第五节 固体的基本性质（导学案）物理沪科版选择性必修第三册

该高中物理导学案围绕固体基本性质展开，核心知识点包括晶体与非晶体的分类、物理性质（各向异性与各向同性）、微观结构（空间点阵）及液晶特性。课堂通过云母与玻璃导热实验引导学生观察现象，从宏观几何外形到微观结构分析，搭建“宏观现象-微观解释”的学习支架，帮助学生建立知识脉络。 资料亮点在于注重科学探究与科学思维培养，通过实验操作（如石蜡熔化观察）让学生直观感知晶体特性，结合空间点阵模型解释宏观性质差异，体现模型建构方法。联系石墨烯、液晶显示等实际应用，渗透科学态度与责任，习题结合实例设计，助力学生巩固物理观念，提升分析解决问题的能力。

第五节 固体的基本性质 导学案 1．教材首先从宏观角度，通过几何外形将固体分为晶体和非晶体两大类，然后主要介绍晶体在物理性质上表现出的各向异性，最后介绍晶体的微观结构，并以此解释晶体的宏观性质。 2．学生通过观察实验现象、图片、视频等，形成对晶体的感性认知，并基于晶体的空间点阵解释晶体的宏观外形和物理性质的差异。学会宏观与微观相结合、直观观察和理性思考相结合的全面认识事物的思维方式。 1．通过晶体导热的各向异性实验，让学生体会各向异性。实验时，在云母薄片和玻璃片上涂的石蜡层一定要尽可能地薄且均匀。可用回形针代替钢针，将回形针的外圈拉直，然后手持环圈的一端，把拉直的一端用酒精灯烧红后分别垂直接触云母片和玻璃片未涂石蜡的一面，让热量通过云母或玻璃传给石蜡。可通过投影仪让学生观察两薄片上石蜡的熔化情况，有条件的学校，可将这个实验改为学生随堂实验，以增加学生动手的机会，有利于更清楚地观察现象。 【知识回顾】 一、晶体和非晶体 1．固体可以分为晶体，非晶体，两大类。常见的晶体有食盐、石英、云母等，常见的非晶体有玻璃 、松香、橡胶等。 2．晶体有规则的几何形状，非晶体则没有，非晶体的物理性质表现为各向同性。 3．晶体又分为单晶体和多晶体，整块物体就是一个晶体的称为单晶体，单晶体的物理性质表现为各向异 性。 4．多晶体：整块物体由大量不规则排列的小晶体组成。它没有（有 / 没有）规则的几何外观，常见的金属材料大多是多晶体。 5．单晶体在不同方向上的物理性质不同的现象称为各向异性。非晶体在不同方向上的物理性质相同的现象称为各向同性。多晶体的物理性质表现为各向同性。 总结：单晶体【规则形状，各向异性，固定熔点】、多晶体【各向同性，固定熔点】、非晶体【各向同性，没有固定熔点】 二、晶体的微观结构 1．固体中分子或原子间距离约为10−10m（0.1 nm）量级，组成晶体的微粒依照一定的规律在空间整齐地排列，构成空间点阵 食盐的空间点阵 0.56 nm (a) 石墨晶体 石墨和金刚石的空间点阵 (b) 金刚石晶体 0.335 nm 0.155 nm 2．晶体有固定的熔点，非晶体无固定的熔点。 3．同素异形体：同种元素的原子可能组成不同的空间点阵，从而形成形状和性质都很不同的晶体。金刚石和石墨就是碳原子组成的同素异形体。 4．在不同方向上物质微粒的数目、间距不同，因而导致晶体在不同方向上的物理性质不同，这就造成了晶体的各向异性。 三、液晶 1．液晶既像液体一样具有流动性和连续性，其分子又保持着固态晶体特有的规则排列方式，在光学上具有各向异性等晶体特有的物理性质。 2．液晶态的分子排列方式介于固态，液态之间，所以也称为介晶态。 3．加电压时，液晶不透明（透明 / 不透明）。利用液晶的这一特性可制成各种显示元件。 固态 固态、液晶态和液态分子的排列示意图 液晶态 液态 。 思考与讨论： 晶体和非晶体 自然界中大量物质都以固体形式存在。固体是物质的一种凝聚形态。从结构上说，一般可以把固体分成晶体（crystal）和非晶体（amorphous matter）两大类。常见的晶体有食盐、石英、云母等，常见的非晶体有玻璃、松香、橡胶等。 你知道什么是凝聚态物质吗？物质除了气、液、固三种常见状态外，还有介于液、固之间的中间态、等离子态、低温下的特殊量子态（如超流态）等。