大学物理《固体物理学》教案

《固体物理学》教案
陈晓明 物理学与信息技术学院 （二零一二年十一月）


《固体物理学》教案 【基本信息】
任课系部：物理学与信息技术学院
课程名称
固体物理学
课程编号
0641121
教学对象
课程类型
授课方式 总学时数 学时分配 教材名称
物理学专业 年级/学期 三年级/第二学期 授课方式 单班(√);合班()
必修课
公共基础课(); 专业课(√)
选修课
限选课(); 任选课()
课堂讲授(√)；讨论课(√)
考核方式
考试(√)；考查()
54
学分数
3
课堂讲授 49 学时；讨论课 5 学时
《固体物理学》 作者
黄昆 韩汝琦
出版社 /出版时间
高等教育出版社 /2006
《固体物理简明 教程》
蒋平 徐至中
复旦大学出版社 /2010
《固体物理基础》
阎守胜
北京大学出版社 /2002
指定参考书 《固体物理基础》 作者
韦丹
出版社 /出版时间
清华大学出版社 /2010
《固体物理教程》
王矜丰
《Introduction to Solid State Physics》
CHARLES KITTEKL
授课教师
陈晓明
职称 副教授
单位
山东大学出版社 /2008
John Wiley /Eighth Edition
物理学与信息技术 学院


《固体物理学》教案 【教学单元首页】
授课题目（章、节）
第一章 晶体结构 第 3 节 典型的晶体结构
主
要
本节主要阐述简单立方结构、面心立方结构、体心立方结构等晶体结构，讲解各晶体
内 结构中原子的排列方式；掌握计算各晶体结构中的原子的配位数及致密度的方法。

容
通过本节的学习使学生在知识、能力与情感态度方面达到如下的目标：
知识目标： A. 掌握晶体结构的基本类型，主要包括以下几种：简单立方结构、面心立方结构、
体心立方结构； B. 掌握各晶体结构中原子的排列方式； C. 会计算各晶体结构中的配位数及致密度。

为后续内容的学习做好理论知识的准备。

能力目标：
教
A. 培养学生分析推理的能力：通过对晶体结构知识的学习，引导学生从晶体结构的
学 角度去思考材料物理性能的各种差异。

目
B. 培养学生科学的研究方法，以及严谨认真的学习态度：通过对晶体结构知识的学
标 习，引导学生在调控晶体材料的物理性能时，首先要能从晶体结构及原子排列这一角度思
考设计。

C. 拓宽学生知识的广度与深度。

情感态度目标： A. 激发学生的学习兴趣； B. 培养学生理论联系实际的精神； C. 培养学生的探索精神； D. 通过对晶体结构知识的学习，要认识到“结构决定性能，性能体现结构”；培养学生 “看问题要抓根本”、“解决问题要从最根本的部分入手”等情感价值观念。

已有知识基础： 学生已掌握固体物理中最基本的物理概念，包括基元、格点、点阵、原胞、基矢、晶 胞、轴矢、格失、晶胞参数、简单晶格、复式晶格等；已掌握晶体的特性。

认知特点：
学生的认知过程通常是从感性认识开始发展到理性认识，而本节课的研究对象主要是 学
典型的晶体结构及原子的排列方式，难以直接观测，教学内容本身比较抽象。

因此在教学 生
中尽可能运用各种直观手段来丰富学生的感性认识，从而使学生更好地掌握本节课的基础 特
知识。

点
分
学习风格：
析
学生总体表现出学习兴趣浓厚、积极性高，自主学习的能力较强，主要体现在以下几
个方面：
A. 学生能够做到课前预习、认真上课、课后复习；
B. 学生能主动参与到教学活动中去，而不是过多地依赖教师的帮助；
C. 学生能在记忆的基础上理解，在完成作业中深化，在比较中构筑知识结构的框架；
D. 学生能够更多地、自主地阅读课外材料。

重点： A. 晶体结构的基本类型； B. 各晶体结构中原子的排列方式； C. 各晶体结构中原子配位数及致密度。

重 点
难点：
、
面心立方晶体结构中原子的排列方式。

难
点
及
处理措施：
处 理
本节课的重点是晶体结构的基本类型、各晶体结构中原子的排列方式、各晶体结构中
措 原子配位数及致密度的计算。

为了确保重点，在课程教学中把绝大多数的时间都用到了这
施
三部分内容的教学上；本节课的难点是面心立方晶体结构中原子的排列方式。

为了解决难点，首先进行结构分析，使学生了解不同的晶体结构中原子的排列方式不
同及其各晶体结构中原子排列的基本情况。

应用多媒体动画演示，帮助学生建立形象、直
观的概念，更好地掌握面心立方晶体结构中原子的排列方式。

开展课堂讨论，促使学生更
好地理解面心立方晶体结构中原子的排列方式。

本节内容讲授学时为 1 学时，主要采用板书、多媒体(图片展示和动画演示)相结合的 教学手段。

A. 为了引导学生，增加交互性，激发学生的兴趣和热情，针对不同类型的晶体结构 这一重点内容，通过教师讲解，结合课件中的图片动画，使学生轻松地认识到面心立方结 构、体心立方结构、简单立方结构的特点；
B. 要正确地掌握各晶体结构中原子的排列方式，首先要有正确的研究方法。

