第2章 1. 固体和固体材料-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（教科版2019）

1．固体和固体材料 [核心素养定位]　1.知道晶体和非晶体的特点及区别，知道一些常见的晶体和非晶体。2.了解各向异性和各向同性，知道单晶体和多晶体的区别。3.了解晶体的微观结构，知道晶体表现为各向异性的原因。4.知道什么是液晶，了解液晶的特性及应用。5.了解半导体材料和纳米材料的特性及应用。 一　晶体和非晶体 1．固体的分类 (1)晶体：金刚石、云母、明矾、雪花等具有规则的几何形状，都是晶体。 (2)非晶体：玻璃、松香等不具有规则的几何形状，是非晶体。 2．各向异性和各向同性 (1)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。 (2)各向同性：非晶体的各种物理性质，在各个方向上都是相同的，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被称为单晶体。 (2)多晶体：由许多晶粒构成的晶体被称为多晶体。 二　晶体的微观结构 1．晶体的点阵结构 晶体是由分子、原子、离子等微粒组成的，如果用点来表示这些微粒的中心，那么，这些点在晶体内部的空间就会形成一个有规则的、周期性排列的结构，称为晶体的点阵结构。 2．晶体表现为各向异性的原因：不同方向上微粒排列的情况不同，因此在不同的方向上会表现出不同的物理性质。 3．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。 三　液晶 1．液晶的概念 有一些物质可以呈现介于晶体和液体之间的状态。这种物质尽管失去固态物质的刚性，获得了液体的易流动性，却保留着部分晶体物质的各向异性的特性。我们将这种物质称为液态晶体，简称液晶。 2．液晶的特性及应用 (1)液晶的电光效应：液晶的电光效应是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受电场调制的光学现象。液晶的电光效应在显示器件方面有广泛的应用。 (2)液晶颜色随温度改变的性质：还有一种液晶，温度逐渐升高时颜色会按照红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序改变；温度降低，颜色又按相反顺序变回来。利用液晶的这种性质可以指示温度。 四　半导体材料 1．半导体材料，是指电阻率为10－5～107 Ω·m，介于金属和绝缘体之间的材料。 2．半导体材料是制作半导体器件和集成电路的主要材料。 五　纳米材料 1．纳米是长度单位，1 nm＝10－9m，这相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。 2．科学研究表明，许多固体材料当厚度、长度和宽度中有一个在纳米范围(1 nm～10 nm)时，或将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后，将显示出许多奇异的特性，即它们的光学、热学、电磁学、力学以及化学方面的性质跟大块固体相比会有显著的不同。人们把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。 判一判 (1)具有各向异性的物质一定是晶体。(　　) (2)非晶体内分子的排列是无规则的。(　　) (3)液晶是液体和晶体共存的混合物。(　　) (4)半导体材料的电阻率与温度的关系比较复杂。(　　) (5)纳米材料比较容易获得。(　　) 提示：(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)× 探究　晶体和非晶体 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：初中我们学过固体可以分为晶体和非晶体，请回忆如何区分晶体和非晶体？ 提示：晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点。 活动2：如图甲，黄水晶、明矾、钻石都是晶体，如图乙，雪花也是晶体，与玻璃、松香等非晶体比较，在放大镜下其外表有什么特征？ 提示：这些晶体有规则的几何形状，而非晶体则没有。 活动3：取一张云母片和一块盖玻片，在云母片和盖玻片的一面均匀地涂上石蜡。用钳子夹住小铁钉放在酒精灯上烧红后，将钉尖接触云母片和盖玻片未涂蜡一面中央的某一点。