除稀薄气体外，包括稠密气体在内的其他各种物质状态统称为物质的凝聚态。人们对凝聚态物质的研究是从结构最有规律的晶体开始的。 拓 展 视 野 晶体具有规则的几何形状，非晶体则没有。图 11 – 38 所示的是三种常见晶体的形状。 图 11 – 38 三种常见晶体的形状 (a) 食盐 (b) 明矾 (c) 石英 晶体又分为单晶体和多晶体，整块物体就是一个晶体的叫做单晶体（single crystal），例如图 11 – 38 中所示的晶体和作为半导体工业重要原材料的单晶硅和单晶锗。若整块物体由大量不规则排列的小晶体组成，就叫做多晶体（polycrystal）。常见的金属材料大多是多晶体。多晶体没有规则的几何外形。 另外，许多物理性质上的差异也可以用于区分晶体和非晶体。 分别在云母薄片和玻璃片上表面涂一层很薄的石蜡，用烧热的钢针去接触它们的下表面，比较观察到的结果。 如图 11 – 39 所示，云母片上熔化的石蜡呈椭圆形，玻璃片上熔化的石蜡呈圆形。这表明云母在各个方向上的导热性能是不一样的；而玻璃在各个方向上的导热性能是相同的。（a）石蜡在云母片上熔化 （b）石蜡在玻璃片上熔化 图 11–39 石蜡熔化区域的形状 沿着不同方向撕开云母片，所需用力的大小不同，说明云母晶体在不同方向上的力学性质也是不同的；沿任意方向敲打玻璃，玻璃都会“粉身碎骨”，说明玻璃在各个方向的力学性质都相同。 晶体在不同方向上的物理性质（力学、热学、电学、光学性质等）不同，这种现象称为各向异性（anisotropy）。非晶体在不同方向上的物理性质相同，这种现象称为各向同性（isotropy）。这是区别晶体与非晶体的一个重要特征。 组成多晶体的大量小晶体的排列是杂乱无章的，因此多晶体的物理性质在整体上表现为各向同性。 除了常见的晶体以外，自然界中的大多数固体都是晶体，甚至构成生命的物质基础——蛋白质、核酸，以及许多活着的病毒也是晶体。 晶体和非晶体之间有时可以相互转化。天然水晶是晶体，而熔化以后再凝结成的水晶——石英玻璃却是非晶体。非晶体在一定条件下也可以转化为稳定的晶体，这一转化叫做晶化过程。 拓 展 视 野 晶体的微观结构 为什么晶体和非晶体会有上述差异？归根结底，固体的宏观物理性质与组成固体的分子或原子的排列有关，这就涉及晶体的内部结构。 固体中分子或原子间距离约为 0.1 nm 量级，相互作用比较明显。组成晶体的微粒（分子、原子、离子或它们的团簇）依照一定的规律在空间整齐地排列，构成“空间点阵”。 如图 11 – 40 所示，食盐的晶体是由钠离子（图中红点）和氯离子（图中蓝点）组成的，它们等间距地交错排列在三组互相垂直的平行线上，每个钠离子的周围有六个氯离子，每个氯离子的周围有六个钠离子。组成晶体的微粒在固定的平衡位置附近不停地做微小振动，因此晶体具有规则的外形。图 11 – 40 食盐的空间点阵 0.56 nm 当晶体从外界吸收热量时，微粒的振动加剧，温度升高。当晶体的温度达到熔点时，微粒的剧烈振动会破坏其原有的规则排列，空间点阵瓦解，于是变成液体。在此过程中，晶体吸收的热量用来逐步破坏它的空间点阵，所以固液混合物的温度并不升高。晶体完全熔化后，随着继续从外界吸收热量，温度又开始升高。非晶体由于微粒的排列不规则，吸收热量后微粒的振动不断加剧，温度持续升高，非晶体由硬变软，最后变成液体。因此，晶体有固定的熔点，非晶体无固定的熔点。 大家谈 了解了晶体和非晶体的微观结构，你有什么办法可以区分多晶体和非晶体吗？ A 图 11 – 41 晶体各向异性的缘由 B C D 图 11 – 41 表示晶体物质微粒在一个平面上的排列情况。在图中所画出的三条等长线段 AB、AC、AD 上，物质微粒的数目、间距不同，因而导致晶体在不同方向上的物理性质的不同，这就造成了晶体的各向异性。 同种元素的原子可能组成不同的空间点阵，从而形成形状和性质都很不同的晶体，叫做同素异形体。