1.固体和固体材料-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（教科版2019）

1．固体和固体材料 【素养目标】　1.通过比较晶体和非晶体在天然外形以及物理性质上的区别，提高关联整合能力。2.通过观察玻璃片和云母片上石蜡熔化形状的不同，理解各向同性和各向异性，提高分析解释的能力。3.了解晶体的微观结构，能从微观角度解释晶体的各向异性，提升综合应用的能力。4.了解液晶、半导体材料和纳米材料的特点和应用。 知识点一　晶体和非晶体 [情境导学]　冬天到了，各种不同的雪花争奇斗艳，精彩纷呈，虽然雪花有多种形态，但它们都有规则的几何外形，你知道这是为什么吗？ 提示：雪花是晶体。 (阅读教材P28－P29完成下列填空) 1．晶体和非晶体 固体可分为晶体和非晶体两大类。金刚石、云母、明矾、雪花等具有规则的几何形状，都是晶体；玻璃、松香等不具有规则的几何形状，是非晶体。 2．各向同性与各向异性 晶体的一些物理性质与方向有关，这种特性叫作各向异性。非晶体沿各个方向的物理性质都是相同的，叫作各向同性。 3．单晶体和多晶体 (1)单晶体：天然具有规则几何形状且各向异性的大块晶体。 (2)多晶体：由许多晶粒构成的晶体。 [问题探究]　把熔化了的石蜡薄薄地涂在薄玻璃片上，把一根缝衣针烧热，然后用针尖接触石蜡层的背面，观察石蜡熔化区域的形状。把玻璃片换成单层云母片，再做以上实验，结合实验分析以下问题： (1)玻璃片和云母片上的石蜡熔化区域有何区别？ (2)玻璃片和云母片上石蜡熔化区域的不同说明玻璃片和云母片在导热性能上有什么区别？ (3)为什么会有这种区别？ 提示：(1)玻璃片上石蜡熔化区域为圆形(如图甲)，云母片上石蜡熔化区域为椭圆形(如图乙)。 (2)说明玻璃片导热具有各向同性，云母片导热具有各向异性。 (3)因为玻璃为非晶体，云母为晶体。 (2023·淮安市月考)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(　　) 学生用书↓第27页 A.晶体都有天然规则的几何外形，非晶体没有天然规则的几何外形 B．同种物质不可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现 C．多晶体是由晶粒构成的，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：单晶体有天然规则的几何外形，多晶体和非晶体没有天然规则的几何外形，故A错误；同种物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现，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。 1．单晶体、多晶体和非晶体的区别 分类 宏观外形 物理性质 非晶体 没有天然规则的几何形状 ①没有固定的熔点 ②物理性质表现为各向同性 晶体 单晶体 有天然规则的几何形状 ①有确定的熔点 ②物理性质表现为各向异性 多晶体 没有天然规则的几何形状 ①有确定的熔点 ②物理性质表现为各向同性 在一定条件下，晶体可转化为非晶体，非晶体也可转化为晶体 2.正确理解单晶体的各向异性 (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)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方解石晶体在光的折射性能上表现出各向异性——沿不同方向折射率不同。 3．区分晶体与非晶体、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，单晶体某些物理性质表现出各向异性，而多晶体表现出各向同性。 针对练1.(2023·江苏宿迁中学期末)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石蜡薄层的云母片背面，熔化的石蜡呈椭圆形，说明石蜡是单晶体 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：D 解析：晶体在熔化过程中，温度不变，分子动能不变，但分子间距离增大，分子势能增大，所以内能一直增大，A错误；烧热的针尖接触涂有石蜡薄层的云母片背面，熔化的石蜡呈椭圆形，说明云母为单晶体，事实上石蜡为常见的非晶体，B错误；一块均匀薄片，沿各个方向对它施加拉力，发现其强度一样，无法说明其一定为非晶体，C错误；一个均匀固体球，如果沿其各条直径方向的导电性不同，则说明该球一定是单晶体，D正确。 针对练2.