第2章 1 固体和固体材料-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（教科版2019）

1　固体和固体材料 [学习目标]　1.知道晶体和非晶体的特点及其区分方法，明确单晶体和多晶体的区别(重点)。2.了解晶体的微观结构，理解晶体形状和物理性质不同的原因(难点)。3.了解液晶的主要性质及其在显示技术中的应用，了解半导体材料和纳米材料。 一、晶体和非晶体 1．如图所示，石蜡和天然金刚石在外形上有什么区别？ 答案　石蜡没有规则的几何形状，天然金刚石有规则的几何形状。 2.在玻璃片和云母片上分别涂上一层很薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触玻璃片及云母片未涂蜡的一面，石蜡熔化，如图所示，那么你看到的现象及得出的结论是什么？ 答案　玻璃片上石蜡的熔化区域呈圆形，说明玻璃片沿各个方向的导热性能相同。云母片上石蜡的熔化区域呈椭圆形，说明云母片沿各个方向的导热性能不相同。 1．固体的分类及性质 固体 天然外形 物理性质(导热性能、机械强度、导电性能) 有无确定熔点 晶体 具有规则的几何外形，如金刚石、云母、明矾、雪花、食盐、味精等 各向同性或各向异性 有确定熔点 非晶体 不具有规则的几何外形，如玻璃、松香、沥青、橡胶等 各向同性 无确定的 熔化温度 2.晶体的分类及性质 晶体 构成 物理性质 有无确定熔点 单晶体 大块晶体 各向异性 有确定熔点 多晶体 由许多晶粒构成 各向同性 有确定熔点 1．(1)如何区别晶体和非晶体？ (2)如何区别单晶体和多晶体？单晶体是否所有的物理性质都表现为各向异性？ 答案　(1)区别晶体和非晶体主要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。 (2)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。 单晶体只是在某些物理性质上具有各向异性，并不是各个物理性质上都表现出各向异性。 2．(1)常见的金属没有规则的形状，但具有确定的熔点。它们是晶体还是非晶体？ (2)某人为了检验一块薄片物质是否为晶体，做了一个实验。他以薄片的正中央O为坐标原点，建立xOy平面直角坐标系，在两个坐标轴上分别取两点x1和y1，使x1和y1到O点的距离相等。在x1和y1上分别固定一个测温元件，再把一个针状热源放在O点，发现x1点和y1点的温度在缓慢升高，但两点温度的高低没有差异。于是得出结论：这块薄片是非晶体。请说明：以上结论科学吗？为什么？ 答案　(1)金属虽然没有规则的几何外形，但是有确定的熔点，所以金属是晶体。 (2)不科学。实验说明该均匀薄片在x、y两个方向上导热性能相同，但不能因此就确定这块薄片是非晶体，因为晶体有可能在导热性能上表现为各向同性，而在其他性质上表现为各向异性；由于多晶体具有各向同性，该薄片也有可能是多晶体。 (1)所有晶体都具有天然、规则的几何外形。(　×　) (2)没有确定的熔化温度的固体一定是非晶体。(　√　) (3)物理性质表现为各向同性的一定是非晶体。(　×　) (4)单晶体的各向异性是指在每一种物理性质上都表现为各向异性。(　×　) (5)某一大块多晶体粉碎成形状相同的颗粒，每个颗粒为一个单晶体。(　×　) 例1　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，已经走在了世界的前列。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．具有规则几何外形的物体就是单晶体 C．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．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　单晶体有规则的几何外形，多晶体和非晶体则没有规则的几何外形，故A错误；单晶体具有天然的规则几何外形，但有些非晶体可以被塑造成规则的几何外形，比如正方体玻璃器件，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。 例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)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。 二、晶体的微观结构 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？ 答案　它们的微观结构不同。 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有规则的、周期性排列的结构，称为晶体的点阵结构。 2．晶体物理性质表现出各向异性的原因：晶体内部在不同方向上微粒排列的情况不同。 3．同一种物质微粒可以形成不同的晶体结构，从而表现出不同的物理性质。如金刚石、石墨和足球烯都是由碳原子构成的，但它们的性质差异很大。 如图为金刚石和石墨的结构图示，金刚石和石墨都是由碳原子组成的，为什么金刚石很坚硬，而石墨却很软呢？ 答案　金刚石中碳原子间的作用力很强，而石墨是层状结构，层与层之间距离较大，原子间的作用力比较弱，所以金刚石很坚硬，石墨却很松软。 例3　(多选)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．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 C．天然石英表现为各向异性，是由于组成该物质的微粒在空间有规则地排列着 D．同种物质在不同条件下所生成的晶体微粒的排列规律相同 答案　BC 解析　固体可以分为晶体和非晶体两类，晶体、非晶体是相对的，在一定的条件下可以相互转化，A错误；天然石英表现为各向异性，是由于组成该物质的微粒在空间的排列是规则的，具有空间上的周期性，C正确；相同物质在不同的条件下能够生成不同的晶体，组成它们的微粒能够按照不同的排列规律在空间分布，如金刚石与石墨，B正确，D错误。 