第二章 4.固体 -【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册教用Word（人教版）

本讲义聚焦高中物理“固体”核心知识点，系统梳理晶体与非晶体的分类及特点，包括单晶体、多晶体的几何外形、熔点、物理性质差异，进而深入晶体微观结构，构建从宏观现象到微观解释的完整认知支架。 资料通过对比表格明晰晶体与非晶体区别，情景思辨结合生活实例（如水晶球判断）培养科学探究能力，典例分析（如嫦娥五号石英传感器）强化物理观念与科学思维，题组训练覆盖不同层次，课中辅助教师高效授课，课后助力学生巩固知识、查漏补缺。

4.固体 课标要求 素养目标 1.了解固体的微观结构。 2.知道晶体和非晶体的特点。 3.能列举生活中的晶体和非晶体 1.知道什么是晶体和非晶体，单晶体和多晶体。掌握晶体和非晶体在外形上和物理性质上的区别。（物理观念） 2.学会用晶体的微观结构特点来解释单晶体外形的规则性和物理性质的各向导性。（科学思维） 知识点一　晶体和非晶体 1.固体的分类 我们常见的固体，有些是晶体，有些是非晶体。晶体又可以分为　单　晶体和　多　晶体。石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、蔗糖、味精、雪花等是　晶体　，而玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是　非晶体　。 2.特点 （1）单晶体有天然的、　规则　的几何形状，多晶体和非晶体没有　规则　的外形。 （2）晶体有确定的　熔点　，非晶体没有确定的　熔化温度　。 （3）单晶体的导电、导热等物理性质表现为　各向异性　，非晶体与多晶体沿各个方向的物理性质都是一样的，表现为　各向同性　。 知识点二　晶体的微观结构 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　和　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　。 【情景思辨】 1.如图所示是常见的灯饰水晶球。通过其外形，你能判断出其是晶体，还是非晶体？有什么方法可以进一步验证你的判断？ 提示：简单观察灯饰水晶球发现其外观规则，故可初步 判断为晶体。进一步验证方法：加热水晶球使其熔化并记录温度，看是否有确定的熔点，有确定的熔点则为晶体。 2.判断正误。 （1）没有固定熔点的固体一定是非晶体。（　√　） （2）物理性质表现为各向同性的一定是非晶体。（　×　） （3）同一种物质只能形成一种晶体。（　×　） （4）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）一种物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现。（　√　） 要点一　晶体与非晶体 【探究】 图甲是生活中常见的几种晶体，图乙是生活中常见的几种非晶体，请在图片基础上思考以下问题： （1）晶体与非晶体在外观上有什么不同？ 提示：单晶体有规则的几何外形，多晶体和非晶体无规则的几何外形。 （2）没有规则几何外形的固体一定是非晶体吗？ 提示：不一定，由于多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体也没有规则的几何外形。 【归纳】 1.单晶体、多晶体及非晶体的区别与联系 （1）区别 非晶体 单晶体 多晶体 几何外形 不规则 规则 不规则 熔点 无熔点 有确定熔点 物理性质 各向同性 各向异性 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.对单晶体的各向异性的理解 （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性能上表现出各向异性——沿不同方向的折射率不同。 【典例1】　我国的“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，石英晶体沿垂直于x轴晶面上的压电效应最显著，故石英是单晶体，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，故具有各向异性的压电效应，B错误。 1.