(2022·广州市培正中学高二月考)在甲、乙、丙三种固体薄片上涂上蜡，用烧热的针接触其背面一点，蜡熔化的范围如图(a)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图像如图(b)所示，则(　　) A．甲、乙是非晶体，丙是晶体 B．甲、丙是晶体，乙是非晶体 C．甲、丙是非晶体，乙是晶体 D．甲是非晶体，乙是多晶体，丙是单晶体 答案：B 解析：由题图(b)可知，甲、丙有确定的熔点，乙没有确定的熔化温度，所以甲、丙是晶体，乙是非晶体；由题图(a)知，甲、乙的导热性能呈各向同性，丙的导热性能呈各向异性，所以丙是单晶体，B正确。 学生用书↓第28页 知识点二　晶体的微观结构 [情境导学]　金刚石和石墨都是由碳原子构成的，但它们在硬度上为什么不同？ 提示：因为碳原子的空间排列分布不同。 (阅读教材P29－P30完成下列填空) 1．晶体的点阵结构：组成晶体的分子、原子、离子等微粒在晶体内部的空间形成的一个有规则的、周期性排列的结构。 2．各向异性的微观解释：同一种物质微粒不同方向上排列的情况不同，因此在不同的方向上会表现出不同的物理性质；同一种物质微粒也可以形成不同的晶体结构，从而表现出不同的物理性质。 [问题探究]　某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。结合结构图分析以下问题： (1)该晶体内分子排列是否规则？ (2)三条等长线段上的分子个数是否相同？ (3)三条等长线段上分子个数的异同能说明什么问题？ 提示：(1)规则。 (2)不同。 (3)该晶体的某些性质可能具有各向异性。 (2023·江苏苏州期末)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。如图为石墨、石墨烯的晶体结构，根据以上信息和已学知识判断下列说法正确的是(　　) 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：石墨烯是单晶体，故A、B错误；石墨、石墨烯的某些物理性质会表现为各向异性，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。 1．晶体的微观结构的理解 (1)晶体内部的微粒是按各自的规则排列着的，具有空间上的周期性。如图甲是食盐晶体中氯离子和钠离子分布的示意图。 (2)晶体内部微粒间的相互作用很强，微粒的热运动主要表现为在平衡位置附近做微小的振动。微粒的热运动不足以使它们克服相互作用而远离。 (3)物质微粒的微观排列结构决定其宏观物理性质，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，碳原子如果按图乙那样排列，就形成石墨，而按图丙那样排列，就形成金刚石。 学生用书↓第29页 (4)由于物质微观结构的变化，有些晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。如天然石英是晶体，而熔化以后再凝固变成的水晶(石英玻璃)就是非晶体。 2．对各向异性的微观解释 如图为在一个平面上单晶体物质微粒的排列情况。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。 针对练1.(多选)晶体包括单晶体和多晶体，晶体具有确定的熔点，单晶体具有天然规则的几何外形，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列成整齐的行列，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：ABD 解析：很多晶体都是由相同的物质微粒组成的，例如，金刚石和石墨都是由碳原子构成的，不同方向上的物质微粒完全一样，可见其各向异性不是不同方向上的微粒性质不同引起的，而是微粒的数目和粒 子间距不相同造成的，A、B正确，C错误；由晶体的熔化特点可知，D正确。 针对练2.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微粒)，图中AB、AC、AD为等长的三条线段。下列说法中正确的是(　　) A．A处的晶体微粒可以沿三条线段发生定向移动 B．三条线段上，晶体微粒的数目相同，表明晶体的物理性质是各向同性的 C．三条线段上，晶体微粒的数目不同，表明晶体的物理性质是各向异性的 D．以上说法均不正确 答案：C 解析：晶体中的微粒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；三条线段上晶体微粒的数目不同，表明晶体的物理性质是各向异性的，故B、D错误，C正确。 