例4　(2022·苏州市高二期末)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的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，下列说法中正确的是(　　) 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、石墨烯都是单晶体，石墨与石墨烯都是碳元素的单质，故A、B错误；石墨、石墨烯的物理性质都表现为各向异性，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。 三、液晶 1．概念：介于晶体和液体之间，具有液体的易流动性，保留着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 (1)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。 (2)液晶分子的排列会因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。 3．应用 (1)液晶显示：用于电子手表、电子计算器、计算机以及其他仪器中。 (2)利用温度改变时液晶颜色会发生改变的性质来指示温度。 (1)液晶具有重要的应用，液晶大多是天然存在的。(　×　) (2)大多数液晶是人工合成。(　√　) 例5　(多选)液晶电视不断降价，逐步走进了千家万户。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，但分子的排列是不稳定的，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。 四、半导体材料　纳米材料 1．半导体材料 (1)概念：电阻率为10－5～107 Ω·m，介于金属和绝缘体之间的材料。 (2)应用：利用半导体材料的各种特性可以制成不同的半导体器件，如热敏电阻、光敏电阻、光电池、可控硅、高压硅堆、半导体激光器等。这些器件在工业自动控制、医疗、国防军工、通信、计算机以及网络信息技术等领域中有着广泛的应用。 2．纳米材料 (1)概念：三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的固体材料，称为纳米材料。 (2)应用：纳米材料性能独特，在日常用品、新材料等方面，以及工业、医疗、国防军工和科技等领域有着十分广泛、诱人的应用前景，促进了材料科学技术领域的革命。 例6　(多选)“新材料”是相对于传统材料而言的。新材料的使用对推动社会的进步正在发挥着越来越大的作用。下列关于“新材料”的描述正确的是(　　) A．“纳米材料”是指材料的几何尺寸达到纳米量级，并且具有特殊性能的材料 B．“半导体材料”广泛应用于手机、电视机、电脑的元件及芯片 C．所有的晶体管和集成电路都是由硅材料制成的 D．低损耗的光导纤维是现代光纤通信的重要材料 答案　ABD 例7　(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 课时对点练 考点一　晶体和非晶体 1．(2022·盐城市伍佑中学高二月考)关于晶体和非晶体，下列说法正确的是(　　) 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，则一定是单晶体 答案　C 解析　物理性质表现为各向同性的可以是多晶体，也可以是非晶体，故不能根据各向异性或各向同性来鉴别晶体和非晶体，故A错误；沿各个方向对一块均匀薄片施加拉力，发现其强度一样，表现出各向同性，可能是非晶体，也可能是多晶体，故B错误；一个固体球，如果沿其各条直径方向的导电性能不同，即具有各向异性，则该球一定是单晶体，故C正确；一块晶体，若其各个方向的导热性能相同，表现出各向同性，可能是多晶体，故D错误。 2.(2022·惠州市高二期中)甲、乙两种薄片的表面分别涂有薄薄的一层石蜡，然后用烧热钢针的针尖分别接触这两种薄片石蜡涂层的背面，接触点周围熔化了的石蜡分别形成如图所示形状，对这两种薄片，下列说法中正确的是(　　) A．甲的熔点一定高于乙的熔点 B．甲一定是晶体 C．乙一定是晶体 D．乙一定是非晶体 答案　B 解析　单晶体表现为各向异性，熔化了的石蜡形成椭圆形，非晶体和多晶体表现为各向同性，则熔化了的石蜡形成圆形，无法确定熔点的高低，故B正确，A、C、D错误。 3．如图所示，甲、乙、丙三种固体物质，质量相等，从其温度随时间变化的图像可以判断(　　) A．甲是晶体，乙、丙是非晶体 B．乙是晶体，甲、丙是非晶体 C．乙是非晶体，甲的熔点比丙的熔点低 D．乙是非晶体，甲的熔点比丙的熔点高 答案　D 解析　晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔化温度，由题图可知，甲、丙两物质在熔化过程中都有温度不变的过程，所以甲、丙是晶体，同理可知，乙是非晶体。进一步分析可知，甲的熔点比丙的熔点高，故D正确，A、B、C错误。 考点二　晶体的微观结构 4．(2022·北京丰台高二月考改编)下列关于固体的叙述，正确的是(　　) A．晶体的各向异性是由于它的微粒按空间点阵排列 B．多晶体内部的分子排列是不规则的 C．同种元素的原子按不同结构排列有相同的物理性质 D．石墨的硬度比金刚石差得多，是由于它的微粒没有按空间点阵分布 答案　A 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具有各向异性，故A正确；由晶体的微观结构特点可知，晶体内部的分子是有规则地、周期性地在空间排列，故B错误；同种元素的原子按不同结构排列有不同的物理性质，故C错误；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原子间的作用力比较弱，所以石墨质地柔软，而金刚石的网状结构决定了碳原子间的作用力很强，所以金刚石有很大的硬度，故D错误。 