第2章 4.固体-【名师导航】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步讲义(人教版)

4．固体 1．知道固体分为晶体和非晶体两大类，知道它们物理性质的区别。 2．知道晶体分为单晶体和多晶体，知道它们物理性质的异同。 3．了解晶体的微观结构，知道晶体的微观结构决定了晶体的宏观性质。 　晶体和非晶体 1．固体可以分为晶体和非晶体两类。石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、味精等是晶体，玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是非晶体。 2．单晶体具有确定的几何形状，多晶体和非晶体没有确定的几何形状，我们在初中已经学过，晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点。 3．有些晶体沿不同方向的导热或导电性能不同，有些晶体沿不同方向的光学性质不同，这类现象称为各向异性。非晶体沿各个方向的物理性质都是一样的，这叫作各向同性。由于多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体是各向同性的。 提醒：具有各向异性的一定是单晶体，具有各向同性的则可能是非晶体，也有可能是多晶体。 图甲是生活中常见的几种晶体，图乙是生活中常见的几种非晶体。问题：请结合以下图片思考： 【问题】 (1)晶体与非晶体在外观上有什么不同？ (2)没有规则几何外形的固体一定是非晶体吗？ (3)某固体物质，若其各向导热性能不同，则该物质一定是单晶体吗？ 提示：(1)单晶体有天然规则的几何外形，多晶体和非晶体无天然规则的几何外形。 (2)不是。由于多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体也没有天然规则的几何外形。 (3)一定是单晶体。这是因为固体中只有单晶体才具有各向异性。 1．晶体与非晶体的区别与联系 分类 宏观外形 物理性质 非晶体 没有规则的几何形状 (1)没有确定的熔点 (2)物理性质上表现为各向同性 晶体 单晶体 有天然规则的几何形状 (1)有确定的熔点 (2)物理性质上表现为各向异性 多晶体 没有规则的几何形状 (1)有确定的熔点 (2)物理性质上表现为各向同性 联系 在一定的条件下，晶体与非晶体可以相互转化 2.对单晶体的各向异性的理解 (1)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能时，测试结果不同。 通常所说的物理性质包括弹性、硬度、导热性能、导电性能、光学性质等。 (2)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云母晶体在导热性能上表现出显著的各向异性——沿不同方向传热的快慢不同。 ②方解石晶体能把光分解为两束光而沿不同方向折射——沿不同方向的折射率不同。 ③方铅矿石晶体在导电性能上表现出显著的各向异性——沿不同方向电阻率不同。 ④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。 【典例1】　(2022·广州培正中学高二月考)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 B　[由题图(b)知，甲、丙有确定的熔点，乙没有确定的熔点，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，丙的导热性能呈现各向异性，所以丙是单晶体，所以B正确，A、C、D错误，故选B。] 　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化温度。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。 [跟进训练] 1．(多选)(2022·江苏南京高二期末)嫦娥五号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，则石英晶体(　　) A．具有各向异性的压电效应 B．没有确定的熔点 C．有规则的几何形状 D．是多晶体 AC　[由题意可知，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，因此石英具有各向异性的压电效应，A正确；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，有规则的几何形状，B、D错误，C正确。] 　晶体的微观结构 1．