第2章 第1节 固体和固体材料-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册教用Word(鲁科版)

第1节　固体和固体材料 1．知道晶体和非晶体、单晶体和多晶体的概念。　2.知道各向异性现象和各向同性现象。　3.掌握晶体和非晶体在外形上和物理性质上的区别。　4.学会用晶体的微观结构特点来解释晶体外形的规则性和物理性质的各向异性。理解液晶的微观结构。　 一、晶体和非晶体 1．晶体和非晶体：固体可分为__________和____________两大类。金刚石、云母、明矾、雪花等具有规则的几何形状，都是________；玻璃、松香等不具有规则的几何形状，是____________。 2．各向异性和各向同性：晶体在不同的方向上不仅导热性能不同，而且机械强度和导电性能等性质也不一样。也就是说，晶体的一些物理性质与方向有关，这种特性叫作________________。而非晶体的各种物理性质，在各个方向上都是相同的，叫作________________。 3．单晶体和多晶体：天然具有规则几何形状且各向异性的大块晶体被称为__________，如石英、明矾等；由许多晶粒构成的晶体被称为____________，如金属、岩石等。 二、晶体的微观结构 1．规则性：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、____________排列的结构，称为晶体的点阵结构。 2．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。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。 三、液晶 1．晶体具有点阵结构，液体中分子完全无序，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________________，却保留着部分晶体物质的______________的特性。我们将这种物质称为液态晶体，简称液晶。 2．应用：液晶显示、利用液晶指示温度等。 四、半导体材料和纳米材料 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。 利用半导体材料的各种特性可以制成不同的半导体器件，如热敏电阻、光敏电阻、光电池、可控硅、高压硅堆、半导体激光器等。 2．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～100 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________________。 判断下列说法是否正确。 (1)铁块没有规则的几何形状，是非晶体。(　　) (2)晶体具有确定的熔点。(　　) (3)玻璃没有确定的熔点，也没有天然规则的几何形状。(　　) (4)晶体内部的微粒是静止的，而非晶体内部的物质微粒是不停地运动着的。(　　) (5)液晶的各种物质性质均表现为各向异性。(　　) (6)液晶具有液体的流动性，液晶的分子排列与液态相同。(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)×　(6)× [答案自填] 晶体　非晶体　晶体　非晶体　各向异性　各向同性　单晶体　多晶体 周期性　易流动性　各向异性　纳米材料 知识点一　晶体和非晶体 1．图甲是日常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？ (2)没有规则几何外形的固体一定是非晶体吗？ 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，如图丙所示，那么你看到的现象及得出的结论是什么？ 　 [提示]　1.(1)单晶体有天然规则的几何外形，多晶体和非晶体无天然规则的几何外形。 (2)不是。由于多晶体是由许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体也没有天然规则的几何外形。 2．玻璃片上石蜡的熔化区呈圆形，说明玻璃沿各个方向的导热性能相同。云母片上石蜡的熔化区呈椭圆形，说明云母沿不同方向的导热性能不相同。 1．单晶体的特征 (1)具有天然的规则外形，这种规则的外形不是人工造成的。 (2)物理性质各向异性，这是单晶体区别于非晶体和多晶体最重要的特性，是判断单晶体最主要的依据。 (3)具有一定的熔点，单晶体在这一点上和多晶体没有区别。从宏观上区分晶体和非晶体的重要依据是看有无确定的熔点。 2．多晶体和非晶体 (1)多晶体虽无天然规则的几何形状，物理性质各向同性，但组成多晶体的晶粒都有天然规则的几何形状，每一个晶粒都具有单晶体的特征和物理性质，这是多晶体和非晶体在内部结构上的区别。 (2)多晶体与非晶体在宏观上的区别在于多晶体具有确定的熔点，非晶体则没有。 3．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。 4．判断晶体与非晶体、单晶体与多晶体 (1)区分晶体与非晶体的方法：看其有无确定的熔点。 (2)区分单晶体和多晶体的方法：看其是否具有各向异性。 角度1　晶体和非晶体的区别 　(2024·贵州贵阳阶段练)下列关于晶体和非晶体的描述错误的是(　　) A．将一块非晶体敲碎后，得到的小颗粒是晶体 B．单晶体有天然的、规则的几何形状，非晶体没有规则的外形 C．晶体具有确定的熔点，非晶体没有确定的熔化温度 D．