观察云母片和玻璃片上石蜡熔化区域的形状，如图丙，分析热量在云母片和玻璃片上的传递过程有什么不同？由此你能得出什么结论？ 提示：玻璃片上石蜡熔化区域的形状近似于圆形，云母片上石蜡熔化区域的形状近似于椭圆形，则表明，热量在云母片上的传递速度各方向不同，在玻璃片上的传递速度各方向相同。由此得出结论：晶体在不同方向上的导热性能不同，而非晶体在各个方向上的导热性能相同。 活动4：图丁是一大块受潮粘在一起的蔗糖，图戊是一种铝合金的显微照片，观察丁、戊两图，有什么启发？ 提示：有的晶体虽然没有规则的几何外形，但是晶体的每一小部分仍然有规则的几何形状。 1．关于晶体和非晶体的正确判断 (1)根据几何形状判断某一固体是晶体还是非晶体时，要注意单晶体有天然规则的几何形状，例如食盐晶体是正六面体形(如图甲)，明矾晶体总是八面体形(如图乙)，天然石英晶体的中间是一个六棱柱，两端是六棱锥(如图丙)，而非晶体没有确定的、规则的几何形状。由于多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体也没有确定的几何形状。 (2)利用熔点进行晶体和非晶体的判断时，要注意晶体具有确定的熔点，而非晶体没有。 (3)利用各向异性和各向同性判断晶体和非晶体时，要注意单晶体沿不同方向的物理性质具有各向异性，非晶体沿各个方向的物理性质都是一样的，即为各向同性；多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，在物理性质上也是各向同性的。 2．正确理解单晶体的各向异性 (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通常所说的物理性质包括弹性、硬度、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显著的各向异性——沿不同方向的折射率不同。 例1　(多选)关于晶体和非晶体，下列说法中正确的是(　　) A．有规则的几何外形的固体一定是晶体 B．晶体在物理性质上一定是各向异性的 C．非晶体在物理性质上是各向同性的 D．晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点 (1)物理性质是各向同性的固体一定是非晶体吗？ 提示：不一定，也可能是多晶体。 (2)晶体有确定的熔点而非晶体没有确定的熔点，对吗？ 提示：对。 [规范解答]　因为外形是否规则可以用人工的方法处理，所以A错误；多晶体在物理性质上是各向同性的，B错误；非晶体在物理性质上是各向同性的，C正确；晶体与非晶体的区别表现在是否有确定的熔点，D正确。 [答案]　CD 　判断晶体与非晶体、单晶体与多晶体的方法 区分晶体和非晶体的方法是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，仅从各向同性或几何形状不能判断某一固体是晶体还是非晶体。 区分单晶体和多晶体的方法是看其在物理性质上是否具有各向异性或是否具有确定规则的几何形状，单晶体表现出各向异性，有确定规则的几何形状，而多晶体表现出各向同性，没有确定规则的几何形状。 [变式训练1]　(多选)关于一块长方体的铜条，下列说法正确的是(　　) A．它是晶体，因为它有规则的几何外形 B．它是晶体，因为它有确定的熔点 C．它是多晶体，因为它是由许多晶粒杂乱无章地排列而成的 D．它是非晶体，因为它的物理性质表现为各向同性 答案　BC 解析　因为铜具有确定的熔点，所以铜是晶体，长方体外形是由外力塑造，不是天然形成的，不能作为铜是否是晶体的判断依据，故A错误，B正确；铜条是由许多晶粒杂乱无章地排列而成的，故铜条是多晶体，物理性质表现为各向同性，故C正确，D错误。 探究　晶体的微观结构 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 　 活动1：如图甲是食盐晶体中氯离子和钠离子分布的示意图，与食盐单晶体的形状比较，可以得出什么结论？ 提示：晶体内部空间微粒有规则地、周期性地排列，晶体中微观粒子在空间的排列决定了晶体的天然形状。 活动2：如图乙所示，从某一微粒出发，沿不同的方向画等长的线段AB、AC、AD，则三条线段上的微粒数目并不相等，这表明什么？ 提示：表明不同方向上微粒排列的情况不同，因此在不同的方向上会表现出不同的物理性质。 活动3：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，图丙是它们中碳原子排列的结构图，由此可以得出什么结论？ 