组成晶体的原子(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。 2．微观结构的不同，造成了晶体与非晶体形状和物理性质的不同。 3．在不同条件下，组成同种物质的微粒按照不同规则在空间分布，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，天然石英熔化后再凝固成石英玻璃。 家庭、学校或机关门锁常用“碰锁”，然而，这种锁使用一段时间后，锁舌就会变涩而不易被碰入，造成关门困难。这时，你可以用铅笔在锁舌上摩擦几下，碰锁便开关自如了，并且可以持续几个月之久。 【问题】 请你动手试一试，并解释其中的道理。 提示：石墨是金刚石的同素异形体，两者的不同结构，造成了两者在物理性质上的很大差异，金刚石质地坚硬，而石墨由于具有层状结构，且层与层之间结合不很紧密，故层与层之间易脱落，能起到润滑作用。用铅笔在纸上写字也是根据这个道理。 1．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。由于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。 (3)对有的物质有几种晶体的解释 有的物质在不同条件下能够生成种类不同的晶体，是因为组成它们的物质微粒能够形成不同的晶体结构。 如碳原子如果按图甲那样排列，就成了石墨，而按图乙那样排列，就成了金刚石。石墨是层状结构，层与层之间距离较大，原子间的作用力较弱，沿着这个方向容易把石墨一层层地剥下。石墨的层状结构决定了它质地松软，可以用来制作粉状润滑剂，也可以用来制作铅笔芯。金刚石中碳原子间的作用力很强，所以金刚石有很大的硬度，可以用来切割玻璃，如果把它装在钻探机的钻头上，则能够钻入坚硬的岩石内。 2．单晶体、多晶体及非晶体的比较 分类 微观结构 宏观表现 外形 物理性质 晶 体 单晶 体 组成晶体的物质微粒(原子、分子、离子)在空间按一定规则排列——空间点阵 有天然、规则的几何外形 各向异性 有确 定的 熔点 多晶 体 由无数的晶体微粒(小晶粒)无规则排列组成 无天然、则的几何外形 各向同性 非晶体 内部物质微粒是无规则排列的 没有确定的熔 点 【典例2】　(2022·江苏南京高二期末)食盐是生活中不可缺少的调味品，其微观结构如图所示，则下列说法正确的是(　　) A．食盐晶体是正六面体 B．食盐所有的物理性质都具有各向异性 C．食盐颗粒受潮粘连成食盐块时，形状不规则，是非晶体 D．食盐在熔化时，要吸收热量，温度保持不变，所以内能也不变 A　[食盐晶体是正六面体，A正确；食盐具有各向异性，但并非所有的物理性质都具有各向异性，B错误；食盐颗粒受潮粘连成食盐块时，形状不规则，但仍是晶体，C错误；食盐在熔化时，要吸收热量，温度保持不变，内能增加，D错误。] [跟进训练] 2．(多选)安德烈利用透明胶带对石墨进行反复粘贴与撕开，最终获得了单层的石墨——石墨烯。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(　　) A．石墨是晶体，石墨烯是非晶体 B．石墨是非晶体，石墨烯是晶体 C．石墨与石墨烯都是晶体 D．他是通过物理变化的方法获得石墨烯的 CD　[单晶体分子在空间分布上具有规则性，故石墨与石墨烯都是晶体，C正确，A、B错误；安德烈获取石墨烯的方法是物理方法，D正确。] 1．(2022·山东枣庄高二期末)随着科技的发展，国家对晶体材料的研究也越来越深入，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(　　) A．晶体都有规则的几何外形，非晶体则没有规则的几何外形 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．单晶体具有固定的熔点，多晶体没有固定的熔点 D．多晶体是由单晶体组合而成的，但单晶体表现为各向异性，多晶体表现为各向同性 D　[单晶体有规则的几何外形，多晶体和非晶体没有规则的几何外形，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；单晶体和多晶体都具有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点，选项C错误；多晶体是由单晶体组合而成的，但单晶体表现为各向异性，多晶体表现为各向同性，选项D正确。] 2．如图所示，曲线M、N分别表示晶体和非晶体在一定压强下的熔化过程，图中横轴表示时间t，纵轴表示温度T。从图中可以确定的是(　　) A．晶体和非晶体均存在确定的熔点T0 B．曲线M的bc段表示固液共存状态 C．曲线M的ab段、曲线N的ef段均表示固态 D．