体在内部结构上的区别。(2)多晶体与非晶体在宏观上的区别在于多晶体具有一定的熔点，非晶体则没有，例如很多同学认为玻璃应是多晶体，但实验证明玻璃没有一定的熔点，故应是非晶体。3．正确理解单晶体的各向异性(1)在物理性质上，单晶体具有各向异性，而非晶体则是各向同性的。①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质时，测试结果不同。②通常所说的物理性质包括弹性、硬度、导热性能、导电性能、磁性等。(2)单晶体具有各向异性，并不是说每一种单晶体都能在各种物理性质上表现出各向异性，举例如下：①云母、石膏晶体在导热性上表现出显著的各向异性——沿不同方向传热的快慢不同。②方铅矿石晶体在导电性上表现出显著的各向异性——沿不同方向电阻率不同。③立方体形的铜晶体在弹性上表现出显著的各向异性——沿不同方向的弹性不同。④方解石晶体在光的折射上表现出各向异性——沿不同方向的折射率不同。4．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和沸点，而非晶体没有确定的熔点和沸点，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。【例1】北京冬奥会中国科研团队打破人工造雪核心技术“冰状雪”的国家封锁，成功制造出适应大陆性季风气候特点的合格“冰状雪”。“冰状雪”可以减小雪道表面与滑雪板间的摩擦力，保证雪道表面不易变形。即使在运动员高速转向的情况下，也能保证雪道表面平整光滑。不论选手第几个出场，雪道都可以处于相对完美的状态，以此确保比赛的公平性。已知普通雪密度是0.1～0.3g/cm3，而“冰状雪”密度则需要达到0.65g/cm3。下列说法正确的是()A．“冰状雪”没有规则的形状，是非晶体B．在同样条件下，同体积的“冰状雪”比自然雪融化得慢C．3℃的水通过造雪机转化为雪时，需要吸收热量D．“冰状雪”融化成水的过程中温度会不断变化[解析]“冰状雪”有固定的熔点，是晶体，故A错误；“冰状雪”密度较大，在同样条件下，同体积的“冰状雪”比自然雪融化得慢，故B正确；3℃的水通过造雪机转化为雪时，需要放出热量，故C错误；“冰状雪”是晶体，融化成水的过程中温度不变，故D错误。[答案]B【例2】如图所示，ACBD是一块厚度均匀的由同一种微粒构成的圆板，AB和CD是互相垂直的两条直径，把圆板从图示位置转90°后电流表示数发生了变化(两种情况下都接触良好)，关于圆板，下列说法正确的是()A．圆板是非晶体B．圆板是多晶体C．圆板是单晶体D．不知有无固定熔点，无法判定是晶体还是非晶体[解析]电流表示数发生变化，说明圆板沿AB和CD两个方向的导电性能不同，即各向异性，所以圆板是单晶体，故A、B、D错误，C正确。[答案]C[针对训练1](多选)在甲、乙、丙三种固体薄片上涂蜡，用烧热的针接触其上一点，蜡熔化的范围如图甲、乙、丙所示，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．甲为晶体，乙为非晶体，丙为单晶体D．甲、丙有确定的熔点，乙无确定的熔点答案：CD探究二晶体的微观结构【问题导引】1．单晶体具有规则的几何外形，物理性质方面表现为各向异性，而非晶体却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？2．金刚石和石墨都是由碳原子构成的，但它们在硬度上差别很大，这说明什么问题？提示：1.它们的微观结构不同。2．金刚石是网状结构，原子间的作用力强，所以金刚石的硬度大。石墨是层状结构，原子间的作用力弱，所以石墨的硬度小。这说明组成物质的微粒按照不同的规则在空间分布会形成不同的晶体。1．晶体内部的微粒是按各自的规则排列的，具有空间上的周期性。食盐晶体中氯离子和钠离子分布的示意图如图所示。2．同种元素的微粒能够按照不同规则在空间分布形成不同的物质。例如，碳原子如果按图甲排列，就成为石墨，而按图乙排列，就成为金刚石。3．说明(1)原子(或者分子、离子)并不是像结构图上所画的那些点一样静止不动，它们时刻都在不停地振动，结构图中所画的那些点，是它们振动的平衡位置。(2)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。例如，天然水晶是晶体，而熔化以后再凝固的水晶(石英玻璃)就是非晶体。有些非晶体在一定条件下也可以转化为晶体。4．对晶体的微观解释(1)对单晶体各向异性的解释一个平面上单晶体物质微粒的排列情况如图所示。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。因为在不同方向上物质微粒的排列情况不同，才引起单晶体在不同方向上物理性质的不同。(2)对晶体具有确定熔点的解释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。