随着科技的发展，国家对晶体材料的研究也越来越深入，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.同种物质不可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现 C.单晶体具有固定的熔点，多晶体没有固定的熔点 D.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 解析：D　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；同种物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现，如石墨与金刚石，故B错误；单晶体和多晶体都具有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点，故C错误；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，故D正确。 2.世界上的物质千千万，但都有一个共性，就是有软硬之分。为了确定不同物质的软硬程度，物理学家们用硬度来表示。只有固体才有硬度，气体和液体是没有硬度的。地球上天然存在的最硬的物质是钻石（金刚石），（如图所示），它是碳的同素异形体，拥有非常稳定的晶体构造，所以非常坚硬。以下哪种现象不能判断某材料为晶体（　　） A.这种材料沿不同方向的热胀冷缩的性质不同 B.这种材料沿不同方向的热传导快慢不同 C.这种材料沿不同方向的导电性能不同 D.这种材料沿不同方向的长度不同 解析：D　单晶体在导热、导电、热膨胀与光学性质上表现出各向异性，即沿不同方向上的性能不相同，因此A、B、C可判断该材料为晶体，不能根据这种材料沿不同方向的长度不同，来判断该材料为晶体，故D不能，因此选D。 要点二　晶体的微观结构 【探究】 如图所示，石墨和金刚石都是由碳原子组成的，为什么它们的硬度不同？ 提示：因为原子排列方式不同。 【归纳】 1.晶体的微观结构特点 （1）晶体内部的微粒是按各自的规则排列着的，具有空间上的周期性。如图所示的是食盐晶体中氯离子和钠离子分布的示意图。 （2）同种元素的微粒能够按照不同规则在空间分布形成不同的物质。例如，碳原子如果按图甲那样排列，就成为石墨，而按图乙那样排列，就成为金刚石。 （3）说明 ①原子（或者分子、离子）并不是像结构图上所画的那些点一样静止不动，它们时刻都在不停地振动，结构图中所画的那些点，是它们振动的平衡位置。 ②同种物质也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，天然水晶是晶体，而熔化以后再凝固的水晶（即石英玻璃）就是非晶体。有些非晶体在一定条件下也可以转化为晶体。 2.用微观结构理论解释晶体的特性 （1）对同种元素的微粒形成不同物质的解释 物质的微观结构决定其宏观物理性质，改变物质的微观结构可以改变物质的属性，同种元素的微粒能够按照不同规则在空间分布形成不同的物质。如碳原子可以组成性质差别很大的石墨和金刚石。 （2）对单晶体有天然的、规则的几何形状的解释 晶体外形的规则性可以用微粒的规则排列来解释。如食盐晶体是由钠离子Na＋和氯离子Cl－组成的，它们等距离、交错地排列在三组相互垂直的平行线上，因而食盐晶体具有正方体的外形。 （3）对单晶体各向异性的解释 如图所示的是在一个平面上单晶体物质微粒的排列情况。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。因为在不同方向上物质微粒的排列情况不同，才引起单晶体在不同方向上物理性质的不同。 （4）对晶体具有确定熔点的解释 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。 【典例2】　（多选）晶体不同于非晶体，它具有规则的几何外形，在不同方向上物理性质不同，而且具有确定的熔点。下列说法中可以用来解释晶体的上述特性的是（　　） A.组成晶体的物质微粒，在空间按一定的规律排成整齐的行列，构成特定的空间点阵 B.晶体在不同方向上物理性质不同，是因为不同方向上微粒数目不同，微粒间距不同 C.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.