5.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。下列说法正确的是(　　) A．A处的晶体分子可以沿三条线方向发生定向移动 B．三条线段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．三条线段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 答案　C 解析　晶体中的分子只在平衡位置附近振动，不会沿三条线方向发生定向移动，故A错误；三条线段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B、D错误，C正确。 考点三　液晶 6．液晶在现代生活中扮演着重要的角色，下列对于液晶的认识正确的是(　　) A．液晶态就是固态和液态的混合 B．液晶具有光学各向同性的性质 C．液晶分子的空间排列是稳定的，具有各向异性 D．液晶的光学性质随外加电压的变化而变化 答案　D 解析　液晶态是介于液态与固态之间的一种物质状态，不是固态和液态的混合，A错误；液晶既具有液体的流动性，又具有与某些晶体相似的性质，如具有光学各向异性，B错误；外界条件的微小变化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、外加电压等因素变化时，都会改变液晶的光学性质，故C错误，D正确。 7．(2022·江苏响水中学高二月考)下列属于液晶分子示意图的是(　　) 答案　B 考点四　新材料 8．(多选)关于新材料的开发与应用，下列说法正确的是(　　) A．纳米是长度单位，1 nm＝10－10 m B．纳米材料的应用对人们总是有利的 C．半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间 D．利用半导体材料的导电特点可以制成有特殊用途的光敏、热敏电阻 答案　CD 解析　1 nm＝10－9 m，故A错误；纳米材料的应用对人们既有有利的一面，也有有害的一面，B错误；由半导体的特性可知，C、D正确。 9.(2022·常州市高二期中)2020年，“嫦娥五号”探测器顺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，即“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。关于石英晶体，下列说法正确的是(　　) 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 答案　D 解析　晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔化温度，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；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。 10.(2022·南京市高二期末)食盐是我们生活中不可缺少的调味品，通过研究，我们知道了食盐的微观结构如图所示。则下列说法正确的是(　　) A．食盐晶体是正六面体形 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 答案　A 解析　食盐晶体是正六面体形，选项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，选项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，选项C错误；食盐在熔化时，要吸收热量，所以内能增加，选项D错误。 11．(多选)国家游泳中心——水立方，像一个蓝色透明的“冰块”，透过它，游泳中心内部设施尽收眼底。这种独特的感觉来源于建筑外墙采用了一种叫ETFE(四氟乙烯和乙烯的共聚体)的膜材料，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．有确定的熔化温度 D．可以做成形状规则的物体 答案　AD 解析　非晶体没有确定的熔化温度，在物理性质上表现为各向同性，可以人工加工成形状规则的物体，故A、D正确。 12．如图所示为石墨、石墨烯的微观结构，石墨烯是单层的石墨，可以通过剥离石墨而获得，是现有材料中厚度最薄、强度最高、导热性最好的新型材料。下列说法正确的是(　　) A．单层石墨烯的厚度约在厘米数量级 B．石墨烯可以通过物理方法获得 C．石墨和石墨烯中的碳原子都固定在六边形的顶点不动 D．石墨烯熔化过程中吸热，碳原子的平均动能增加 答案　B 解析　单层石墨烯的厚度约在纳米数量级，故A错误；由题意可知，可以通过剥离石墨而获得石墨烯，所以石墨烯可以通过物理方法获得，故B正确；石墨中的碳原子是运动的，故C错误；石墨烯是晶体，熔化过程中吸热，但温度不变，碳原子的平均动能不变，故D错误。 13．北京冬奥会中国科研团队突破人工造雪核心技术“冰状雪”的难关，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。已知普通雪密度是每立方厘米0.1克至0.4克，而“冰状雪”密度则达到每立方厘米0.65克。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”比自然雪熔化得慢 C．3 ℃的水通过造雪机转化为雪时，需要吸收热量 D．“冰状雪”熔化成水的过程中温度会不断变化 答案　B 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”比自然雪熔化得慢，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，熔化成水的过程中温度不变，故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$