在合适的条件下，某些晶体与非晶体之间可相互转化 [解析]　将一块非晶体敲碎后，物质结构没有发生变化，得到的小颗粒仍然是非晶体，故A错误，符合题意；单晶体有天然的、规则的几何形状，非晶体没有规则的外形，故B正确，不符合题意；晶体具有确定的熔点，非晶体没有确定的熔化温度，只是在一定温度范围内熔化，故C正确，不符合题意；在合适的条件下，某些晶体与非晶体之间可相互转化，如天然石英为晶体，熔化后再凝固将变为非晶体，故D正确，不符合题意。 [答案]　A 　固体甲和乙在一定压强下的熔化曲线如图，纵轴表示温度，横轴表示时间，下列说法正确的是(　　) A．固体甲一定是晶体，固体乙不一定是非晶体 B．甲一定有确定的几何外形，乙一定没有确定的几何外形 C．在热传导方面甲一定表现出各向异性，乙一定表现出各向同性 D．甲和乙的化学成分可能相同 [解析]　固体甲在ab段表示熔化的过程中，温度保持不变，因此一定是晶体，而固体乙在整个升温的过程中，没有固定的熔点，因此一定是非晶体，A错误；如果固体甲是多晶体，也没有确定的几何外形，B错误；如果甲是多晶体，则不表现为各向异性，C错误；同种化学成分，有时可以形成晶体，有时也可以形成非晶体，D正确。 [答案]　D 角度2　晶体性质的理解 　(多选)大自然之中存在许多绚丽夺目的晶体，这些晶体不仅美丽，还由于化学成分和结构各不相同而呈现出千姿百态，高贵如钻石，平凡如雪花，都是由无数原子严谨而有序地组成的。关于晶体与非晶体，正确的说法是(　　) 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．多晶体是由许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体没有确定的几何形状 C.晶体沿不同的方向的导热或导电性能不同，但沿不同方向的光学性质一定相同 D．单晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点 [解析]　固体可以分为晶体和非晶体两类，晶体、非晶体不是绝对的，是可以相互转化的，例如天然石英是晶体，熔融过的石英却是非晶体，把晶体硫加热熔化(温度超过300 ℃)再倒进冷水中，会变成柔软的非晶体硫，再过一段时间又会转化为晶体硫，A错误；多晶体是由许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体没有确定的几何形状，B正确；晶体分为单晶体和多晶体，某些单晶体沿不同的方向的导热或导电性能不相同，沿不同方向的光学性质也不相同，C错误；单晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点，D正确。 [答案]　BD 　(2024·江苏扬州期中)方解石双折射现象的图片如图所示，关于方解石的说法正确的是(　　) A．是多晶体 B．具有固定的熔点 C．导电等性能也是各向异性 D．没有规则的几何形状 [解析]　单晶体具有规则的几何形状、各向异性和具有一定的熔点等性质；光在晶体中的双折射现象就是光学各向异性的表现，所以题图中方解石的双折射现象说明方解石是单晶体，故A错误。方解石是单晶体，具有固定的熔点和规则的几何形状，故B正确，D错误；单晶体具有各向异性，但不是所有性能都表现出各向异性，虽然光在方解石中的双折射现象就是其光学各向异性的表现，但是不能确定其导电等性能也表现出各向异性，C错误。 [答案]　B 知识点二　晶体的微观结构 1．单晶体具有天然规则的几何外形，物理性质方面表现为各向异性，而非晶体却没有天然规则的几何外形，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？ 2．金刚石和石墨都是由碳原子构成的，但它们在硬度上却差别很大，这是因为什么？又说明了什么问题？ [提示]　1.它们的微观结构不同。 2．金刚石是网状结构，原子间的作用力强，所以金刚石的硬度大。石墨是层状结构，原子间的作用力弱，所以石墨的硬度小。这说明组成物质的微粒按照不同的规则在空间分布会形成不同的晶体。　 1．晶体的微观解释 (1)对单晶体各向异性的解释 一个平面上单晶体物质微粒的排列情况如图所示。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。由于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。 (2)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。 2．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，天然石英是晶体，而熔化以后再凝固的水晶(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。 　(2024·江苏泰州一模)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。如图所示为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]　由题图可知，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，具有固定的熔点，具有各向异性的特点。 [答案]　C 　白磷在高温、高压环境下可以转化为一种新型二维半导体材料——黑磷，如图为黑磷微观结构，其原子以一定的规则有序排列。