例如，金刚石和石墨就是碳原子组成的同素异形体。如图 11 – 42 所示，石墨的空间点阵是层状结构，层与层之间距离较大，相互作用较弱，沿着这个方向很容易把石墨一层层剥下来，甚至制成单层石墨——石墨烯；金刚石中的碳原子形成四面体型结构，原子间距离较小，相互作用很强，所以金刚石的硬度很大。 (a) 石墨晶体 图 11 – 42 石墨和金刚石的空间点阵 (b) 金刚石晶体 0.335 nm 0.155 nm 图 11 – 43石墨烯的原子排列 图 11 – 44 柔性显示屏 STSE 2004 年，英国曼彻斯特大学的盖姆（A. Geim，1958— ）和诺沃肖洛夫（K. Novoselov，1974— ）用一种特殊胶带从石墨上撕下了单层的石墨片——石墨烯，他们因此共同获得 2010 年诺贝尔物理学奖。石墨烯的原子排列如图 11 – 43 所示。 石墨烯是目前已发现的最轻、最薄但强度最大、导电性能最好的物质，它的厚度仅相当于人类头发丝的十万分之一，强度却可以达到钢铁的 200 多倍。石墨烯可广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏等方面。石墨烯制成的晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作，并且可以达到极高的工作频率。图 11 – 44 所示的是以石墨烯为基础材料制成的柔性显示屏，它是未来移动设备显示屏的发展方向。另外，石墨烯在新能源电池行业也有着广泛的应用前景。 石墨烯的发现，开创了一个新的晶体类型——单分子层材料。单分子层材料可进一步组合形成新型复合材料，拓展了人类对于物质世界和微观世界的认识。 液晶 1888 年，奥地利科学家莱尼兹尔做实验时发现，将“安息香酸酯”晶体加热到 145.5℃时会熔化为浑浊的液体，继续加热到 178.5℃ 时又变得清澈透明了。后来，德国物理学家列曼把上述那种处于“中间地带”的浑浊液体叫做液晶。 液晶既像液体一样具有流动性和连续性，其分子又保持着固态晶体特有的规则排列方式，在光学上具有各向异性等晶体特有的物理性质。图 11–45 所示是固态、液晶态和液态分子排列的示意图，液晶态的分子排列方式介于固态和液态之间，所以也称为介晶态。 固态 图 11 – 45 固态、液晶态和液态分子的排列示意图 液晶态 液态 不加电压时，液晶是透明的；加电压时，液晶不透明，光线不能通过。利用液晶的这一特性可制成各种显示元件。 在液晶中掺入少量多色性染料，染料分子与液晶分子结合，对液晶施加电场，电场强度不同时，液晶对不同颜色光的吸收强度不同，就能显示出各种颜色。彩色液晶显示器广泛地应用于电视机、计算机、大屏幕等的显示。与其他显示技术相比，液晶显示具有低电压、低功耗两大突出的优点。 目前，液晶已经广泛应用于电子工业、航空航天工业、生物、医学等众多领域，液晶的基础理论研究已成为凝聚态物理学的一个重要分支。液晶一定还有更广泛的应用，有待于今后进一步去研究开发。 一、单选题 1．关于固体和液体，下列说法正确的是（　　） A．液体表面张力的方向与液面垂直并指向液体内部 B．分子间同时存在着引力和斥力，当引力和斥力相等时，分子势能最大 C．液晶具有液体的流动性，低温时会凝固成结晶态，分子取向是有序的 D．所有的晶体都表现为各向异性 【答案】C 【详解】A．液体表面张力的方向与液面相切，故A错误； B．分子间同时存在着引力和斥力，当引力和斥力相等时，分子间作用力为零，此时无论分子间距变大还是变小，分子力都做负功，分子势能增大，即当引力和斥力相等时，分子势能最小，故B错误； C．液晶具有液体的流动性，也具有晶体的性质，低温时会凝固成结晶态，分子取向是有序的，故C正确； D．只有单晶体会表现出各向异性，多晶体都表现为多向同性，故D错误。 故选C。 2．下列关于晶体和非晶体的说法正确的是（　　） A．晶体一定表现出各向异性，非晶体一定表现出各向同性 B．