曲线M的cd段、曲线N的fg段均表示液态 B　[晶体具有确定的熔点，而非晶体没有，故A错误；晶体在熔化过程中温度不变，所以曲线M的bc段表示固液共存状态，非晶体在熔化过程中随着温度的升高逐渐由硬变软，最后变成液体，故B正确，C、D错误。] 3．(2022·山东临沂第一中学高二月考)一块密度和厚度都均匀分布的矩形被测样品，长AB是宽AC的2倍，如图所示。若用多用电表沿两对称轴O1O1′和O2O2′测其电阻，阻值关系为R1＝2R2，则这块样品(　　) A．一定是单晶体 B．可能是多晶体 C．可能是非晶体 D．以上说法全错 A　[已知R1＝2R2，且AB＝2AC，设样品厚度为h，R1＝ρ1，R2＝ρ2，可得ρ1≠ρ2，即该物质沿O1O1′和O2O2′方向电阻率(即导电性能)不同，表现出各向异性，故该被测样品是单晶体，故A项正确。] 4．(多选)国家游泳中心——水立方，像一个透明的水蓝色的“冰块”。这种建筑外墙采用了一种叫作ETFE膜(乙烯-四氟乙烯共聚物)的材料。这种膜材料属于非晶体，那么它具有的特性是(　　) A．在物理性质上具有各向同性 B．在物理性质上具有各向异性 C．具有一定的熔点 D．没有一定的熔点 AD　[非晶体在物理性质上具有各向同性，A正确，B错误；晶体有一定的熔化温度，非晶体没有一定的熔化温度，C错误，D正确。] 回归本节知识，自我完成以下问题： 1．单晶体有哪些主要的特征？ 提示：①天然规则外形；②物理性质各向异性；③具有确定的熔点。 2．单晶体、多晶体在物理性质上的主要区别是什么？ 提示：单晶体具有各向异性；多晶体具有各向同性。 3．区分晶体和非晶体常用什么方法？ 提示：看有无确定的熔点。 课时分层作业(七) 题组一　晶体和非晶体 1．某球形固体物质，其导热性能沿各个方向相同，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．一定是多晶体，因为其物理性质具有各向同性 B　[导热性能沿各个方向相同的物体可能是非晶体，也可能是多晶体，晶体具有确定的熔点，故A、D错误，B正确；物体几何外形是否规则不是判断是否为单晶体的依据，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具有规则的几何外形，当然，这只能是“后天”加工的，故C错误。] 2．下列关于晶体和非晶体的说法正确的是(　　) A．所有的晶体都表现为各向异性 B．大颗粒的盐磨成细盐，就变成了非晶体 C．因为金属的物理性质表现出各向同性，故金属是非晶体 D．所有的晶体都有确定的熔点，而非晶体没有确定的熔点 D　[单晶体具有各向异性，而多晶体具有各向同性，故A错误；食盐是晶体，大颗粒的盐磨成细盐仍有规则的几何外形和确定的熔点，故B错误；多晶体具有各向同性，金属是晶体，故C错误；单晶体和多晶体都有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点，故D正确。] 3．(多选)下列说法正确的是(　　) A．显示各向异性的物体必定是晶体 B．不显示各向异性的物体必定是非晶体 C．具有确定熔点的物体必定是晶体 D．不具有确定熔点的物体必定是非晶体 ACD　[固体中只有单晶体具有各向异性，故只要具有各向异性的固体必定是晶体，故A正确；非晶体和多晶体均显示各向同性，故不显示各向异性的物体不一定是非晶体，还可能是多晶体，故B错误；晶体均具有确定的熔点，非晶体不具有确定的熔点，所以具有确定熔点的物体必是晶体，不具有确定的熔点的固体就必定是非晶体，故C、D正确。] 4.如图所示为一透明的正方体物块，下列说法正确的是(　　) A．由于该物块有规则的几何形状，所以它一定为晶体 B．由于该物块透明，所以它一定为晶体 C．若该物块为绝缘体，则它一定为非晶体 D．若将该物块加热到某一温度才开始熔化，且熔化的过程中温度保持不变，则它一定为晶体 D　[单晶体具有天然的有规则的几何形状，但这个正方体物块不一定是天然形成的，所以不一定是晶体，故A错误；晶体并非都是透明的，透明的物体并非都是晶体，例如，玻璃是透明的，但并不是晶体，故B错误；绝缘物块不一定是非晶体，例如，金刚石是晶体，也是绝缘体，故C错误；晶体具有一定的熔化温度，非晶体没有一定的熔化温度，故D正确。] 5．某实验小组想测试两种材料的导电性能，他们将这两种材料加工成形状完全相同且厚度均匀、横截面为正方形的几何体，分别如图甲、乙所示，经测试发现，材料甲沿ab、cd两个方向的电阻相等，材料乙沿ef方向的电阻大于沿gh方向的电阻，关于这两种材料，下列说法正确的是(　　) A．材料甲一定是晶体 B．材料甲一定是非晶体 C．材料乙一定是单晶体 D．材料乙一定是多晶体 C　[测试发现，材料甲沿ab、cd两个方向的电阻相等，材料乙沿ef方向的电阻大于沿gh方向的电阻，说明了甲具有各向同性，而乙具有各向异性，单晶体的物理性质是各向异性的，所以乙一定是单晶体，而多晶体和非晶体都是各向同性的，材料甲可能是多晶体，也可能是非晶体，故只有选项C正确。] 