【例3】(多选)大自然之中存在许多绚丽夺目的晶体，这些晶体不仅美丽，而且由于化学成分和结构各不相同而呈现出千姿百态；高贵如钻石，平凡如雪花，都是由无数原子严谨而有序地组成的；关于晶体与非晶体，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．多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体没有确定的几何形状C．晶体沿不同的方向的导热或导电性能相同，沿不同方向的光学性质一定相同D．单晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点[解析]固体可以分为晶体和非晶体两类，晶体、非晶体不是绝对的，是可以相互转化的，例如天然石英是晶体，熔化以后再凝固的水晶却是非晶体，A错误；多晶体是由许许多多的单晶体集合而成，所以多晶体没有确定的几何形状，B正确；单晶体沿不同方向的导热或导电性能不相同，沿不同方向的光学性质不一定相同，C错误；单晶体和多晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点，D正确。[答案]BD【例4】(多选)2010年诺贝尔物理学奖授予安德烈·海姆和康斯坦丁·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地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0.34nm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．石墨是单质，石墨烯是化合物C．石墨、石墨烯与金刚石都是晶体D．他们是通过物理变化的方法获得石墨烯的[解析]石墨、石墨烯、金刚石都为晶体且都为单质，A、B错误，C正确；两位科学家是通过物理变化的方法获得石墨烯的，D正确。[答案]CD[针对训练2]“嫦娥五号”探测器胜利完成月球采样任务并返回地球。探测器上装有用石英制成的传感器，其受压时表面会产生大小相等、符号相反的电荷“压电效应”。如图所示，石英晶体沿垂直于x轴晶面上的压电效应最显著。石英晶体()A．没有确定的熔点B．具有各向同性的压电效应C．没有确定的几何形状D．是单晶体解析：选D。晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点，石英是单晶体，有确定的熔点，有确定的几何形状，A、C错误，D正确；石英晶体沿垂直于x轴晶面上的压电效应最显著，其他方向不明显，故具有各向异性的压电效应，B错误。[针对训练3](多选)下列关于晶体空间点阵的说法正确的是()A．构成晶体空间点阵的物质微粒可以是分子，也可以是原子或离子B．晶体的物质微粒能构成空间点阵，是由于晶体中物质微粒之间相互作用很强，所有物质微粒被牢牢地束缚在空间点阵的结点上不动C．所谓空间点阵与空间点阵的结点，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点阵，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答案：ACD1．下列说法正确的是()A．一定质量的晶体在熔化过程中，其温度不变，内能也一定保持不变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，说明蜂蜡是单晶体C．一块均匀薄片，沿各个方向对它施加拉力，发现其强度一样，则此薄片一定是非晶体D．一个均匀固体球，如果沿其各条直径方向的导电性不同，则该球一定是单晶体答案：D2．下列关于晶体和非晶体的说法正确的是()A．金属没有确定的几何形状，所以金属是非晶体B．晶体都具有各向异性，而非晶体都表现为各向同性C．同种物质也可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现D．粘在一起的糖块打碎之后，具有各种不同的形状，说明糖块不是晶体答案：C3．(多选)晶体包括单晶体和多晶体，晶体具有一定的熔点，单晶体具有规则的几何外形，在不同方向上物理性质不同。下列说法可以用来解释晶体的上述特性的有()A．组成单晶体的物质微粒，在空间按一定的规律排成整齐的行列，构成特定的空间点阵B．单晶体在不同方向上物理性质不同，是因为不同方向上微粒数目不同，微粒间距不同C．单晶体在不同方向上物理性质不同，是由于不同方向上的物质微粒的性质不同D．晶体在熔化时吸收的热量，全部用来瓦解晶体的空间点阵，转化为分子势能，因此晶体在熔化过程中保持一定的温度不变；只有空间点阵完全被瓦解，晶体完全变为液体后，继续加热，温度才会升高答案：ABD4．(多选)固体甲和固体乙在一定压强下的熔化曲线如图所示，横轴表示时间t，纵轴表示温度T。下列判断正确的有()A．固体甲一定是晶体，固体乙一定是非晶体B．固体甲不一定有规则的几何外形，固体乙一定没有规则的几何外形C．在热传导方面固体甲一定表现出各向异性，固体乙一定表现出各向同性D．图线甲中ab段温度不变，所