液晶的光学性质具有各向同性 C．非晶体内部的原子排列具有规律性 D．非晶体无固定的熔点 【答案】D 【详解】A．单晶体表现出各向异性，多晶体和非晶体表现为各向同性，A错误； B．液晶的光学性质具有各向异性，B错误； C．晶体内部的原子排列具有规律性，非晶体内部的原子排列没有规律，杂乱无章的，C错误； D．非晶体无固定的熔点，D正确。 故选D。 3．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 【详解】A．晶体的各向异性是由于其内部微粒按空间点阵排列，导致不同方向上的物理性质不同，故A正确； B．晶体的微观结构特点可知，晶体内部的分子排列是有规则地、周期性地在空间排列，故B错误； C．同种元素的原子按不同结构排列时（如石墨和金刚石），物理性质差异显著，故C错误； D．石墨是晶体，其微粒按层状空间点阵排列，硬度低是由于层间作用力弱，而非未按点阵分布，故D错误。 故选A。 4．固体金属镓在人手上即可熔化为液体，则（　　） A．镓熔化过程中温度不断升高 B．液体镓表面分子间作用力表现为引力 C．固体镓中原子排列不规则 D．液体镓中原子的运动速率都相同 【答案】B 【详解】A．金属镓是晶体，则熔化过程中温度不变，A错误； B．液体镓表面层分子间距大于内部分子间距，则分子间作用力表现为引力，B正确； C．固体镓中原子排列规则，C错误； D．液体镓中原子的运动速率不是都相同的，中等速率的原子较多，D错误。 故选B。 5．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 【详解】A．多晶体没有规则的几何外形，非晶体也没有，故A错误； B．规则几何外形可能是人工加工而成，并非单晶体的特征，故B错误； C．多晶体由许多单晶体杂乱排列组成，单晶体各向异性，多晶体各向同性，故C正确； D．石墨和金刚石都是晶体，它们既可以以单晶体形式存在，也可以以多晶体形式存在，故D错误。 故选C。 6．下列四幅图对应的说法正确的有（　　） A．图甲中食盐晶体的物理性质沿各个方向都是一样的 B．图乙中附着层水分子间距较内部要小，附着层水分子间作用力表现为斥力所致 C．图丙中悬浮在液体中微粒的运动反映了固体分子的无规则热运动 D．图丁中液体表面层的分子间距离小于液体内部分子间距离，是液体表面张力形成的原因 【答案】B 【详解】A．图甲中食盐晶体是单晶体，其物理性质沿各个方向不一样，具有各向异性，故A错误； B．图乙是玻璃管插入水中的情形，根据图像可知，在附着层内液体分子之间呈现斥力效果，该现象是浸润，表明水能浸润玻璃，故B正确； C．图丙中悬浮在液体中微粒的运动是布朗运动，布朗运动反映了液体分子的无规则热运动，故C错误； D．图丁中液体表面层的分子间距离大于液体内部分子间距离，分子之间表现为引力效果，这是液体表面张力形成的原因，故D错误。 故选B。 7．在甲、乙、丙三种固体薄片上涂上蜡，用烧热的针接触其上一点，蜡熔化的范围如图甲、乙、丙所示，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．甲具有各向异性 B．乙有固定熔点 C．丙为单晶体 D．甲为非晶体 【答案】C 【详解】AD．图甲中熔化范围为一个圆，表明甲具有各向同性，由于甲有固定熔点，表明甲是多晶体，故AD错误； B．图乙中熔化范围为一个圆，表明乙具有各向同性，由于乙没有固定熔点，表明乙为非晶体，故B错误； C．图丙中熔化范围为一个椭圆，表明丙具有各向异性，可知，丙为单晶体，故C正确。 故选C。 8．下列说法正确的是（　　） A．布朗运动是花粉分子的无规则运动 B．烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，熔化的蜂蜡呈椭圆形，说明蜂蜡是晶体 C．石墨和金刚石的物理性质不同，是由于石墨是非晶体，金刚石是晶体 D．