晶体在熔化时吸收的热量，全部用来瓦解晶体的空间点阵 答案：ABD 解析：很多晶体都是由相同的物质微粒组成的，例如，金刚石和石墨都是由碳原子组成的，不同方向上物质微粒完全一样，可见其各向异性不是由不同方向上的微粒性质不同引起的，而是微粒的数目和微粒间距不相同造成的，故C错误，A、B、D正确。 特别提醒 （1）单晶体的物理性质取决于其微观结构，单晶体的物质微粒按照一定的规则在空间中整齐地排列着，有规则的几何外形，在物理性质上表现为各向异性。 （2）多晶体是由许许多多晶粒组成的，晶粒在多晶体里杂乱无章地排列着，无规则的几何外形，多晶体在物理性质上表现为各向同性。 1.（2024·江苏宿迁高二期末）如图所示的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 解析：B　碳原子之间的化学键属于电磁相互作用，故A错误；碳纳米管是管状的纳米级石墨，所以它是晶体，有固定的熔点，故B正确；碳纳米管不是所有物理性质都有各向异性，故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，故D错误。 2.（多选）下列叙述正确的是（　　） A.单晶体的各向异性是由于它的微粒按空间点阵排列 B.单晶体具有规则的几何外形是由于它的微粒按一定规则排列 C.非晶体有规则的几何形状和确定的熔点 D.石墨的硬度比金刚石的差很多，是由于它的微粒没有按空间点阵分布 解析：AB　单晶体的各向异性和规则的几何形状，是由于它的微粒按一定规则排列，A、B正确；非晶体没有规则的几何形状和确定的熔点，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的质地柔软，而金刚石的网状结构决定了其碳原子间的作用力很强，所以金刚石有很大的硬度，D错误。 1.关于晶体和非晶体，下列说法错误的是（　　） A.有些晶体在不同的方向上有不同的光学性质 B.将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒是非晶体 C.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 D.在合适的条件下，某些晶体可以转化为非晶体，某些非晶体也可以转化为晶体 解析：B　固体可以分为晶体和非晶体两类，单晶体有各向异性，有些晶体在不同的方向上具有不同的光学性质，A正确，不符合题意；将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒还是晶体，B错误，符合题意；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，例如石墨和金刚石，C正确，不符合题意；在合适的条件下，某些晶体可以转变为非晶体，某些非晶体也可以转变为晶体，D正确，不符合题意。 2.（2024·江苏南通高二期中）2023年10月3日，我国发现的“铌包头矿”获得国际矿物协会新矿物命名。铌包头矿是一种富含Ba、Nb、Ti、Fe、Cl的硅酸盐矿物，微观结构如图，则“铌包头矿”颗粒（　　） A.是非晶体 B.有固定的熔点 C.没有规则的外形 D.各向性质均相同 解析：B　由图可知，该颗粒属于晶体，有规则的外形，有固定的熔点，表现为各向异性。故选B。 3.复旦大学物理系张远波教授课题组发现了一种新型二维半导体材料——黑磷，并成功制备了半导体测试材料。已知黑磷是有黑色金属光泽的半导体，是白磷在很高压强和较高温度下转化形成的。如图为黑磷的微观结构，下列说法正确的是（　　） A.黑磷是晶体材料 B.黑磷和白磷是同位素 C.黑磷没有固定的熔点 D.黑磷的微观各层结构都不同，每层内部结构松散 解析：A　根据图示可知，黑磷的微观结构呈现空间上规则排列，具有空间上的周期性，属于晶体材料，因而黑磷具有固定的熔点，故A正确，C错误；质子数相同，而中子数不同的元素互称同位素，白磷和黑磷属于同素异形体，不属于同位素，故B错误；根据图示可知，黑磷的微观各层结构都相同，每层内部结构紧密，故D错误。 4.某实验小组想测试两种材料的导电性能，他们将这两种材料加工成厚度均匀、横截面为正方形的几何体，分别如图甲、乙所示，经测试发现，材料甲沿ab、cd两个方向的电阻相等，材料乙沿ef方向的电阻大于沿gh方向的电阻，关于这两种材料，下列说法中正确的是（　　） A.材料甲一定是晶体 B.材料甲一定是非晶体 C.材料乙一定是单晶体 D.