提示：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。 1．各向异性的微观理解 如图所示是一平面上单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。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的物理性质不同。 　多晶体是由许多单晶体(晶粒)杂乱无章地组合而成的，单晶体具有确定规则的几何形状和各向异性的物理性质，由于单晶体在多晶体内杂乱无章地排列着，所以多晶体没有确定规则的几何形状，也不显示各向异性。 2．对晶体具有确定熔点的解释 给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．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规则排列可形成金刚石、石墨和足球烯，它们在物理性质上有很大的不同；白磷和红磷的化学成分相同，但白磷具有立方体结构，而红磷具有与石墨一样的层状结构。 4．同种物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现，也就是说，物质是晶体还是非晶体，并不是绝对的。例如，天然石英是晶体，而熔化以后再凝固的水晶(即石英玻璃)就是非晶体。有些非晶体在一定的条件下也可以转化为晶体。 例2　观察对比图中金刚石、石墨、足球烯和石墨烯的微观结构，判断下列几种说法的正误，并说明原因。 (1)它们的物理性质有很大的差异。 (2)金刚石是单晶体，足球烯是多晶体。 (3)组成各种物质的微粒都在图中的位置不动。 (1)单晶体和多晶体的微观结构有什么区别？ 提示：组成单晶体的微粒在空间规则排列，单晶体杂乱无章地排列构成多晶体。 (2)图中小球所在的位置表示什么？ 提示：对应微粒振动的平衡位置。 [规范解答]　(1)由于它们的微粒排列结构不同，彼此间物理性质有差异，故正确。 (2)由金刚石和足球烯中微粒的排列规则知它们都是单晶体，故错误。 (3)分子并不是静止不动的，组成各种物质的微粒都在图中位置附近的小范围内振动，故错误。 [答案]　见规范解答 [变式训练2]　(多选)下列关于晶体的说法正确的是(　　) A．金属的原子排列完全无规则 B．食盐受潮板结后，由晶体变成非晶体 C．晶体和非晶体在一定条件下可以发生相互转化 D．晶体在熔化过程中吸收热量，其分子势能一定增大 答案　CD 解析　金属是由大量细小的晶粒组成的多晶体，从宏观上看原子排列无规则，但在每个晶粒中，原子排列规则，A错误；食盐受潮板结后，由单晶体变成多晶体，B错误；晶体和非晶体在合适的条件下，可以互相转化，例如天然石英是晶体，而熔化以后再凝固的水晶是非晶体，把晶体硫加热熔化(温度超过300 ℃)再倒进冷水中，会变成柔软的非晶硫，再过一段时间又会转化为晶体硫，C正确；由于晶体在熔化过程中有固定的熔点，故晶体在熔化过程中温度不变，分子的平均动能不变，但由于晶体在熔化过程中吸收了热量，内能增加，故其分子势能一定增大，D正确。 探究　液晶 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：分析比较图甲中晶体、液晶和液体分子的排列，猜想液晶应该具有什么物理性质？ 提示：晶体中分子具有取向有序性和位置有序性，这些分子虽能在平衡位置附近的小范围内振动，但平均说来，它们一直保持这种高度有序的排列状态，如图甲(a)所示；当处于液体状态时，这两种有序性完全丧失，分子可以随意地移动和转动，如图甲(c)所示。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，如图甲(b)所示。猜想液晶有液体的易流动性和部分晶体物质的各向异性的性质。 活动2：液晶显示是利用液晶而发展起来的。这种显示元件用于电子手表、电子计算器、计算机以及其他仪器中，如图乙所示。这说明液晶的什么性质易随外界条件的微小变动而发生变化？ 提示：光学性质。 1．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，其电光效应在显示器件方面有广泛的应用。液晶的电光效应是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受电场调制的光学现象。