如果要保存地下的水分，把地面的土壤锄松，破坏这些土壤里的毛细管 【答案】D 【详解】A．布朗运动是悬浮微粒（如花粉颗粒）的无规则运动，反映了液体分子的无规则碰撞，而非花粉分子自身的运动，故A错误。 B．熔化的蜂蜡呈椭圆形是由于云母（晶体）的导热各向异性，说明云母是晶体（蜂蜡实际为非晶体），故B错误。 C．石墨和金刚石均为晶体，物理性质差异源于碳原子排列方式不同，而非是否属于晶体，故C错误。 D．锄松土壤会破坏毛细管结构，减少水分通过毛细现象蒸发，从而保存地下水分，故D正确。 故选D。 9．关于晶体、液晶、液体，下列说法正确的是（　　） A．晶体和液晶的性质是完全相同的 B．液晶就是液体，具有液体的所有性质 C．液晶是介于晶体与液体之间的一种物质状态 D．液晶具有液体的流动性，具有非晶体的各向同性 【答案】C 【详解】A．晶体是固体，分子排列高度有序，而液晶的分子排列介于晶体和液体之间，具有流动性和各向异性，性质不完全相同，故A错误。 B．液晶虽具有流动性，但其物理性质（如光学性质）呈现各向异性，而液体是各向同性的，故B错误。 C．液晶的分子排列和性质介于晶体的有序性与液体的无序性之间，属于一种独立的物质状态，故C正确。 D．液晶具有液体的流动性，但其物理性质（如光学性质）为各向异性（类似晶体），而非各向同性（非晶体的性质），故D错误。 故选C。 10．关于固体和液体，下列说法正确的是（　　） A．根据物理性质的各向同性或各向异性可以用来鉴别晶体和非晶体 B．因液晶是介于晶体与液体之间的中间态，所以液晶实际上是一种非晶体 C．单晶体在不同方向上物理性质不同，是因为不同方向上的物质微粒的性质不同 D．宇航员在太空中做水滴实验时，看到水滴的形状呈球形，这是由于液体表面张力的作用 【答案】D 【详解】A．多晶体和非晶体均呈现各向同性，无法仅通过各向异性区分晶体和非晶体，故A错误； B．液晶是介于晶体与液体之间的中间态，并非非晶体，故B错误； C．单晶体的各向异性由原子排列方向差异导致，而非微粒本身性质不同，故C错误； D．表面张力使液体在微重力下收缩为球形，故D正确。 故选D。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ / 学科网（北京）股份有限公司 $ 第五节 固体的基本性质 导学案 1．教材首先从宏观角度，通过几何外形将固体分为晶体和非晶体两大类，然后主要介绍晶体在物理性质上表现出的各向异性，最后介绍晶体的微观结构，并以此解释晶体的宏观性质。 2．学生通过观察实验现象、图片、视频等，形成对晶体的感性认知，并基于晶体的空间点阵解释晶体的宏观外形和物理性质的差异。学会宏观与微观相结合、直观观察和理性思考相结合的全面认识事物的思维方式。 1．通过晶体导热的各向异性实验，让学生体会各向异性。实验时，在云母薄片和玻璃片上涂的石蜡层一定要尽可能地薄且均匀。可用回形针代替钢针，将回形针的外圈拉直，然后手持环圈的一端，把拉直的一端用酒精灯烧红后分别垂直接触云母片和玻璃片未涂石蜡的一面，让热量通过云母或玻璃传给石蜡。可通过投影仪让学生观察两薄片上石蜡的熔化情况，有条件的学校，可将这个实验改为学生随堂实验，以增加学生动手的机会，有利于更清楚地观察现象。 【知识回顾】 一、晶体和非晶体 1．固体可以分为_____________和_____________两大类。常见的晶体有________、石英、云母等，常见的非晶体有_________、松香、橡胶等。 2．晶体有规则的几何形状，非晶体则没有，非晶体的物理性质表现为各向______性。 3．晶体又分为单晶体和多晶体，整块物体就是一个晶体的称为单晶体，单晶体的物理性质表现为各向______性。 4．多晶体：整块物体由大量不规则排列的小晶体组成。它________（有 / 没有）规则的几何外观，常见的金属材料大多是多晶体。 5．________在不同方向上的物理性质_____________的现象称为各向异性。