第2章 4 固体-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（人教版2019，浙江）

4　固体 [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，知道晶体和非晶体形状和物理性质不同的原因(难点)。 一、晶体和非晶体 1．固体的分类及性质 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 构成 物理性质 有无确定熔点 单晶体 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．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？ 答案　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.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的另一面，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。 3．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Oxy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　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　(2023·宁波市效实中学高二期中)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．甲是晶体 B．甲是非晶体 C．乙是晶体 D．乙是非晶体 答案　A 解析　单晶体的导热性是各向异性的，薄片的表面接触点周围熔化了的石蜡是椭圆形的，非晶体和多晶体的导热性是各向同性的，则薄片的表面接触点周围熔化了的石蜡是圆形的，即乙可能是多晶体也可能是非晶体，故选A。 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．区分单晶体与多晶体的方法：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。 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．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。 2．有的物质在不同条件下能够生成不同的晶体。那是因为组成它们的微粒能够按照不同规则在空间分布，例如碳原子按不同的空间分布排列可形成石墨或金刚石。 3．同一种物质也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。 1．如图为石墨和金刚石的微观结构图，石墨和金刚石都是由碳原子组成的，为什么石墨很软，而金刚石却很坚硬呢？ 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。 2．如图所示是一个平面上晶体微粒排列的情况。请观察沿不同方向单位长度上微粒的数目是否相同，并思考引起晶体各向异性的原因。 晶体各向异性的微观解释 答案　由晶体微粒的排列情况可知，沿不同方向单位长度上微粒的数目均不相同，正是这种不同，使晶体的物理性质表现为各向异性。 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　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，石墨与石墨烯等都是碳元素的单质，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。 课时对点练 考点一　晶体和非晶体 1．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，还有可能是多晶体，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·嘉兴一中月考)“嫦娥五号”探测器上装有用石英制成的传感器，石英是单晶体，其受压时表面会产生大小相等、符号相反的电荷。石英晶体(　　) A．没有确定的熔点 B．具有各向同性的性质 C．没有确定的几何形状 D．能够把力学量转换为电学量 答案　D 解析　晶体有确定的熔点，所以A错误；单晶体具有各向异性的性质，所以B错误；单晶体有确定的几何形状，所以C错误；由题意知，石英晶体能够把力学量转换为电学量，所以D正确。 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。 4.一块厚度和密度都均匀分布的长方体被测样品，长AB是宽AD的两倍，如图所示。如果用多用电表的欧姆挡沿两个对称轴O1O1′和O2O2′方向测量，结果阻值均为R，则这块样品可能是(　　) A．单晶体 B．多晶体 C．非晶体 D．普通金属 答案　A 解析　用多用电表的欧姆挡沿两个对称轴O1O1′、O2O2′方向测量结果均相同，说明该样品沿O1O1′和O2O2′方向电阻率(即导电性能)不同，即物理性质表现为各向异性，A正确，B、C错误。如果是普通金属，可以分析出沿O1O1′方向电阻比较大，D错误。 考点二　晶体的微观结构 5．石墨和金刚石性质有很大差异，是由于(　　) A．石墨是各向异性的，而金刚石是各向同性的 B．它们的化学成分不同 C．它们都是各向同性的 D．组成它们的物质微粒按不同的规则排列 答案　D 6．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它们质地柔软，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，故D错误。 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。 8.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，温度保持不变，所以内能增加，选项D错误。 9．(多选)(2022·德清一中月考)下列说法正确的是(　　) A．固体可以分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同的方向上有不同的光学性质 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．将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒是非晶体 D．在熔化过程中，晶体要吸收热量，但温度保持不变，内能也保持不变 答案　AB 解析　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，A正确；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，例如金刚石和石墨，B正确；晶体，无论体积大小，都是晶体，将一块晶体敲碎后，得到的颗粒仍然是晶体，选项C错误；在熔化过程中，温度保持不变，但要吸收热量，晶体吸收的热量转化为分子势能，使得内能增大，D错误。 10．(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．可以做成规则形状的物体 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，可以人工加工成规则形状的物体，故A、D正确。 11．(2022·江苏高二期中)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为0.335 nm，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，温度不变，碳原子的平均动能不变，故D错误。 12．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”密度则需要达到每立方厘米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 $$