高中物理人教版选修3-3教案 《固体》

固体

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1．初步掌握晶体和非晶体在外形上和物理性质上的区别。

2．能区分单晶体和多晶体。

3．掌握晶体的微观结构。

4．培养观察能力，体会物质的微观结构对其宏观性质的影响。

诱思导学

1．固体的分类

自然界中的固态物质可以分为两种：晶体和非晶体。

（1）晶体：像石英、云母、明矾等具有确定的几何形状的固体叫晶体。常见的晶体还有：食盐、硫酸铜、蔗糖、味精、石膏晶体、方解石等。

晶体又分为单晶体和多晶体：

单晶体：整个物体就是一个晶体的叫做单晶体，如雪花、食盐小颗粒、单晶硅等。多晶体：如果整个物体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体组成的，这样的物体就叫做多晶体，如大块的食盐、粘在一起的蔗糖、各种金属材料等。

（2）非晶体：像玻璃、蜂蜡、松香等没有确定的几何形状的固体叫非晶体。常见的非晶体还有：沥青、橡胶等。

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晶体的形状和物理性质与非晶体不同是因为在各种晶体中，原子（或分子、离子）都是按照各自的规则排列的，具有空间上的周期性。

典例探究

例1 如何区分多晶体和非晶体？

解析：由于多晶体和非晶体都没有规则的几何形状，而且都表现为各向同性，所以判断多晶体与非晶体通常用有没有一定的熔点来区分。

答案：有确定熔点的是多晶体，无确定熔点的是非晶体。

友情提示：由于多晶体是有许多单晶体杂乱无章的构成的，所以多晶体在几何形状和物理性质与方向的关系上与非晶体相似，但多晶体仍然具有确定的熔点。

例2 同一种化学成分的物质，为什么有时会表现出不同的物理性质？

解析：同一种物质中的微粒按不同的方式排列时，就会生成不同的晶体，从而表现出不同的物理性质。如碳，按一种方式排列可以生成金刚石，而按另一种方式排列时会生成石墨，金刚石与石墨的物理性质有很大的不同；同一种物质也可能

以晶体和非晶体两种不同的形态出现，从而表现出不同的物理性质。总之微观结

构不同，宏观性质就有差异。

答案：虽然化学成分相同，但其分子却可以构成不同的微观结构，所以有不同的

物理性质。

友情提示：微观结构决定宏观性质，虽然化学成分相同，但它们可以构成不同的

微观结构。

例 3 关于晶体和非晶体，下列说法中正确的是 （ ）

A ．单晶体具有各向异性

B ．多晶体也具有各向异性

C ．非晶体的各种物理性质，在各个方向上都是相同的

D ．晶体的各种物理性质，在各个方向上都是不同的

解析：具体到某种晶体，它可能只是某种物理性质各向异性较明显。如云母片就

是导热性明显，方解石则是透光性明显。但笼统提晶体就说各种物理性质是各向

异性。

答案：ACD

友情提示：并不是任何一种晶体在各种物理性质上都表现出各向异性，而是一种

晶体往往只有某种物理性质具有明显的各向异性。

课后问题与练习点击

1．提示：（1）仅仅x1、y1两点温度的高低没有差异，并不能说明该薄片对温度

表现为各向同性。

（2）即使该薄片对温度表现为各向同性，也不能说明它是非晶体，它有可能是多

晶体。

2．解析：还应知道食盐的摩尔质量M 和阿伏加德罗常数NA ，立方体的个数与离子

数目相同即为2倍的分子个数，所以一个立方体的体积V ： V=2A M

N ρ

设立方体的边长为L ，则：V=L3= 2A M

N ρ

相邻两个钠离子中心距离D 为：

3．解析：（1）M 点所受到的合力为

12M F F ?=?? N 点所受到的合力为

12N F F ??=- ? ???