材料乙一定是多晶体 解析：C　测试发现，材料甲沿ab、cd两个方向的电阻相等，材料乙沿ef方向的电阻大于沿gh方向的电阻，说明了甲具有各向同性，而乙具有各向异性，而单晶体的物理性质是各向异性，所以乙一定是单晶体，而多晶体不显示各向异性，材料甲可能是多晶体，也可能是非晶体，故只有选项C正确。 题组一　晶体与非晶体 1.如图所示的四块固体中属于非晶体的是（　　） 解析：D　明矾、石英、冰块为晶体，塑料为非晶体。 2.固体可以分为晶体和非晶体两类。下列说法正确的是（　　） A.同种物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现 B.窗户上的玻璃有规则的几何外形，因此玻璃是晶体 C.金属没有确定的几何形状，也不显示各向异性，因此金属是非晶体 D.晶体熔化时要不断吸收热量，分子的平均动能增大 解析：A　物质在一定条件下可以在晶体和非晶体之间相互转化，所以同种物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现，故A正确；窗户上的玻璃虽然有规则的几何外形，但玻璃没有确定的熔点，是非晶体，故B错误；金属虽然没有确定的几何形状，也不显示各向异性，但其具有确定的熔点，是晶体，故C错误；晶体熔化时要不断吸收热量，但温度保持不变，所以分子的平均动能不变，故D错误。 3.如图所示，ACBD是一块厚度均匀的由同一种微粒构成的圆板，AB和CD是互相垂直的两条直径，把圆板从图示位置转90°后电流表示数发生了变化（两种情况下都接触良好），关于圆板，下列说法正确的是（　　） A.圆板是非晶体 B.圆板是多晶体 C.圆板是单晶体 D.不知有无固定熔点，无法判定是晶体还是非晶体 解析：C　电流表示数发生变化，说明圆板沿AB和CD两个方向的导电性能不同，即物理性质表现为各向异性，所以圆板是单晶体。故C正确。 题组二　晶体的微观结构 4.（2024·江苏泰州高二期中）2023年5月，中国科学技术大学团队利用纳米纤维与合成云母纳米片研制出一种能适应极端环境的纤维素基纳米纸材料。如图所示的是某合成云母的微观结构示意图，则该合成云母（　　） A.是非晶体 B.没有规则的外形 C.有固定的熔点 D.各向性质均相同 解析：C　由图可知，该合成云母中所含分子在三维空间中呈规则、周期性排列，是晶体，具有一定的几何外形，有固定的熔点、有各向异性的特点。故选C。 5.（多选）岩盐的颗粒很大，我们能清楚地看出它的立方体形状。将大颗粒的岩盐敲碎后，小的岩盐仍然呈立方体形状。如图所示是岩盐的平面结构，实心点为氯离子，空心点为钠离子，如果将它们用直线连起来，将构成一系列大小相同的正方形。则（　　） A.岩盐是晶体 B.岩盐是非晶体 C.固体岩盐中氯离子是静止的 D.固体岩盐中钠离子是运动的 解析：AD　岩盐离子按一定规律排列，则岩盐是晶体，故A正确，B错误；固体岩盐中氯离子和钠离子都在不停地振动，故C错误，D正确。 6.如图所示，曲线M、N分别表示晶体和非晶体在一定压强下的熔化过程，图中横轴表示时间t，纵轴表示温度T，从图中可以确定的是（　　） A.晶体和非晶体均存在固定的熔点T0 B.曲线M的bc段表示固液共存状态 C.曲线M的ab段、曲线N的ef段均表示固态 D.曲线M的cd段、曲线N的fg段均表示液态 解析：B　晶体具有固定的熔点，非晶体则没有固定的熔点，故A错误；晶体在固定的温度下熔化为液体，而非晶体随着温度的升高逐渐变成液体，则bc段表示晶体的固液共存状态，故B正确；曲线M的ab段表示固态，曲线M的cd段表示液态。由于非晶体没有固定熔点，逐步熔化，曲线N是非晶体在一定压强下的熔化过程，它先是变软，然后逐步由稠变稀，最终完全变成液态，故C、D错误。 7.（2024·江苏南通高二期末）小华为了检验一块薄片是否为晶体，他以薄片中央O点为圆心，画出一个圆，A、B为圆上两点，如图所示将一个针状热源放在O点（　　） A.若A、B两点的温度变化不同，则薄片一定为晶体 B.若A、B两点的温度变化不同，则薄片一定为非晶体 C.若A、B两点的温度变化相同，则薄片一定为晶体 D.若A、B两点的温度变化相同，则薄片一定为非晶体 解析：A　若A、B两点的温度变化不同，说明薄片具有各向异性，则薄片一定为晶体，故A正确，B错误；若A、B两点的温度变化相同，说明薄片具有各向同性。而根据晶体与非晶体的特性规律，单晶体具有各向异性，非晶体与多晶体具有各向同性，因此，薄片既有可能为非晶体，也有可能为多晶体。