_________在不同方向上的物理性质_____________的现象称为各向同性。多晶体的物理性质表现为各向_____性。 总结：单晶体【规则形状，各向异性，固定熔点】、多晶体【各向同性，固定熔点】、非晶体【各向同性，没有固定熔点】 二、晶体的微观结构 1．固体中分子或原子间距离约为_________m（0.1 nm）量级，组成晶体的微粒依照一定的规律在空间整齐地排列，构成____________。 食盐的空间点阵 0.56 nm (a) 石墨晶体 石墨和金刚石的空间点阵 (b) 金刚石晶体 0.335 nm 0.155 nm 2．_________有固定的熔点，_________无固定的熔点。 3．同素异形体：同种元素的原子可能组成不同的空间点阵，从而形成形状和性质都很不同的晶体。________和石墨就是______原子组成的同素异形体。 4．在不同方向上物质微粒的数目、间距不同，因而导致晶体在不同方向上的物理性质不同，这就造成了晶体的各向_____性。 三、液晶 1．液晶既像液体一样具有__________性和连续性，其分子又保持着固态晶体特有的规则排列方式，在光学上具有各向______性等晶体特有的物理性质。 2．液晶态的分子排列方式介于________和________之间，所以也称为介晶态。 3．加电压时，液晶___________（透明 / 不透明）。利用液晶的这一特性可制成各种显示元件。 固态 固态、液晶态和液态分子的排列示意图 液晶态 液态 。 思考与讨论： 晶体和非晶体 自然界中大量物质都以固体形式存在。固体是物质的一种凝聚形态。从结构上说，一般可以把固体分成晶体（crystal）和非晶体（amorphous matter）两大类。常见的晶体有食盐、石英、云母等，常见的非晶体有玻璃、松香、橡胶等。 你知道什么是凝聚态物质吗？物质除了气、液、固三种常见状态外，还有介于液、固之间的中间态、等离子态、低温下的特殊量子态（如超流态）等。除稀薄气体外，包括稠密气体在内的其他各种物质状态统称为物质的凝聚态。人们对凝聚态物质的研究是从结构最有规律的晶体开始的。 拓 展 视 野 晶体具有规则的几何形状，非晶体则没有。图 11 – 38 所示的是三种常见晶体的形状。 图 11 – 38 三种常见晶体的形状 (a) 食盐 (b) 明矾 (c) 石英 晶体又分为单晶体和多晶体，整块物体就是一个晶体的叫做单晶体（single crystal），例如图 11 – 38 中所示的晶体和作为半导体工业重要原材料的单晶硅和单晶锗。若整块物体由大量不规则排列的小晶体组成，就叫做多晶体（polycrystal）。常见的金属材料大多是多晶体。多晶体没有规则的几何外形。 另外，许多物理性质上的差异也可以用于区分晶体和非晶体。 分别在云母薄片和玻璃片上表面涂一层很薄的石蜡，用烧热的钢针去接触它们的下表面，比较观察到的结果。 如图 11 – 39 所示，云母片上熔化的石蜡呈椭圆形，玻璃片上熔化的石蜡呈圆形。这表明云母在各个方向上的导热性能是不一样的；而玻璃在各个方向上的导热性能是相同的。（a）石蜡在云母片上熔化 （b）石蜡在玻璃片上熔化 图 11–39 石蜡熔化区域的形状 沿着不同方向撕开云母片，所需用力的大小不同，说明云母晶体在不同方向上的力学性质也是不同的；沿任意方向敲打玻璃，玻璃都会“粉身碎骨”，说明玻璃在各个方向的力学性质都相同。 晶体在不同方向上的物理性质（力学、热学、电学、光学性质等）不同，这种现象称为各向异性（anisotropy）。非晶体在不同方向上的物理性质相同，这种现象称为各向同性（isotropy）。这是区别晶体与非晶体的一个重要特征。 组成多晶体的大量小晶体的排列是杂乱无章的，因此多晶体的物理性质在整体上表现为各向同性。 除了常见的晶体以外，自然界中的大多数固体都是晶体，甚至构成生命的物质基础——蛋白质、核酸，以及许多活着的病毒也是晶体。 晶体和非晶体之间有时可以相互转化。