2.1 固体和固体材料（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

第1节　固体和固体材料 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 　　晶体、非晶体、液晶、半导体材料、纳米材料。 　　利用晶体的微观结构解释晶体的性质。 　　用云母片和玻璃片探究晶体的各向异性。 　　通过对液晶、半导体材料和纳米材料在生产生活中的应用，增强社会责任感。 [对应学生用书P23] 一、晶体和非晶体 1．固体的分类 固体可以分为晶体和非晶体两类。金刚石、云母、明矾、雪花等是晶体，具有规则的几何形状；玻璃、蜂蜡、松香等是非晶体，不具有规则的几何形状。 2．各向同性与各向异性 有些晶体的一些物理性质(如导热、机械强度、导电等)与方向有关，叫作各向异性。非晶体沿各个方向的物理性质都是相同的，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称为单晶体。 (2)多晶体：由许多晶粒构成的晶体称为多晶体。 二、晶体的微观结构 1．点阵结构：晶体的分子、原子、离子在空间上的规则性、周期性排列的结构。 2．各向异性的微观解释：同一种物质微粒不同方向上排列的情况不同，可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．定义：既有液体的易流动性又有晶体的各向异性的物质称为液态晶体，简称液晶。 2．应用：(1)作为显示元件；(2)可以指示温度。 四、半导体材料 1．半导体材料：电阻率介于金属和绝缘体之间的材料。 2．半导体的性质：在光、热、磁、电等作用下引起相应的物理效应和现象。 3．应用：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。 五、纳米材料 1．纳米：长度单位，1 nm＝10－9 m。 2．纳米材料：三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的固体材料。 请判断下列说法的正误(对的画“√”，错的画“×”)。 (1)晶体的分子(原子、离子)排列是有规则的。(　　√　　) (2)非晶体在不同方向上的微粒排列及物质结构情况基本相同。(　　√　　) (3)同一种物质只能生成一种晶体。(　　×　　) (4)单晶体和多晶体都有规则的几何外形。(　　×　　) (5)所有的晶体都具有各向异性。(　　×　　) (6)在有光照射时，有的半导体可以导电。(　　√　　) 备课札记 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [对应学生用书P24] 探究点一___晶体和非晶体 [问题设计] 观察食盐颗粒和松香的外形，它们的外形各有怎样的特征？ 提示：食盐颗粒总是呈现立方体形，松香颗粒没有规则的几何形状。 1．单晶体、多晶体及非晶体的区别与联系 (1)区别 宏观外形 物理性质 非晶体 没有确定的形状 ①没有固定熔点 ②导电、导热、光学性质表现为各向同性 晶体 单晶体 有天然规则的形状 ①有确定的熔点(部分晶体) ②导热、导电、光学性质表现为各向异性(部分晶体) 多晶体 没有确定的形状 ①有确定的熔点 ②导热、导电、光学性质表现为各向同性 (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。 2．对单晶体各向异性的理解 (1)在物理性质上，单晶体具有各向异性，而非晶体及多晶体则具有各向同性。 (2)通常所说的物理性质包括弹性、硬度、导热性能、导电性能、光的折射性能等。 (3)单晶体的各向异性是指单晶体在不同方向上物理性质不同，也就是沿不同方向去测试单晶体的物理性能时测量结果不同。 【例1】 甲、乙、丙三种固体薄片涂上蜡，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，下列说法正确的是(　　) A．甲、乙为非晶体，丙是晶体 B．甲为多晶体，乙为非晶体，丙为单晶体 C．甲、丙为非晶体，丙是晶体 D．甲、乙、丙都是晶体 B　解析：单晶体是各向异性，在其表面熔化的蜡是椭圆形。