故C、D错误。 8.（2024·江苏宿迁高二期中）石墨烯是从石墨中分离出的新材料，其中碳原子紧密结合成单层六边形晶格结构，如图所示，则正确的是（　　） A.石墨是非晶体 B.单层石墨烯的厚度约2 μm C.石墨研磨成的细粉末就是石墨烯 D.碳原子在六边形顶点附近不停地振动 解析：D　石墨是晶体，A错误；单层石墨烯的厚度约为原子尺寸10－10 m，B错误；石墨烯是石墨中提取出来的新材料，C错误；根据分子动理论，固体分子在平衡位置附近不停地振动，D正确。 9.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.石墨烯碳原子间只存在分子引力 D.石墨烯的熔化过程中，碳原子的平均动能不变 解析：D　石墨中的碳原子是运动的，A错误；由题意可知单层的厚度为d＝ m≈3×10－10 m，且层与层之间有间距，B错误；石墨烯碳原子间不仅存在分子引力，同时也存在分子斥力，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。 10.关于下列四幅图中所涉及晶体微观结构及其解释的论述中，不正确的是（　　） A.甲图中，晶体中沿不同的方向上微粒排列的情况不同，故晶体在不同的方向上会表现出不同的物理性质 B.乙图为石墨中碳原子形成的层状结构，与金刚石的结构不同，但物理性质相同 C.丙图为食盐晶体的点阵结构，晶体的许多特征都与点阵结构有关 D.丁图为金刚石中碳原子形成的一种紧密结构，相互之间作用力很强，所以金刚石十分坚硬，可制造玻璃刀和钻头 解析：B　晶体中沿不同的方向上微粒排列的情况不同，故晶体在不同的方向上会表现出不同的物理性质，A正确；金刚石和石墨都是由碳原子直接构成的，因为碳原子的排列方式不同，故其物理性质差异很大，石墨质地松软，可以用来制作铅笔芯，金刚石很硬，可以用于制造玻璃刀和钻头，B错误，D正确；晶体的许多特性都与点阵结构有关，C正确。 11.利用扫描隧道显微镜（STM）可以得到物质表面原子排列的图像，从而可以研究物质的构成规律。如图所示的照片是一些晶体材料表面的STM图像，通过观察、比较，可以看到这些材料都是由原子在空间排列而构成的，具有一定的结构特征。则构成这些材料的原子在物质表面排列的共同特点是 （1）　　　　； （2）　　　　。 答案：见解析 解析：（1）在确定方向上原子有规律排列，在不同方向上原子的排列规律一般不同； （2）原子排列具有一定的对称性，在空间延伸上呈现出一定的周期性等。 12.（2024·山东临沂一中高二月考）图甲是某小组“探究海波熔化时温度变化规律”的实验装置，每隔1 min记录一次温度值。实验数据记录如表： 时间/min 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 海波的温度/℃ 40 　 44 46 48 48 48 48 48 48 50 53 （1）实验中需要的测量工具是温度计和停表； （2）在1 min时，温度计的示数如图乙所示，此时的温度为42℃； （3）由记录的实验数据可知海波是晶体（选填“晶体”或“非晶体”）； （4）由实验可知，海波熔化需要的条件是：①温度达到熔点；②继续吸收热量； （5）另一小组在利用相同的器材进行这一实验时，观察到海波熔化过程中温度计示数缓慢上升。产生这一现象的原因可能是C（填字母）。 A.烧杯中的水少 B.对试管内的海波不断搅拌 C.温度计的玻璃泡碰到了试管壁 D.海波熔化过程中吸热，温度升高 解析：（1）由表中数据可知，实验需要测量温度和时间，实验中需要的测量工具是温度计和停表。 （2）如题图乙，温度计的分度值为1 ℃，读数为42 ℃。 （3）由记录的实验数据可知，海波在固定的温度开始熔化，熔化时温度不变，因此海波是晶体。 （4）通过实验可知，海波熔化需要达到48 ℃，熔化过程中，需要继续加热，由此可知海波熔化需要的条件是：①温度达到熔点；②继续吸收热量。 （5）海波是晶体，熔化过程中温度是不变的，烧杯中的水少，不会影响温度计的示数，故A错误；对试管内的海波不断搅拌，试管中海波受热更加均匀，熔化过程中，温度计示数是不会上升的，故B错误；温度计的玻璃泡碰到了试管壁，因为烧杯中水的温度高于海波的温度，温度计示数缓慢上升，故C正确；海波是晶体，熔化过程中吸热，但温度保持不变，故D错误。 12 / 12 学科网（北京）股份有限公司 $