天然水晶是晶体，而熔化以后再凝结成的水晶——石英玻璃却是非晶体。非晶体在一定条件下也可以转化为稳定的晶体，这一转化叫做晶化过程。 拓 展 视 野 晶体的微观结构 为什么晶体和非晶体会有上述差异？归根结底，固体的宏观物理性质与组成固体的分子或原子的排列有关，这就涉及晶体的内部结构。 固体中分子或原子间距离约为 0.1 nm 量级，相互作用比较明显。组成晶体的微粒（分子、原子、离子或它们的团簇）依照一定的规律在空间整齐地排列，构成“空间点阵”。 如图 11 – 40 所示，食盐的晶体是由钠离子（图中红点）和氯离子（图中蓝点）组成的，它们等间距地交错排列在三组互相垂直的平行线上，每个钠离子的周围有六个氯离子，每个氯离子的周围有六个钠离子。组成晶体的微粒在固定的平衡位置附近不停地做微小振动，因此晶体具有规则的外形。图 11 – 40 食盐的空间点阵 0.56 nm 当晶体从外界吸收热量时，微粒的振动加剧，温度升高。当晶体的温度达到熔点时，微粒的剧烈振动会破坏其原有的规则排列，空间点阵瓦解，于是变成液体。在此过程中，晶体吸收的热量用来逐步破坏它的空间点阵，所以固液混合物的温度并不升高。晶体完全熔化后，随着继续从外界吸收热量，温度又开始升高。非晶体由于微粒的排列不规则，吸收热量后微粒的振动不断加剧，温度持续升高，非晶体由硬变软，最后变成液体。因此，晶体有固定的熔点，非晶体无固定的熔点。 大家谈 了解了晶体和非晶体的微观结构，你有什么办法可以区分多晶体和非晶体吗？ A 图 11 – 41 晶体各向异性的缘由 B C D 图 11 – 41 表示晶体物质微粒在一个平面上的排列情况。在图中所画出的三条等长线段 AB、AC、AD 上，物质微粒的数目、间距不同，因而导致晶体在不同方向上的物理性质的不同，这就造成了晶体的各向异性。 同种元素的原子可能组成不同的空间点阵，从而形成形状和性质都很不同的晶体，叫做同素异形体。例如，金刚石和石墨就是碳原子组成的同素异形体。如图 11 – 42 所示，石墨的空间点阵是层状结构，层与层之间距离较大，相互作用较弱，沿着这个方向很容易把石墨一层层剥下来，甚至制成单层石墨——石墨烯；金刚石中的碳原子形成四面体型结构，原子间距离较小，相互作用很强，所以金刚石的硬度很大。 (a) 石墨晶体 图 11 – 42 石墨和金刚石的空间点阵 (b) 金刚石晶体 0.335 nm 0.155 nm 图 11 – 43石墨烯的原子排列 图 11 – 44 柔性显示屏 STSE 2004 年，英国曼彻斯特大学的盖姆（A. Geim，1958— ）和诺沃肖洛夫（K. Novoselov，1974— ）用一种特殊胶带从石墨上撕下了单层的石墨片——石墨烯，他们因此共同获得 2010 年诺贝尔物理学奖。石墨烯的原子排列如图 11 – 43 所示。 石墨烯是目前已发现的最轻、最薄但强度最大、导电性能最好的物质，它的厚度仅相当于人类头发丝的十万分之一，强度却可以达到钢铁的 200 多倍。石墨烯可广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏等方面。石墨烯制成的晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作，并且可以达到极高的工作频率。图 11 – 44 所示的是以石墨烯为基础材料制成的柔性显示屏，它是未来移动设备显示屏的发展方向。另外，石墨烯在新能源电池行业也有着广泛的应用前景。 石墨烯的发现，开创了一个新的晶体类型——单分子层材料。单分子层材料可进一步组合形成新型复合材料，拓展了人类对于物质世界和微观世界的认识。 液晶 1888 年，奥地利科学家莱尼兹尔做实验时发现，将“安息香酸酯”晶体加热到 145.5℃时会熔化为浑浊的液体，继续加热到 178.5℃ 时又变得清澈透明了。后来，德国物理学家列曼把上述那种处于“中间地带”的浑浊液体叫做液晶。 