非晶体和多晶体是各向同性，则在其表面熔化的蜡是圆形，因此丙为单晶体，甲、乙可能是多晶体与非晶体。根据温度随加热时间变化的关系可知，甲、丙为晶体，乙是非晶体。B正确。 [练1] “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，石英晶体上下表面间的压电效应与对应侧面间的不同。则石英晶体(　　) A．没有确定的熔点 B．制成的传感器可测定压力大小 C．是各向同性的 D．是多晶体 B　解析：由题意知，石英晶体具有各向异性的压电效应，可制成的传感器可测定压力大小，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，有确定的几何形状。B正确。 探究点二___晶体的微观结构 [问题设计] 为什么晶体的形状和物理性质会与非晶体不同呢？ 提示：组成晶体的物质微粒(分子、原子和离子)是按照一定的规律在空间整齐排列的。 1．对外形及物理性质表现各向异性还是各向同性的解释 单晶体 多晶体 非晶体 外形 规则 不规则 不规则 物理性质 各向异性 各向同性 各向同性 微观解释 单晶体内部物质微粒的排列有一定规律，因此宏观上有规则的几何外形。在不同方向上的微粒排列及物质结构情况不一样，在物理性质上表现为各向异性 多晶体内部物质微粒的排列没有一定规律，因此宏观上没有规则的几何外形。在不同方向上的微粒排列及物质结构情况一样，在物理性质上表现为各向同性 非晶体内部物质微粒的排列没有一定规律，因此宏观上没有规则的几何外形。在不同方向上的微粒排列及物质结构情况一样，在物理性质上表现为各向同性 2.对同素异形体的解释 有的物质有几种晶体，是因为它们的物质微粒能形成不同的晶体结构。例如碳原子按不同的结构排列可形成石墨和金刚石，二者在物理性质上有很大差别。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，二者在物理性质上也有很大差别。 3．对晶体具有一定熔点的解释 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。 【例2】 观察对比图中金刚石、石墨、富勒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，富勒烯是多晶体； (3)它们是同一物质，只是内部微粒的排列不同。 答案：(1)正确，见解析　(2)错误，见解析　(3)错误，见解析 解析：(1)它们是同素异形体，由于结构不同，彼此间物理性质有差异，正确； (2)由金刚石和富勒烯的排列规则知它们都是单晶体，错误； (3)金刚石、石墨、富勒烯和石墨烯它们是同素异形体，即由相同元素组成，不同形态的单质，由于内部微粒的排列不同，表现出的性质不同。它们不是同一物质，错误。 (1)单晶体具有各向异性是因为沿不同方向微粒的排列及物质结构情况不同。 (2)晶体具有确定的熔点是因为晶体具有规则的排列结构。 (3)同种物质有几种不同的晶体是因为物质微粒排列的空间结构不同。 [练2] (多选)有关晶体的微观结构，下列说法正确的有(　　) A．同种元素的原子按不同结构排列有相同的物理性质 B．同种元素的原子按不同结构排列有不同的物理性质 C．同种元素形成晶体只能有一种排列规律 D．同种元素形成晶体可能有不同的排列规律 BD　解析：同种元素的原子可以按不同结构排列，形成不同的物质，不同物质的物理性质不同，例如由碳原子组成的石墨和金刚石的物质密度、机械强度、导热性、导电性、光学性质等都有很大差别，B、D正确，A、C错误。 探究点三___液晶 如图所示，电子手表、笔记本电脑、液晶电视、可视电话，液晶在现代生活中扮演者重要角色。 [问题设计] 为什么“液体”和“晶体”联系在一起了？液晶到底是什么物质？ 提示：液晶是既像液体一样具有流动性，又有某些晶体的光学性质的化合物。 1．特点 (1)液晶具有液体的流动性； (2)液晶具有光学上的各向异性； (3)液晶分子的排列不稳定，微小的外界变动都会改变分子排列，从而改变液晶的某些性质； (4)有些物质在特定的温度范围之内具有液晶态；有些物质溶解在适当的溶剂中，在一定的浓度范围内具有液晶态；不是所有物质都具有液晶态； (5)天然存在的液晶很少，多数液晶是人工合成的。 