下列说法正确的是(　　) A．黑磷是晶体材料 B．黑磷熔化过程中温度升高 C．黑磷中每个分子都是固定不动的 D．同质量的白磷和黑磷分子数目不同 [解析]　根据题图可知，黑磷的微观结构在空间上呈现规则排列，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，熔化过程中温度不变，故A正确，B错误；组成物质的分子总是在做无规则热运动，故C错误；组成白磷和黑磷的分子是同一种分子，所以同质量的白磷和黑磷分子数目相同，故D错误。 [答案]　A 知识点三　液　晶 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。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]　某些化合物像液体一样具有流动性，而其光学性质与某些晶体相似，具有各向异性，人们把处于这种状态的物质叫作液晶。　 1．液晶的特性：具有光学上的各向异性，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。 2．液晶的微观结构：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。 3．应用 (1)目前液晶最主要应用在显示器方面。这利用了液晶的多种光学效应。 (2)除用作显示器外，液晶在生命科学、电子工业、航空工业等领域都有重要的应用。 (3)改变液晶光学性质的两种方法：一是外加电压，使液晶由透明态变为不透明态；二是改变温度，使液晶颜色改变。 　(2024·江苏扬州期中)目前市面上的电脑基本上都是使用液晶显示屏，下列关于液体和液晶的说法不正确的是(　　) A．液体表面张力的方向总是跟液面相切，且与分界面垂直 B．液体表面张力的产生原因是液体表面层分子的分布比较密集 C．液晶显示器能够显示彩色是因为液晶的光学性质具有各向异性 D．液晶态既具有液体的流动性，又在一定程度上具有晶体分子规则排列的性质 [解析]　液体表面张力产生在液体表面层，它的方向总是跟液面相切，且与分界面垂直，故A正确，不符合题意；液体表面张力的产生原因是液体表面层分子间距离较大，分子力表现为引力，故B错误，符合题意；晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，液晶态既具有液体的流动性，又在一定程度上具有晶体分子规则排列的性质，所以液晶显示器能够显示彩色是因为液晶的光学性质具有各向异性，故C、D正确，不符合题意。 [答案]　B 1．(晶体和非晶体)(多选)如图为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，则(　　) A．石墨是晶体 B．石墨研磨成的细粉末就是石墨烯 C．单层石墨烯的厚度约3 μm D．碳原子在六边形顶点附近不停地振动 解析：选AD。石墨是晶体，故A正确；石墨烯是石墨中提取出来的新材料，故B错误；单层石墨烯厚度约为原子尺寸10－10 m，故C错误；根据分子动理论可知，固体分子(或者原子、离子)在平衡点不停地振动，则碳原子在六边形顶点附近不停地振动，故D正确。 2．(晶体和非晶体)(2024·山东淄博期中)玻璃的出现和使用在人类生活里已有四千多年的历史，玻璃是一种非晶体。下列关于玻璃的说法正确的有(　　) A．没有固定的熔点 B．天然具有规则的几何形状 C．沿不同方向的导热性能不相同 D．分子在空间上周期性排列 解析：选A。根据非晶体的特点可知非晶体是指组成物质的分子(或原子、离子)在空间上不呈规则周期性排列的固体；它没有天然的、规则的几何形状；它的物理性质在各个方向上是相同的，叫“各向同性”；它没有固定的熔点。 3．(晶体的微观结构)(2024·江苏南通期中)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，微观结构如图所示，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：选B。由题图可知，该颗粒属于单晶体，其有规则的外形，且有固定的熔点，表现为各向异性。 4．(液晶)护肤乳液在一定条件下能形成层状液晶，则(　　) A．所有物质都能形成层状液晶 B．层状液晶的光学性质具有各向异性 C．层状液晶是液体与晶体的混合物 D．层状液晶不会随温度升高发生变化 解析：选B。层状液晶介于固态和液态之间，并非所有物质都能形成层状液晶，故A错误；液晶像液体一样具有流动性，而其光学性质与某些晶体相似，具有各向异性，故B正确；固体向液体转化的中间态液体具有和晶体相似的性质，这种液态晶体称为液晶，层状液晶并不是液体与晶体的混合物，故C错误；液晶在某些物理性质上表现为各向异性，但随温度升高，它会变为液态，表现出各向同性，故D错误。 5．(液晶)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(　　) 解析：选B。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，选项A、D中分子排列非常有序，不符合液晶态分子的排列规律，故A、D错误；选项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，符合液晶态分子的排列规律，故B正确；选项C中，分子排列是完全无序的，不符合液晶态分子的排列规律，故C错误。 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