第2章 第五节 晶体（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第五节　晶体 核心素养导学 物理观念 (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。 (4)了解液晶及其应用。 科学思维 学会用晶体的微观结构特点来解释单晶体外形的规则性和物理性质的各向异性。 科学探究 实验探究单晶体和多晶体导热、导电性能的区别。 一、晶体与非晶体 1．固体分类 (1)晶体：如_____、云母、明矾、食盐、硫酸铜、蔗糖、味精等。 (2)非晶体：如_____、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等。 石英 玻璃 2．晶体与非晶体的区别 　 　比较内容 固体分类 宏观外形 物理性质 非晶体 没有天然规则的____ ①没有固定的熔点 ②沿各个方向的物理性质表现为________ 晶 体 单晶体 有天然规则的________ ①有固定的______ ②某些物理性质表现为__________ 多晶体 没有特定的________ ①有固定的_____ ②沿各个方向的物理性质表现为________ 形状 各向同性 几何形状 熔点 各向异性 几何形状 熔点 各向同性 区别晶体和非晶体不能只看有没有规则的几何外形，而要看有没有固定的熔点。 二、晶体的微观结构 1．规则性：晶体微粒都是按照一定的规则排列的，具有空间上的________。 2．变化或转化：在不同条件下，同种物质的微粒在空间按___________排列，会生成不同的______。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，天然石英是晶体，熔化后再凝固成石英玻璃就是非晶体。 周期性 不同的规则 晶体 三、液晶 1．定义：由固态向液态转化的中间态液体具有与_____相似的性质，故称为液态晶体，简称液晶。 2．液晶构成：液晶多由棒状______分子构成。 3．物理性质 (1)具有液体的________、连续性。 (2)具有晶体的光学、电学各向______。 4．液晶的用途 (1)应用于手机屏幕、液晶电视机等显示设备中。 (2)在生命科学中的应用：利用生物膜研究离子的渗透性，了解机体对药物的吸收等生理过程。 晶体 有机 流动性 异性 1.晶体具有各向异性，非晶体具有各向同性，是不是所有的晶体在任何性质上都呈现各向异性？物理性质表现出了各向异性，则此物质一定是晶体吗？ 提示：不是。只有部分晶体的某个性质才表现出各向异性。比如：方解石晶体在光学性质表现出各向异性，但在导热性能或导电性能上表现为各向同性。 物理性质表现出了各向异性，则此物质一定是晶体。 2．用点表示固体内部的物质微粒，如图甲是单晶体内一个平面上微粒的排列情况，如图乙是非晶体内一个平面上微粒的排列情况。 请你数一数图甲中等长线段AD、BE、CF上微粒的个数，判断单晶体在不同方向上的微粒排列及物质结构情况相同吗？想一想，是什么原因引起单晶体的不同方向上物理性质的不同？ 提示：单晶体在不同方向上的微粒排列及物质结构情况不相同，因此，在不同方向上物理性质也不同。 3. 如图所示的液晶既具有液体的特性，又具有晶体的特性，那么，液晶是液体和晶体的混合物吗？ 提示：不是。 新知学习(一)|晶体和非晶体的比较 [任务驱动] 如图所示，是我们生活中常见的固体。 (1)说明两组固体：玻璃、蜂蜡、硬塑料和盐粒、明矾、石英的外表有何不同？ 提示：盐粒、明矾、石英属晶体，有规则的几何外形；玻璃、蜂蜡、硬塑料属非晶体，没有规则的几何外形。 (2)在日常生活中我们有时见到的盐粒并非有规则的几何形状，这是为什么呢？ 提示：粘在一起的盐块是多晶体，不具有规则的几何外形，单个的晶体颗粒是单晶体，具有规则的几何外形。 [重点释解] 1．单晶体、多晶体及非晶体的比较 (1)区别：固体可以分为晶体、非晶体两大类，其中晶体又分为单晶体和多晶体，其异同点如下： 2．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、机械强度、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。 3．多晶体和非晶体 (1)多晶体虽是无天然规则的几何形状，物理性质具有各向同性，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。 [典例体验] [典例]　下列叙述中错误的是 (　 ) A．晶体的各向异性是由于它的微粒是按各自的规则排列着的 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．非晶体的内部微粒是无规则排列的 D．