2．液晶的应用 液晶可以用作显示元件，液晶在生物医学、电子工业、航空工业中都有重要作用，液晶可以作为显示元件，有一种液晶，受外加电压的影响，会由透明状态变成浑浊状态，去掉电压，又恢复透明，当输入电信号，加上适当电压，透明的液晶变得浑浊，从而显示出设定的文字或数码。 液晶是存在于液态和固态之间的一种特殊的物质状态，既有液体的流动性，也有晶体的各向异性。 【例3】 液晶在现代生活中扮演着重要角色，广泛应用于手机屏幕、平板电视等显示设备中。下列四幅图哪个是液晶态分子排列图(　　) B　解析：液晶在某个方向上看，其分子排列比较整齐，但从另一方向看，分子的排列是杂乱无章的，A、D中分子排列非常有序，不符合液晶分子的排列规律，A、D错误；B中分子排列比较整齐，但从另外一个角度看也具有无序性，符合液晶分子的排列规律，B正确；C中分子排列是完全无序的，不符合液晶分子的排列规律，C错误。 [练3] 通电雾化玻璃能满足玻璃的通透性和保护隐私的双重要求，被广泛应用于各领域。如图所示，通电雾化玻璃是将液体高分子晶膜固化在两片玻璃之间，未通电时，看起来像一块毛玻璃不透明；通电后，看起来像一块普通玻璃，透明。可以判断一通电雾化玻璃中的液晶(　　) A．是液态的晶体 B．具有光学性质的各向同性 C．不通电时，入射光在滴品层发生了全反射，导致光线无法通过 D．通电时，入射光在通过液晶层后按原有方向传播 D　解析：液态是介于晶体和液体之间的中间状态，具有液体流动性又具有晶体光学性质的各向异性，A、B错误；不通电时，即在自然条件下，液晶层中的液晶分子无规则排列，入射光在液晶层发生了漫反射，穿过玻璃的光线少，所以像毛玻璃不透明。通电时，液晶分子迅速从无规则排列变为有规则排列，入射光在通过液晶层后按原方向传播，C错误，D正确。 探究点四___半导体材料和纳米材料 [问题设计] (1)半导体材料有什么特点？ (2)纳米材料有什么特点？ 提示：(1)半导体，指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。 (2)纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1～100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料，是这大约相当于10～1000个原子紧密排列在一起的尺度。 1．半导体 半导体的导电性能介于导体与绝缘体之间。它的电阻比导体大得多，但又比绝缘体小得多。当作导体来使用，它的电阻太大了。当作绝缘材料来使用，它的电阻太小了。但是，半导体有许多神奇而特殊的电学特性，使它获得了多方面的重要应用。 (1)有的半导体在受到压力后，电阻发生较大的变化(可称为“压敏性”)。利用这种半导体可以做成体积很小的压敏元件，它可以把压力变化转变成电流的变化，使人们在测出电流变化的情况后，从而也就知道了压力变化。 (2)有的半导体在受热后电阻随温度的升高而迅速减小(可称为“热敏性”)。利用这种半导体可以做成体积很小的热敏电阻。热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度变化，不仅反应快，而且精确度高。 (3)有的半导体在光照下的电阻会大为减小(可称为“光敏性”)。利用这种半导体可以做成体积很小的光敏电阻。没有光照射时，光敏电阻就像绝缘体那样不容易导电；有光照射时，光敏电阻又像导体那样导电。一般光敏电阻的电阻值，不受光照射时是受光照射时的100～1 000倍。例如，有一种型号的光敏电阻，光照时的阻值为2 kΩ，不受光照时的阻值为1 000 kΩ，因此，光敏电阻被广泛应用到光照反应灵敏的许多自动控制设备中。 半导体的导电性能可由外界条件所控制，常见特性如下表 特性名称 特性内容 用途 应用实例 热敏特性 半导体材料受热后，电阻随温度升高而迅速减小 热敏电阻 热敏温度计 光敏特性 半导体材料受到光照时，电阻大大减小 光敏电阻 光电计时器 压敏特性 半导体材料受压时会改变电阻值 压敏元件 称重计 掺杂特性 掺入极微量的杂质可使其导电性能剧增 晶体管 发光二极管 2.纳米材料 (1)纳米是长度单位：1 nm＝10－9 m。 (2)纳米技术：在纳米尺度(1～100 nm)上制造材料和器件的技术。即重新排列原子而制造具有新分子结构的技术。 (3)纳米材料有纳米金属、纳米磁场材料、纳米陶瓷材料、有机—无机纳米复合物、纳米传感材料、纳米医用材料等。 (4)纳米材料特性 当材料小到纳米尺度时，其性能会发生突变，体现在以下几方面： 力学性能：高强、高硬和良好塑性。 热学性能：熔点较低。 电学性能：低温时会呈现电绝缘性。 化学性能：具有相当高的化学活性。 (5)纳米材料应用领域：能源、环保、通信、航空航天、医疗、日常生活等。 材料科学技术的基础是研究材料的微观结构，因为固体材料内部物质微粒的排列影响材料的物理性能。 【例4】 碳纳米管是管状的纳米级石墨。关于碳纳米管，下列说法正确的是(　　) A．碳原子之间的化学键属于强相互作用 B．碳纳米管具有固定的熔点 C．碳纳米管的所有物理性质都是各向异性 D．碳纳米管上所有的碳原子都是静止不动的 B　解析：碳原子之间的化学键属于电磁相互作用，A错误；碳纳米管是管状的纳米级石墨是晶体，有固定的熔点，B正确；碳纳米管不是所有物理性质都是各向异性，C错误；碳纳米管上所有的碳原子并不是静止不动的，它们在不停的振动，D错误。 [练4] (多选)如图所示的电路中，当半导体材料做成的热敏电阻浸泡到热水中时，电流表示数增大，则说明(　　) A．热敏电阻在温度越高时，电阻越大 B．热敏电阻在温度越高时，电阻越小 C．半导体材料温度升高时，导电性能变差 D．半导体材料温度升高时，导电性能变好 BD　解析：电流表的示数增大，说明电路中的电流增大，电阻减小，所以这个热敏电阻的电阻率是随温度的升高而降低的；半导体材料的电阻值在其他条件不变时升高温度，导电性能变好，B、D正确。 [对应学生用书P28] 1．有的物质在不同方向上的性能不同，如热传导性、导电性、透光率、弹性强度等，这种特点广泛应用于太阳能电池、半导体元件、电力传输、航空航天等。那么，具有这种在不同方向上性能不同特性的物质(　　) A．可能是多晶体 B．一定是多晶体 C．一定是单晶体 D．可能是非晶体 C　解析：多晶体和非晶体是各向同性，单晶体是各向异性。具有这种在不同方向上性能不同特性的物质一定是单晶体，C正确。 2．(多选)关于纳米和纳米技术，下列说法中正确的是(　　) A．纳米是长度单位，1 nm＝10－9 m B．用纳米技术只能重新排列微小的颗粒 C．用纳米技术可以重新排列原子 D．纳米技术是微观领域中的一种先进技术 ACD　解析：纳米是长度单位，可知1 nm＝10－9 m，A正确；纳米技术是微观领域中的一种先进技术，用纳米技术可以重新排列原子，B错误，C、D正确。 3．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．液晶具有各向同性的性质 C．液晶既有液体的流动性，又有晶体的各向异性 D．天然存在的液晶很多，如果一种物质是液晶，那么它在任何条件下都是液晶 C　解析：液晶态是介于液态与结晶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等，B错误，C正确；天然存在的液晶并不多，多数液晶是人工合成的，液晶在不同温度下的状态不同，有结晶态、液晶态和液态三种状态，D错误。 4．(多选)关于发光二极管，下列说法正确的是(　　) A．发光二极管能发光，不具有单向导电性 B．发光二极管能直接把电能转化为光能 C．发光二极管只要在两端加有正向电压，就可以发光 D．发光二极管只有加正向电压时，才有可能发光 BD　解析：发光二极管的主要材料是半导体，具有单向导电性，即只有加正向电压时，才有可能发光，且把电能转化为光能，但是正向电压必须到达一定的值，B、D正确，A、C错误。 5．人们在夏季喜欢佩戴水晶饰品，天然的水晶具有规则的几何外形，如图所示。关于天然水晶，下列说法正确的是(　　) A．是单晶体 B．没有固定的熔点 C．微观粒子的空间排列不规则 D．在光学性质上表现为各向同性 A　解析：天然的水晶具有规则的几何外形，所以是单晶体，A正确；晶体具有固定的熔点，B错误；单晶体微观粒子的空间排列规则，C错误；单晶体在光学性质上表现为各向异性，D错误。 [课时梯级训练(6)见P149] 学科网（北京）股份有限公司 $$