题组二　晶体的微观结构 6．关于晶体和非晶体，说法正确的是(　　) A．它们是由不同的空间点阵构成的 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的 D．在物质内部的各个平面上，微粒数相等的是晶体，数量不等的是非晶体 B　[空间点阵是晶体的特殊结构，是晶体的一个特性，A错误；不管是晶体还是非晶体，组成物质的微粒永不停息地在做热运动，C错误；非晶体各个平面上微粒的排列都是杂乱无章的，即使是晶体各个层面微粒数也不一定相等，D错误。故选B。] 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为等长的三条直线。下列说法正确的是(　　) A．A处的晶体分子可以沿三条直线发生定向移动 B．三条直线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．三条直线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 C　[晶体中的分子只在平衡位置附近振动，不会沿三条直线发生定向移动，故A错误；三条直线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C正确，B、D错误。] 8．(2022·江苏扬州高三月考)碳纳米管有着极高的拉伸强度σb(大于105 N/mm2)，单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍，远远超过其他任何材料，其熔点是已知材料中最高的，下列说法正确的是(　　) A．碳纳米管是非晶体 B．1 N/mm2＝103 Pa C．拉伸强度可用公式表示为σb＝FS，其中F为材料拉断时所承受的最大力，S为材料原始横截面积 D．若在地球与同步卫星之间搭建一座天梯，碳纳米管是最佳材料 D　[碳纳米管有固定的熔点，是纳米晶体，故A项错误；由1 Pa＝1 N/m2可知，1 N/mm2＝106 Pa，故B项错误；由拉伸强度的单位可知，拉伸强度应该等于力与面积的比值，故C项错误；因为碳纳米管单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍，远远超过其他任何材料，故D项正确。] 9．如图所示是对某种合金连续不断地加热过程中，温度随时间变化的曲线，据图回答： (1)这种合金是固体时是不是晶体？ (2)这种合金的熔点是多少？ (3)熔化过程用了多少时间？ (4)图中BC段表示这种合金处于什么状态？ [解析]　(1)图中BC段表示该合金的熔化过程，说明它有确定的熔点，所以这种合金处于固态时是晶体。(2)熔点为210 ℃。(3)熔化过程用了Δt＝(14－6)min＝8 min。(4)BC段为固液共存状态。 [答案]　(1)是晶体　(2)210 ℃　(3)8 min (4)固液共存状态 10．(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．晶体的物质微粒之所以能构成空间点阵，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 ACD　[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中所说的分子，显然，组成晶体的物质微粒处于永不停息的无规则热运动之中，物质微粒之间还存在相互作用力。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，并不是固定不动，故B项错误，A、C、D三项正确。] 11．晶体在熔化过程中所吸收的热量，主要用于(　　) A．破坏空间点阵结构，增加分子动能 B．破坏空间点阵结构，增加分子势能 C．破坏空间点阵结构，增加分子势能，同时增加分子动能 D．破坏空间点阵结构，但不增加物体的内能 B　[晶体具有确定的熔点，熔化过程吸收的热量用于破坏晶体的空间点阵结构，因为温度不变，所以分子动能不变，吸收的热量用于增加分子势能，内能增加，B正确。] 12．如图所示为食盐晶体结构的示意图，食盐晶体是由钠离子(图中○)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，离子总数为2NA，因为摩尔体积V与摩尔质量M和物质密度ρ的关系为V＝，所以一个离子所占的体积V0＝＝。 正方体的棱长d＝＝。 而最近的两个钠离子中心间的距离r＝d＝·＝ m≈4×10-10 m。 [答案]　4×10-10 m 14/14 学科网（北京）股份有限公司 $$