石墨的硬度与金刚石差很多，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不同；也正是由于它的微粒按一定规律排列，使单晶体具有规则的几何形状，选项A、B正确；非晶体的内部微粒是无规则排列的，选项C正确；石墨与金刚石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的质地松软，而金刚石的立体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，选项D错误。 [答案]　D /方法技巧/ 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．在图甲、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，其中甲为多晶体，丙为单晶体，故D正确。 答案：D　 2．下列说法错误的是 (　 ) 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：将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒还是晶体，A错误，符合题意；固体可以分为晶体和非晶体两类，单晶体在不同方向上显示各向异性，有些晶体在不同方向上有不同的光学性质，故B正确，不符合题意；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，例如石墨和金刚石，故C正确，不符合题意；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，例如天然石英是晶体，熔化以后再凝固的石英玻璃却是非晶体；把晶体硫加热熔化，倒入冷水中，会变成柔软的非晶体硫，再经一段时间又会转变成晶体硫，故D正确，不符合题意。 答案：A　 新知学习(二)|对晶体微观结构的理解 [任务驱动] 如图是食盐晶体中的氯离子和钠离子分布的示意图，氯离子和钠离子是在图示位置静止不动吗？ 提示：它们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。　　　　 [重点释解] 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)，按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，这是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，才引起晶体在不同方向上物理性质的不同。 (2)熔点：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。 [典例体验] [典例]　(多选)关于晶体和非晶体，正确的说法是 (　 ) A．它们的微观结构不同 B．单晶体内部的物质微粒有规则地排列，而非晶体内部的物质微粒不规则地排列 C．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 D．在物质内部的各个平面上，微粒数相等的是晶体，微粒数不相等的是非晶体 [解析]　晶体内部结构是有规则的，而非晶体内部结构是无规则的，选项A、B正确；物质微粒都是永不停息地运动着的，选项C错误；从物质微观结构看，选项D错误。 [答案]　AB /方法技巧/ 解释固体宏观特征的方法 (1)物质微粒的规则排列决定了固体有规则的几何形状、各向异性、有确定熔点等性质。 (2)物质微粒的不规则排列决定了固体没有规则的几何形状、各向同性、无确定熔点等性质。 [针对训练] 1．(多选)非晶体具有各向同性的特点是由于 (　 ) A．非晶体在不同方向上物质微粒的排列情况不同 B．非晶体在不同方向上物质微粒的排列情况相同 C．非晶体内部结构的无规则性 D．非晶体内部结构的有规则性 解析：非晶体具有各向同性的特点是由于非晶体内部结构的无规则性使不同方向上物质微粒的排列情况相同，故B、C正确。 答案：BC　 2．(多选)关于石墨与金刚石的区别，下列说法中正确的是 (　 ) A．石墨和金刚石是由不同物质生成的不同晶体 B．石墨和金刚石是由同种物质生成的不同微观结构的晶体 C．金刚石中原子间作用力比石墨的大，金刚石有很大的硬度 D．金刚石是单晶体，石墨是多晶体 解析：石墨和金刚石的化学成分相同，即是同种物质组成的不同晶体，即它们的微观结构不同，所以构成不同的晶体，且都是单晶体，具有不同的物理性质。故B、C正确，A、D错误。 答案：BC　 新知学习(三)|液晶的特点及应用 [任务驱动] 随着人们对物质状态认识的深入，发现物质除了通常呈现的固态、液态和气态外，还存在着一些其他的状态，如等离子态、液晶态、超导态、中子态等。其中的液晶态具有的一些独特的光学性质，被人们不断地认识和应用。液晶可以作为显示元件，这利用了液晶的什么性质？ 提示：液晶可用作显示元件是利用了其光学性质的各向异性。液晶受外加电压的影响，会由透明状态变成混浊状态而不再透明，去掉电压，又恢复透明，当输入电信号，加上适当电压，透明的液晶变得混浊，从而显示出设定的文字或图像。　 [重点释解] 1．特点 (1)液晶具有液体的流动性。 (2)液晶具有晶体的光学各向异性。 (3)液晶的物理性质很容易在外界条件(如电场、压力、光照、温度)的影响下发生改变。 (4)从某个方向上看，液晶分子的排列比较整齐；但是从另一个方向看，液晶分子的排列是杂乱无章的。 (5)并不是所有物质都有液晶态。通常棒状分子、碟状分子和平板状分子的物质容易具有液晶态。 2．应用 液晶可以作为显示元件，在生物医学、电子工业、航空工业中都有重要作用。笔记本电脑、液晶电视、可视电话……液晶一步步地深入我们的生活，在显示器中扮演主要角色。 [针对训练] 1． (多选)关于液晶分子的排列，下列说法正确的是 (　 ) A．液晶分子在特定方向排列整齐 B．液晶分子的排列不稳定，外界条件的微小变动都会引起液晶分子排列的变化 C．液晶分子的排列整齐而稳定 D．液晶的物理性质稳定 解析：液晶既具有液体的流动性又在一定程度上具有晶体分子的规则排列的性质，分子取向排列的液晶具有光学各向异性，故在特定方向上排列整齐，故A正确；液晶的分子排列是不稳定的，外界的微小扰动就能引起液晶分子排列的变化，其物理性质并不稳定，故B正确，C、D错误。 答案：AB　 2．下列关于液晶的说法中正确的是 (　 ) A．液晶在电压作用下的光学性质不会改变 B．液晶的状态不会受温度的影响 C．液晶和液体没有区别 D．在显示器方面的应用是液晶的主要应用方向 解析：温度、压力、电磁作用等可以改变液晶的光学性质，故A错误；液晶的状态受温度的影响，故B错误；液晶具有液体和晶体的性质，与一般的液体并不相同，故C错误；液晶由于受电压等因素的影响可以改变其光学性质，所以目前在显示器方面的应用是液晶的主要应用方向，故D正确。 答案：D　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学思维——晶体熔化过程中能量去向分析 1．(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 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B正确，A、C、D错误。 答案：B　 科学探究——探究晶体和非晶体的物理特性 2．(选自沪科版新教材实验探究)取一张云母薄片，在上面涂一层很薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触云母片。观察接触点周围的石蜡熔化后所成的形状。再在玻璃片上做同样的实验，观察石蜡熔化后所成的形状。 比较观察的结果(如图)。你能得出什么结论？ 提示：云母片在导热这一物理性质上具有各向异性，而玻璃片则具有各向同性。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．(2024·珠海高二质检)我国一科研团队利用纳米纤维与合成云母纳米片研制出一种能适应极端环境的纤维素基纳米纸材料，为丰富多彩的材料家族又增添了新的一员。如图甲所示为某合成云母单晶体片的微观结构示意图，图乙为某液体表面分子分布示意图，以下说法正确的是(　　) A．使用图甲所示的云母材料制作光的偏振片是利用了它的各向同性 B．图甲所示云母材料在熔化过程中，分子势能和分子平均动能均增大 C．图乙所示的液体表面层分子之间只存在相互作用的引力 D．如图乙所示，液体表面层分子的分布比液体内部稀疏，分子间距离略大于分子间的作用力平衡的距离 解析：使用题图甲所示的云母材料制作光的偏振片是利用了它的各向异性，故A错误；云母是晶体，具有确定的熔点，题图甲所示云母材料在熔化过程中，吸收热量，温度保持不变，分子平均动能不变，分子势能增大，故B错误；题图乙所示的液体表面层分子之间既存在相互作用的引力也存在相互作用的斥力，此时引力大于斥力，表现为引力，故C错误；如题图乙所示，液体表面层分子的分布比液体内部稀疏，分子间距离略大于分子间的作用力平衡的距离，分子间的作用力表现为引力，故D正确。 答案：D　 2．“嫦娥六号”探测器顺利完成月球采样任务并返回地球，在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、符号相反的电荷的“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：石英是单晶体，有确定的熔点，有确定的几何形状，故A、C错误，D正确；沿垂直于x轴晶面上的压电效应最显著，故具有各向异性，故B错误。 答案：D　 3．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，下列说法中正确的是 (　 ) 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 解析：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，而单晶体的物理性质是各向异性，所以乙一定是单晶体，而多晶体不显示各向异性，材料甲可能是多晶体，也可能是非晶体，故只有选项C正确。 答案：C “课时跟踪检测”见“课时跟踪检测” （九） (单击进入电子文档) 42 第六节　新材料(略) (2)联系：在一定条件下，晶体可以变为非晶体，非晶体也可以变为晶体。 $$