第2章 4. 固体-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册学习手册（人教版2019）

学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 方法二： 以氧气瓶中的氧气和 n 个小钢瓶中 的氧气整体为研究对象， 由理想气体状态方 程的推论得各部分的 pV 值 （因为是等温变 化） 之和在变化前后相等， 即 p 1 V 1 +p 1 ′V 1 ′= p 2 （ V 1 +V 1 ′ ）， 解得 n=25 （瓶）。 答案： 25 瓶。 知 识 梳 理 知识点 1 晶体和非晶体 固体分类： 固体可分为晶体、 非晶体 两类。 （ 1 ） 外形： 单晶体具有规则的几何形状， 非 晶体则没有确定的几何形状。 （ 2 ） 物理性质： 晶体有确定的熔点， 非晶体 没有确定的熔点。 （ 3 ） 常见的晶体： 石英、 云母、 明矾 、 食 盐、 硫酸铜、 蔗糖、 味精、 雪花； 常见 的非晶体： 玻璃、 蜂蜡、 松香、 沥青、 橡胶。 知识点 2 单晶体和多晶体 1. 单晶体： 有规则的几何形状， 外形是由若 干个平面围成的多面体， 这样的固体叫单 晶体， 单晶体就是单个晶体颗粒。 单晶体 在导热、 导电、 光学等物理性质上表现为 各向异性。 2. 多晶体： 由许多无规则排列的晶粒构成的 晶体。 多晶体没有规则的几何形状。 多晶 体有确定的熔点， 导热、 导电、 光学等物 理性质上表现为各向同性。 知识点 3 晶体的微观结构 1. 规则性： 单晶体的原子 （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， 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。 要 点 突 破 要点 1 对晶体和非晶体的理解 1. 外形： 单晶体具有规则的几何形状， 而非 晶体没有。 食盐、 明矾、 石英都是晶体， 有些晶体可以具有多种不同的几何形状， 例如雪花可以有多种不同的几何形状， 非 晶体则没有规则的几何形状。 2. 物理性质： 单晶体具有各向异性， 而非晶 体则是各向同性的。 物理性质包括弹性、 硬度、 导热性能、 导电性能、 光的折射性 能等。 晶体的各向异性是指晶体在不同方 向上的物理性质不同。 例如晶体在不同的 方向上可以有不同的硬度、 弹性、 导热性 能、 导电性能等。 3. 熔点： 晶体具有一定的熔点， 而非晶体没 4. 固 体 52 学 第二章 气体、 固体和液体 有一定的熔点。 例 1 （多选） 如图所示是 a 、 b 两种不同物 质的熔化曲线， 根据曲线下列说法 正确的是 （ ） 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， 但温度 保持不变， 这个温度对应的就是熔点的温 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。 由图像可得到信息， a 是晶体， b 是非 晶体， A 、 D 正确。 答案： AD 变式训练 1 关于晶体和非晶体， 下列说法正确的是 （ ） 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. 大块塑料粉碎成形状相同的颗粒， 每个 颗粒即为一个单晶体 D. 所有的晶体都有确定的熔点， 而非晶体 没有确定的熔点 要点 2 单晶体和多晶体 1. 单晶体和多晶体： 单晶体具有规则的几何 形状， 单晶体是单个的晶体颗粒。 多晶体 是单晶体的组合， 是由许多无规则排列的 晶体颗粒构成的晶体。 2. 单晶体、 多晶体、 非晶体比较 3. 几点说明 （ 1 ） 晶体和非晶体区分的关键看有无确定的 熔点， 而不是用是否有规则的几何形状 来辨别。 单晶体和多晶体的区分关键看 有无规则的几何外形及物理性质是各向 同性还是各向异性。 （ 2 ） 注意理解单晶体在物理性质上的各向异 性。 单晶体具有各向异性， 并不是说每 一种单晶体都在各种物理性质上表现出 各向异性， 如云母、 石膏晶体在导热性 上表现出显著的各向异性， 即沿不同方 Q/J t/℃ O Q/J t/℃ O a b 例 1 题图 注意理解晶体和非晶体的区分关键 是看有无确定的熔点。 晶体具有一定的 熔点， 而非晶体没有一定的熔点。 思路点拨 比较分类 晶体 非晶体 单晶体 多晶体 外形 规则 不规则 不规则 熔点 确定 确定 不确定 物理性质 各向异性 各向同性 各向同性 原子排列 有规则 每个晶体的 排列无规则 无规则 典型物质 石英、 云母、 食盐、 硫 酸铜 玻璃、 蜂蜡、 松香 形成与 转化 有的物质在不同条件下能够生成不同的 晶体， 同一物质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 53 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 向传热快慢不同； 立方体形的铜晶体在 弹性上表现出显著的各向异性， 即沿不 同方向弹性不同。 例 2 关于晶体和非晶体， 下列说法中正确 的是 （ ） A. 可以根据各向同性或各向异性来鉴别晶 体和非晶体 B. 一块均匀的薄片， 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 C. 一个固体球， 如果沿其各条直径方向的 导电性能不同， 则该球一定是单晶体 D. 一块晶体， 若其各个方向的导热性能相 同， 则一定是多晶体 解析： 多晶体和非晶体都表现出各向同性， 只有单晶体表现出各向异性， 各向同性或各 向异性无法鉴别晶体和非晶体， A 、 B 错误， C 正确； 晶体具有各向异性的特性， 仅仅是 指某些物理性质， 并不是所有的物理性质都 是各向异性， 故当晶体某一物理性质表现出 各向同性， 并不意味着该物质一定是多晶 体， D 错误。 答案： C 变式训练 2 （多选） 如图所示， ACBD 是一厚度均 匀， 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 顺时针转 90° 后电流表读数发生了变化 （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. 圆板在各个方向导电性不同 要点 3 晶体的微观结构及特点 1. 