（2）由计算可知点M 所受到的引力为点N 所受到的引力的3.1倍，所以

在分离时岩盐不会沿正方形的对角线分开，而是沿边长的方向分开，所以敲碎的

岩盐总是呈立方体。

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1．固体物理的发展

早在1611年，开普勒就开始思考雪花为什么呈六角形；1843年法拉第曾惊奇地发现硫化银的电阻随着温度的升高而下降；1929年迈斯纳又观测到硫化铜在非常低的温度下(2K)突然变成比纯铜还好得多的导体；从公元前3000年一直到本世纪初的整个历史阶段，人们一直被指南针为什么能指方向这个问题所困惑。固体物理学经过本世纪以来几十年的迅速发展，我们现在已从根本上完全理解了这些问题，而且可以依据物质的原子结构和电子结构来解释材料的各种特性；可以按照预先的构想和设计制备具有新奇性能的微结构固体，制备具有优异性能的人工材料和器件；还可以利用扫描隧道显微镜直接观察固体中原子的形貌及其运动；以及在极端条件下，如毫开量级的低温，超高真空，超高压，强磁场，强光作用等极端条件下研究固体的原子结构、电子结构及其与宏观性质的关系。人们可以从固体的基本原理出发，建立物理模型，借助于大型计算机计算固体的电子结构，获得与实验大致符合的结果。

现在，固体物理学的领域已扩大成为包括量子液体及其它液体的凝聚态物理学。自从第二次世界大战以来，固体物理学发展非常之快，已经成为当今物理学的重要分支学科之一。

２．神通广大的纳米材料

（１）脾气暴躁、易燃易爆的纳米金属颗粒

纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分。现在可以用物理、化学及生物学的方法制备出只包含几百个或几千个原子、分子的“颗粒”。这些“颗粒”的尺寸只有几个纳米。如果按照一般的经验，原子与原子之间的距离为0．2纳米左右。可以估计出在尺寸为1纳米的立方体“颗粒”中，“立方颗粒”的每一边上只能排列5个原子，总体可容纳125个原子，但是其中98个原子在表面上。众所周知，表面上的原子只受到来自内部一侧的原子的作用。因此，它们很容易与外界的气体、流体甚至固体的原子发生反应，也就是说十分活泼。实验上发现如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。有人认为用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力，可以用作新型火箭的固体燃料，也可用作烈性炸药。另外，用纳米金属颗粒粉体作催化剂，可加快化学反应过程，大大地提高化工合成的产率。

（２）材料世界中的大力士──纳米金属块体

如果把金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。人们幻想在下一个世纪，总有一天会制造出具有如此神奇性质的纳米钢材和纳米铝材。用这种材料制造汽车、飞机或轮船，会使它们的重量减少到1／10。可以想象，一辆摩托车的重量会变成只有20－30公斤，一个女中学生会轻易地将它扛上楼去。

（３）刚柔并济的纳米陶瓷

人们日常生活中最常用的陶瓷材料具有硬而脆的特点。硬是说它可以做刀具切削金属，脆是说它耐不住冲击，甚至一摔就碎。陶瓷的另一长处是耐高温，在1000℃的高温下也不变形。现在，用纳米陶瓷粉制成的陶瓷已经表现出一定的塑性，这个问题若被彻底解决，会在汽车发动机上大显身手，彻底甩掉发动机的冷却水套，使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷粉体作为涂料的添加剂已得到广泛的应用，这些特种涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防尘和耐磨的性能。

（４）善变颜色的纳米氧化物材料

氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色。平常人们戴的变色眼镜含有一种光敏卤化物材料，但是变色的速度慢。用纳米氧化物材料做成的变色镜就不一样了。用它做成士兵防护激光枪的眼镜是再好不过了。还有将纳米氧化物材料做成广告板，在电、光的作用下，会变得更加绚丽多彩。（５）法力无边的半导体纳米材料

半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光，可以做成超小型的激光光源。它还可以吸收太阳光中的光能，把它们直接变成电能。这种技术一旦实现，太阳能汽车、太阳能住宅就会使人们居住的环境更加美丽，空气更加清新。利用特种半导体纳米材料使海水淡化在中东已得到应用；半导体纳米材料做成的各种传感器，可灵敏的检测出温度、湿度和大气成分的变化，在汽车尾气和大气环境保护上已得到应用。

（６）纳米药物和纳米保健食品

把不容易被人体吸收的药物或食品，如维生素等做成纳米粉或纳米粉的悬浮液就极易被吸收。如果把纳米药物做成膏药贴在患处，药物可以通过皮肤直接被吸收，而无须注射，省去了注射的感染。

目前，纳米材料在食品、化妆品、医药、印刷、造纸、电子、通讯、建筑及军事等方面都得到越来越多的应用。