知识点三　液晶 [情境导学]　液晶在现代生活中扮演着重要角色，广泛应用于手机屏幕、平板电视等显示设备中。液晶到底是什么物质？ 提示：某些物质像液体一样具有流动性，而某些性质与部分晶体相似，具有各向异性，人们把处于这种状态的物质叫作液晶。 (阅读教材P30－P31完成下列填空) 1．定义：既有液体的易流动性又有部分晶体物质的各向异性的物质称为液态晶体，简称液晶。 2．特点：液晶分子的排列会因温度、压强、摩擦、电磁作用、容器表面的差异等外界条件的微小变动而发生变化，由此引起液晶光学性质的改变。 [问题探究]　如图所示，液晶是现代生活的一个重要角色，从最初的电子手表到如今的笔记本电脑、液晶电视、可视电话……液晶一步步地深入到我们的生活中。 结合你对液晶的认识，分析以下问题： 学生用书↓第30页 (1)液晶本质上是晶体，这种说法对吗？ (2)液晶有什么特点？ (3)液晶内部的分子排列有何特点？ 提示：(1)不对。液晶不是晶体，只是某些性质与晶体相似。 (2)液晶的特点：①液晶具有流动性，具有液体的特点；②液晶具有部分晶体的各向异性的特性；③在不同方向上液晶分子的排列情况不同，从某个方向看比较整齐，但从另外一个方向看则是杂乱无章的；④液晶受到外界影响时，物理性质会发生明显的变化。 (3)当处于液晶状态时，分子位置有序性丧失，但仍倾向于保持在固体中确定的取向，分子排列有序性介于固体和液体之间。 (多选)液晶电视的关键部件是液晶层，下列关于液晶电视的液晶层工作原理的说法正确的是(　　) A．液晶分子的空间排列是稳定的，具有各向异性 B．液晶的光学性质随温度的变化而变化 C．液晶的光学性质随外加电压的变化而变化 D．液晶对光具有各向异性 答案：CD 解析：液晶分子在特定方向排列比较整齐，具有各向异性，但分子排列是不稳定的，故A错误；外界条件的微小变化都会引起液晶分子排列的变化，从而改变液晶的某些性质，温度、压强、外加电压等因素变化时，都会改变液晶的光学性质。液晶电视依据的是液晶的光学性质随外加电压的变化而变化，故C正确，B错误；液晶显示器就是利用液晶对光具有各向异性的特点，故D正确。 1．液晶的特点 (1)位置无序使它像液体一样具有流动性，而排列有序使它像晶体一样具有各向异性。 (2)液晶的物理性质容易在外界的影响(如外加电压、压强、光照、温度)下发生改变。 2．液晶分子的排列特点 从某个方向上看液晶分子排列比较整齐，但从另一个方向看，液晶分子的排列是杂乱无章的。 3．液晶的应用 (1)液晶显示器。 (2)利用温度改变时液晶颜色会发生改变的性质来探测温度。 (3)液晶在电子工业、航空工业、生物医学等领域有广泛应用。 针对练．关于液晶，下列说法正确的是(　　) A．液晶是液体和晶体的混合物 B．液晶分子在特定方向排列比较整齐，但不稳定 C．电子手表中的液晶在外加电压的影响下能够发光 D．所有物质在一定条件下都能成为液晶 答案：B 解析：液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，液晶分子在特定方向排列比较整齐，但不稳定，液晶的光学性质随外加电压的变化而变化，但液晶本身不发光，并不是所有物质都能成为液晶，故选B。 知识点四　半导体材料和纳米材料 [情境导学]　随着纳米科技的发展，纳米商品开始进入市场，有的商家为了促销商品，打着纳米材料的幌子到处招摇撞骗，如在社会上出现了纳米“冰箱”、纳米“洗衣机”，甚至出现了纳米“电影”的笑话。你了解什么是“纳米”吗？ 提示：纳米是长度单位，1 nm＝10－9 m。 (阅读教材P31－P33完成下列填空) 1．半导体材料 (1)定义：电阻率为10－5～107 Ω·m，介于金属和绝缘体之间的材料。 (2)性质：在光、热、磁、电等作用下会引起相应的物理效应和现象。 (3)应用：热敏电阻、光敏电阻、光电池、可控硅、高压硅堆、半导体激光器等。 2．纳米材料 (1)纳米：长度单位，1 nm＝10－9 m。 (2)纳米材料：三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的固体材料。 角度1　半导体材料 下列关于半导体的说法中，错误的是(　　 ) A．半导体的电阻随温度的升高而增大 B．利用半导体的导电特点可以制成有特殊用途的光敏、热敏电阻 C．半导体材料可以制成晶体二极管和晶体三极管 D．半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间 答案：A 解析：半导体的电阻与温度的关系比较复杂，不是简单地随温度的升高而增大，故A错误；由所学的半导体材料的知识可知，B、C、D正确。