如有一种液晶，在外加电压的影响下，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。 2．还有一种液晶，温度逐渐升高时颜色会按照红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序改变；温度降低，颜色又按相反顺序变回来。利用液晶的这种性质可以指示温度。在医学上，在皮肤表面涂一层液晶，由于肿瘤部分的温度与周围正常组织的温度不一样，液晶会显示不同颜色。 3．天然存在的液晶不多，大多数液晶是人工合成的。迄今为止科学家已发现几千种有机化合物具有液晶态。 例3　(多选)关于液晶的分子排列，下列说法正确的是(　　) A．液晶分子在特定方向排列整齐 B．液晶的物理性质在外界的影响下很容易发生改变 C．液晶分子的排列整齐且稳定 D．液晶的物理性质稳定 (1)液晶分子的空间分布是怎样的？ 提示：在没有外界干扰的情况下趋向分子相互平行排列。 (2)液晶是一种稳定的状态吗？ 提示：不是。 [规范解答]　液晶分子在特定方向上排列比较整齐，故A正确；液晶分子排列不稳定，外界条件的微小变动会引起液晶分子排列的变化，故C错误；液晶的物理性质不稳定，例如有一种液晶，在外加电压的影响下，会由透明状态变成浑浊状态，去掉电压，又恢复透明，故B正确，D错误。 [答案]　AB 　判断液晶的技巧 (1)液晶是既有流动性和连续性，又具有各向异性的流体。 (2)有些液晶在外加电压下会由透明变为不透明，但液晶本身不会发光。 [变式训练3]　(多选)关于液晶，下列说法中正确的有(　　) A．液晶是一种晶体 B．液晶分子的空间排列是稳定的，具有各向异性 C．有些液晶的光学性质随温度的变化而变化 D．有些液晶的光学性质随外加电压的变化而变化 答案　CD 解析　液晶的微观结构介于晶体和液体之间，A错误；虽然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，B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，例如温度、压强、摩擦、电磁作用、容器表面的差异性等外界条件变化时，都可能会改变液晶的光学性质，C、D正确。 1．(晶体和非晶体)(多选)关于晶体和非晶体，下列说法正确的是(　　) A．金刚石、食盐、玻璃和水晶都是晶体 B．晶体的分子(或原子、离子)排列是有规则的 C．单晶体和多晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点 D．单晶体和多晶体的物理性质是各向异性的，非晶体是各向同性的 答案　BC 解析　玻璃是非晶体，A错误；多晶体是各向同性的，D错误。B、C说法正确。 2．(固体材料)(多选)下列说法正确的是(　　) A．纳米是一种尺寸很小的材料，是纳米材料的简称 B．当固体材料的厚度、长度和宽度中有一个在纳米范围(1 nm～100 nm)时，我们就说该固体材料为纳米材料 C．纳米是一个长度单位 D．纳米材料的奇异特性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　纳米和纳米材料是两个不同的概念，纳米是一个长度单位，纳米材料是固体材料的一种，A错误，C正确；人们把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，C正确；纳米材料显示出许多奇异的特性，高硬度是纳米材料表现出来的一种良好性能，B、D正确。 3．(晶体的微观结构)(多选)下列关于探索晶体结构的几个结论中正确的是(　　) A．晶体内部的物质微粒是按一定的规则排列的 B．组成晶体的物质微粒，没有一定的排列规则，在空间杂乱无章地排列着 C．晶体内部各微粒之间还存在着很强的相互作用力，这些作用力就像可以伸缩的弹簧的弹力一样，将微粒约束在一定的平衡位置上 D．热运动时，晶体内部的微粒可以像气体分子那样在任意空间里做剧烈运动 答案　AC 解析　晶体内部微粒排列有规则性和周期性，晶体内部微粒都只能在各自的平衡位置附近振动，是因为微粒间存在着相互作用力。A、C正确，B、D错误。 4．(晶体的微观结构)(多选)有关晶体的微观结构，下列说法正确的是(　　) A．同种元素原子按不同规则排列有相同的物理性质 B．同种元素原子按不同规则排列有不同的物理性质 C．同种元素形成晶体只有一种排列规则 D．同种元素形成晶体可能有不同的排列规则 答案　BD 解析　同一种元素形成的晶体可能有不同的排列规则。