液晶既像液体一样具有流动性和连续性，其分子又保持着固态晶体特有的规则排列方式，在光学上具有各向异性等晶体特有的物理性质。图 11–45 所示是固态、液晶态和液态分子排列的示意图，液晶态的分子排列方式介于固态和液态之间，所以也称为介晶态。 固态 图 11 – 45 固态、液晶态和液态分子的排列示意图 液晶态 液态 不加电压时，液晶是透明的；加电压时，液晶不透明，光线不能通过。利用液晶的这一特性可制成各种显示元件。 在液晶中掺入少量多色性染料，染料分子与液晶分子结合，对液晶施加电场，电场强度不同时，液晶对不同颜色光的吸收强度不同，就能显示出各种颜色。彩色液晶显示器广泛地应用于电视机、计算机、大屏幕等的显示。与其他显示技术相比，液晶显示具有低电压、低功耗两大突出的优点。 目前，液晶已经广泛应用于电子工业、航空航天工业、生物、医学等众多领域，液晶的基础理论研究已成为凝聚态物理学的一个重要分支。液晶一定还有更广泛的应用，有待于今后进一步去研究开发。 一、单选题 1．关于固体和液体，下列说法正确的是（　　） A．液体表面张力的方向与液面垂直并指向液体内部 B．分子间同时存在着引力和斥力，当引力和斥力相等时，分子势能最大 C．液晶具有液体的流动性，低温时会凝固成结晶态，分子取向是有序的 D．所有的晶体都表现为各向异性 2．下列关于晶体和非晶体的说法正确的是（　　） A．晶体一定表现出各向异性，非晶体一定表现出各向同性 B．液晶的光学性质具有各向同性 C．非晶体内部的原子排列具有规律性 D．非晶体无固定的熔点 3．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 4．固体金属镓在人手上即可熔化为液体，则（　　） A．镓熔化过程中温度不断升高 B．液体镓表面分子间作用力表现为引力 C．固体镓中原子排列不规则 D．液体镓中原子的运动速率都相同 5．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 6．下列四幅图对应的说法正确的有（　　） A．图甲中食盐晶体的物理性质沿各个方向都是一样的 B．图乙中附着层水分子间距较内部要小，附着层水分子间作用力表现为斥力所致 C．图丙中悬浮在液体中微粒的运动反映了固体分子的无规则热运动 D．图丁中液体表面层的分子间距离小于液体内部分子间距离，是液体表面张力形成的原因 7．在甲、乙、丙三种固体薄片上涂上蜡，用烧热的针接触其上一点，蜡熔化的范围如图甲、乙、丙所示，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．甲具有各向异性 B．乙有固定熔点 C．丙为单晶体 D．甲为非晶体 8．下列说法正确的是（　　） A．布朗运动是花粉分子的无规则运动 B．烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，熔化的蜂蜡呈椭圆形，说明蜂蜡是晶体 C．石墨和金刚石的物理性质不同，是由于石墨是非晶体，金刚石是晶体 D．如果要保存地下的水分，把地面的土壤锄松，破坏这些土壤里的毛细管 9．关于晶体、液晶、液体，下列说法正确的是（　　） A．晶体和液晶的性质是完全相同的 B．液晶就是液体，具有液体的所有性质 C．液晶是介于晶体与液体之间的一种物质状态 D．液晶具有液体的流动性，具有非晶体的各向同性 10．关于固体和液体，下列说法正确的是（　　） A．根据物理性质的各向同性或各向异性可以用来鉴别晶体和非晶体 B．因液晶是介于晶体与液体之间的中间态，所以液晶实际上是一种非晶体 C．单晶体在不同方向上物理性质不同，是因为不同方向上的物质微粒的性质不同 D．宇航员在太空中做水滴实验时，看到水滴的形状呈球形，这是由于液体表面张力的作用 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ / 学科网（北京）股份有限公司 $