本题选错误的，故选A。 学生用书↓第31页 角度2　纳米材料 (多选)下列认识正确的是(　　) A．纳米是一种尺寸很小的材料，是纳米材料的简称 B．纳米技术就是重新排列原子而制造具有新分子结构的材料的技术 C．纳米是一个长度单位 D．纳米材料的奇特效应使纳米材料表现出不同于传统材料的良好性能 答案：BCD 解析：纳米是一个长度单位，故A错误，C正确；纳米技术是对原子位置进行重新排列而得到具有新分子结构的材料的技术，纳米材料的制造是在纳米技术的基础上实现的，故B、D正确。 1．不同材料制作的半导体具有不同的特性 (1)有的半导体，在受到压力后，电阻发生较大的变化(可称为“压敏性”)。利用这种半导体可以做成体积很小的压敏元件，它可以把压力变化转变成电流的变化，使人们在测出电流变化的情况后，从而也就知道了压力变化情况。 (2)有的半导体，在受热后电阻随温度的升高而迅速减小(可称为“热敏性”)。利用这种半导体可以做成体积很小的热敏电阻。热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度变化，不仅反应快，而且精确度高。 (3)有的半导体在光照下的电阻会大为减小(可称为“光敏性”)。利用这种半导体可以做成体积很小的光敏电阻。没有光照射时，光敏电阻就像绝缘体那样不容易导电；有光照射时，光敏电阻又像导体那样导电。一般光敏电阻的电阻值，不受光照射时是受光照射时的100～1 000倍。 2．纳米材料 (1)纳米是长度单位：1 nm＝10－9 m。 (2)纳米技术：在纳米尺度(1～100 nm)上制造材料和器件的技术。即重新排列原子而制造具有新分子结构的材料的技术。 (3)特性 当材料小到纳米尺度时，其性能会发生突变，体现在以下几个方面： 力学性能：高强、高硬和良好塑性； 热学性能：熔点较低； 电学性能：低温时会呈现电绝缘性； 化学性能：具有相当高的化学活性。 针对练．在一些城市中，路灯的亮度和开关是通过光线实际照射的强度来进行控制的，其中就有二极管的作用，这是利用的半导体的(　　) A．压敏特性 B．光敏特性 C．热敏特性 D．以上说法都不对 答案：B 1．(2023·江苏宿迁中学月考)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其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，因为物质微粒能够形成不同的空间结构 C．各向同性的物质一定是非晶体 D．某些晶体在一定条件下可以转化为非晶体 答案：C 解析： 晶体具有天然规则的几何形状是因为其物质微粒是规则排列的，选项A正确；有的物质的微粒能够按照不同规则在空间分布，所以能够生成种类不同的几种晶体，选项B正确；各向同性的物质可能是非晶体，也可能是多晶体，选项C错误；某些晶体在一定条件下是可以转化为非晶体的，选项D正确。 2．(选自鲁科版新教材课后练习)晶体在熔化过程中吸收的热量主要用于(　　) A．增加分子动能 B．增加分子势能 C．增加分子势能和分子动能 D．不增加分子势能和分子动能 答案：B 解析：晶体有确定的熔点，熔化过程中温度不变，分子平均动能不变，吸收的热量主要用于破坏空间点阵结构，增加分子势能，故选B。 3．(多选)(2023·武汉高二检测)关于晶体、液晶、液体，下列说法正确的是(　　) A．晶体和液晶的性质是完全相同的 B．液晶就是液体，具有液体的所有性质 C．液晶是介于晶体与液体之间的一种中间态 D．液晶具有液体的流动性，具有晶体的各向异性 答案：CD 解析：晶体属于典型的固体，其分子排列呈一定的点阵结构，有规律，而液晶分子的结构是介于液态的杂乱与晶体的规律排列之间的，其像液体一样具有流动性，而在光学等物理性质上又与晶体相似，具有各向异性，故A、B错误，C、D正确。 学生用书↓第32页 4．(2023·江苏徐州八校联考)岩盐的颗粒很大，它由许多小立方体杂乱无章组合而成。将大颗粒的岩盐敲碎后，小的岩盐颗粒仍然呈立方体。如图是小岩盐颗粒的平面结构，实心点为氯离子，空心点为钠离子，如果将它们用直线连起来，将构成一系列大小相同的正方形。则下列说法正确的是(　　) A．大块岩盐是非晶体 B．大块岩盐是各向异性的 C．岩盐中氯离子是静止的 D．岩盐中钠离子是运动的 答案：D 解析：小的岩盐颗粒的分子按一定规律排列，分子构成一系列大小相同的正方形，则岩盐是晶体，选项A错误；大块岩盐是多晶体，表现为各向同性，选项B错误；根据分子永不停息地做无规则运动，可知岩盐中氯离子和钠离子都是运动的，选项C错误，D正确。 而最近的两个钠离子中心间的距离r＝d＝·＝× m≈4×10－10 m。 学科网（北京）股份有限公司 $$