如金刚石和石墨、红磷和白磷，由于它们的原子按不同规则排列，决定了它们有不同的物理性质。A、C错误，B、D正确。 5．(液晶)下列关于液晶的说法中正确的是(　　) A．液晶是具有液体性质的晶体 B．液晶分子在特定方向排列比较整齐 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　液晶是液体和晶体的中间态，A错误；液晶分子在某些方向上排列规则，某些方向上杂乱，B正确；有外加电压时，电子手表中的液晶由透明态变为不透明态，而本身不能发光，C错误；不是所有物质都具有液晶态，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，D错误。 6．(晶体和非晶体)关于晶体和非晶体，下面说法正确的是(　　) A．金属没有确定的几何形状，所以金属不是晶体 B．蔗糖受潮后粘在一起形成的糖块不是晶体 C．方解石能发生光的双折射现象表明方解石是晶体 D．石英玻璃是石英晶体熔化以后再凝固形成的，所以石英玻璃是晶体 答案　C 解析　金属、蔗糖都属于晶体，A、B错误；方解石能发生光的双折射现象，表明方解石具有光学各向异性，属于晶体，C正确；石英晶体熔化以后再凝固就变成了石英玻璃，而石英玻璃是非晶体，D错误。 7.(晶体和非晶体)2020年，“嫦娥五号”探测器胜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——“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 答案　D 解析　晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点，则石英晶体有确定的熔点，A错误；石英晶体沿垂直于x轴晶面上的压电效应最显著，故具有各向异性的压电效应，是单晶体，单晶体有确定的几何形状，B、C错误，D正确。 8．(晶体和非晶体)(多选)在甲、乙、丙三种固体薄片上涂上蜡，由烧热的针接触其上一点，蜡熔化的范围如图a、b、c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d所示，下列判断正确的是(　　) 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．甲是晶体，乙是非晶体，丙是单晶体 答案　BD 解析　由温度—时间图像知，甲、丙有固定的熔点，乙没有固定的熔点，所以甲、丙是晶体，乙是非晶体；由题图a、b、c知，甲、乙在导热性能上表现为各向同性，丙在导热性能上表现为各向异性，则丙一定是单晶体，甲可能是多晶体，也可能是单晶体。故B、D正确。 9．(综合)北京冬奥会给世界各地的人们带来了寒冬中的温暖，雪花形主火炬(图甲)的创意展现中国智慧，符合科学事实(图乙)，实际上雪花的形态有很多种(图丙)。关于雪花的下列说法正确的是(　　) A．雪花是非晶体 B．雪花具有各向异性 C．0 ℃雪花的水分子的平均动能比0 ℃液态水分子的小 D．雪花漫天飞舞可以作为雪花分子在做无规则运动的证据 答案　B 解析　根据雪花具有天然的、规则的几何形状，且雪花在熔化时，吸收热量温度不变，具有确定的熔点，可知雪花是单晶体，而单晶体具有各向异性的物理性质，A错误，B正确；物体的温度是它的分子热运动的平均动能的标志，故0 ℃雪花的水分子的平均动能与0 ℃液态水分子的相同，C错误；雪花是固体颗粒，飞舞时，是宏观上的机械运动，不能说明雪花分子在做无规则运动，D错误。 10．(综合)石墨是碳原子按图甲排列形成的，其微观结构为层状结构。图乙为石墨烯的微观结构，单碳层石墨烯是单层的石墨，厚1毫米的石墨大概包含大约三百万层石墨烯。石墨烯是现有材料中厚度最薄、强度最高、导热性最好的新型材料。则(　　) A．石墨中的碳原子静止不动 B．碳原子的直径大约为3×10－9 m C．石墨烯的物理性质沿各个方向一定不同 D．石墨烯的熔化过程中，碳原子的平均动能不变 答案　D 解析　由分子动理论可知，石墨中的碳原子在永不停息地做无规则运动，A错误；由题意可知单层石墨烯所占厚度为d＝ m＝3×10－10 m，且层与层之间有间距，所以碳原子的直径小于3×10－10 m，B错误；石墨烯中碳原子排列规则，所以石墨烯是单晶体，其物理性质具有各向异性，但某些物理性质沿各个方向可能相同，C错误；石墨烯是晶体，在熔化过程中，温度不变，故碳原子的平均动能不变，D正确。 15 学科网（北京）股份有限公司 $$