晶体的微观结构特点 （ 1 ） 组成晶体的物质微粒 （分子、 原子或离 子）， 依照一定的规则在空间中整齐地 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而 远离。 （ 3 ） 微粒的热运动表现为在一定的平衡位置 本题考查对晶体特性——各向异性 的理解。 解题关键是要明确多晶体和非 晶体都显示各向同性， 只有单晶体在物 理性质上表现出各向异性。 注意区别晶 体和非晶体、 单晶体和多晶体各种性质。 思路点拨 注意区别晶体和非晶体、 单晶体和多晶体： 方法总结 宏观外形 物理性质 晶 体 单晶体 有天然规 则的形状 （ 1 ） 有确定的熔点 （ 2 ） 导热、 导电、 光学 性质表现为各向异性 多晶体 没有确定 的形状 （ 1 ） 有确定的熔点 （ 2 ） 导热、 导电、 光学 性质表现为各向同性 非晶体 没有确定 的形状 （ 1 ） 没有确定的熔点 （ 2 ） 导电、 导热、 光学 性质表现为各向同性 A C D A B 变式训练 2 题图 54 学 第二章 气体、 固体和液体 附近不停地做微小的振动。 2. 晶体与非晶体区别的微观解释 （ 1 ） 各向异性： 如图所示 为在一个平面上晶体 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 等长直线 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， 才引起单晶体的不同方向上物理 性质的不同。 （ 2 ） 熔点： 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） 下列叙述错误的是 （ ） A. 晶体的各向异性是由于它的微粒按空间点 阵排列 B. 单晶体具有规则的几何外形是由于它的 微粒按一定规律排列 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的差很多， 是由于 它的微粒没有按空间点阵分布 解析： 晶体内部微粒排列的空间结构决定着 晶体的物理性质是否相同， 晶体的各向异性 是由于它的微粒按空间点阵排列， 单晶体具 有规则的几何外形也是由于它的微粒按一定 规律排列， A 、 B 正确； 非晶体没有规则的 几何形状， C 错误； 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， D 错误。 答案： CD 变式训练 3 （多选） 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 0.34 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， 下列说法正 确的是 （ ） AB C D 本题考查晶体的微观结构特点。 晶 体内部微粒排列的空间结构决定着晶体 的物理性质是否相同， 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 思路点拨 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。 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。 同种物质也可以以晶 体和非晶体两种不同形态出现。 有些晶 体和非晶体可在一定条件下相互转化。 方法总结 55 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 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 拓 展 创 新 石 墨 烯 实际上石墨烯本来就存在于自然界， 只 是难以剥离出单层结构。 石墨烯一层层叠起 来就是石墨， 厚 1 mm 的石墨大约包含 300 万层石墨烯。 铅笔在纸上轻轻划过， 留下的 痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯 。 2004 年， 英国曼彻斯特大学的两位科学家 安德烈·盖姆 （ Andre K.Geim ） 和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫 （ Konstantin Novoselov ） 发现他 们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的 石墨薄片。 他们从高定向热解石墨中剥离出 石墨片， 然后将薄片的两面粘在一种特殊的 胶带上， 撕开胶带， 就能把石墨片一分为 二。 不断地这样操作， 于是薄片越来越薄。 2009 年， 安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖 洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了 整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔 效应， 他们也因此获得 2010 年度诺贝尔物 理学奖。 在发现石墨烯以前， 大多数物理学 家认为， 热力学涨落不允许任何二维晶体在 有限温度下存在。 所以， 它的发现立即震撼 了凝聚体物理学学术界。 虽然理论和实验界 都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳 定存在， 但是单层石墨烯能够在实验中被制 备出来。 石墨烯是一种技术含量非常高， 应用潜 力非常广泛的碳材料， 具有优异的光学、 电 学、 力学特性， 在材料学、 微纳加工、 能 源、 生物医学和药物传递等方面具有重要的 应用前景， 被认为是一种未来革命性的材 料。 目前中国石墨烯产业进入快速成长期， 我国石墨烯相关企业多达 1.7 万家。 变式训练答案 1. D 2. CD 3. CD 石墨的微观结构 石墨烯的微观结构 变式训练 3 题图 知 识 梳 理 知识点 1 液体的表面张力 1. 表面层： 液体与气体接触的表面存在一个 薄层， 这个薄层叫表面层。 表面层里的分 子比液体内部稀疏， 分子间的相互作用力 表现为引力。 2. 表面张力： 液体表面各部分间存在的相互 吸引力， 使液体的表面具有收缩的趋势， 这个绷紧的力或者说促使液体表面收缩 的力就是表面张力。 5. 液 体 56