教师首
先给出最简单的原子排列方式，然后逐步给出复杂的原子排列方式。

为了增加课堂的互动
性，这一部分内容采用黑板板书和多媒体相结合的方式，教师在板书时可以同时启发学生
思考，既可以活跃课堂气氛，又可以增加学生对知识的记忆和理解。

针对面心立方结构的
教 原子排列方式，考虑到面心立方结构和体心立方结构之间存在的联系和差别，所以进行对
学 比分析，引导学生自主挖掘出这两种晶体结构原子排列方式的区别与联系。

媒
体
的
C. 在引导学生分析完原子排列方式后，为了增强学生的直观感受，采用多媒体动画
选 择
演示各结构的原子排列方式，帮助学生认识并巩固原子排列方式这一知识点。

和
使 用
D. 在推导晶体结构中原子的配位数及致密度时，主要采用板书进行逐步分析推理，
方 也辅助使用了幻灯片图示。

板书推导可以留给学生思考的空间，并且有利于与学生的情感
法 交流。

《固体物理学》教案 【讲稿】
典型的晶体结构
一、课堂引入： (展示学生科研实验结果并设疑引入课题) 前面我们学习了晶体结构相关的基本概念，主 要包括基元、格点、点阵、原胞、基矢、晶胞、轴矢、格失、晶胞参数、简单晶格、复式晶 格等，掌握了晶体的基本特征。

下面请大家看图片，(提问)该图片是大学生创新实验项目小 组在科研实验室制备的某种材料的表面形貌图(SEM)，判断一下该材料是否为晶体材料？该 形貌的特征表现为有楞有角，具有明显的特征面，故为晶体材料。

为什么形貌会呈现如此特 征？在原子排列的层面考虑，原子的排列具有什么特点？不同类型的晶体材料其晶体结构是 否相同？本节课我们带着这些问题来学习典型的晶体结构。

教
学
内
容
及
教
学
某种材料的表面形貌图(SEM)
活
动
二、课堂教学：
的
1. 简单立方结构
描
1.1 简单立方结构及基矢
述
(结合幻灯片中图示分析简单立方结构) 原子各自排列在立方体的八个顶点位置，组成
一个重复单元(在此回顾并强调上节课内容：简单晶格与复式晶格的差别，并指出在简单晶
格中一个格点即代表一个原子)。

在原胞坐标系中给出基矢的表达式为：
a1 ai, a2 aj, a3 ak
简单立方结构示意图 1.2 简单立方结构原子排列方式


简单立方晶格中一个格点代表一个原子，所以从上述图中即可得知简单立方晶格的晶胞 和原胞一样，最小的重复单位即为原子球排列组成的立方体。

一个重复单元中只有一个原子。

为什么？引导学生进行思考及分析原因：每个顶点占空间的八分之一，一个重复单元共有八 个顶点，故一个重复单元中仅仅含一个原子。

原胞的体积为V a1 (a2 a3 ) a3 。

1.3 简单立方结构配位数及致密度
配位数概念：任一个原子最近邻、等距离的原子数目，描写晶体中原子的紧密程度。

致密度概念：把原子看成刚性球，则原子之间必有空隙存在，用原子刚球所占体积与晶
体体积之比来表示晶体结构排列的紧密程度，称为致密度或密集系数。

结合简单立方晶格重复单元的示意图，引导学生判断简单立方晶格的配位数为 6。

结合简单立方晶格重复单元的示意图，引导学生求解简单立方晶格的致密度为 / 6 。

教
学
2. 面心立方结构
内
2.1 面心立方结构及基矢
容
(结合幻灯片中图示分析面心立方结构) 在简单立方晶格的基础上进行分析：简单立方
及 晶格的六个面的面心位置各加入一个原子即得到面心立方晶格的重复单元，该重复单元为面
教 心立方晶格的晶胞。

学
活
动
的
描
述
面心立方结构示意图
分析该重复单元为什么是晶胞而不是原胞？提问学生，回顾上节课学习的晶胞和原胞的
概念，指出原胞区别于晶胞最大的特点就是，晶胞不一定是晶格中最小的重复单元，其含有
的原子数可以大于 1；而原胞一定是晶格中最小的重复单元，其只含有 1 个原子；晶胞不仅
体现周期性，而且体现对称性。

(结合多媒体示意图及黑板板书推导，进一步分析面心立方晶格晶胞和原胞的关系，加
深学生对晶胞和原胞的理解) 从立方体的顶点到三个近邻的面心引三个基矢：
a1
a 2
(
j
k ),a2
a 2
(k
i ),a3
a 2
(i
j)
，晶胞与原胞的体积有何关系？进行板书推导。

通过推导结果V
a1
(a2
a3)
1 4
a3
证实原胞为图示阴影部分平行六面体。

面心立方结构原胞和晶胞关系示意图
2.2 面心立方结构原子排列方式
教
(结合多媒体动画演示原子排列方式，使学生易于理解) 动画演示结束后，结合多媒体
学 示意图片进行详细分析。

内
容
及
教
学
活
动
的
面心立方结构原子排列方式
描
第一层原子排列平面上首先排列 7 个原子，其中 6 个原子球心连接形成一个正六边形，
述 另外 1 个原子球心在该正六边形的中心位置。

7 个原子排列形成 6 个空隙，这 6 个空隙又根
据周期平移性分为 2 类(提问，为什么？在此特别强调平移对称性及其几何环境的异同)。

第
2 层原子排列在其中某一类空隙上方，而将第二类空隙空置。

第 3 层原子排列在第二类空隙
上方，而将第一类空隙空置。

以 ABCABCABC…方式排列形成了面心立方结构。

2.3 面心立方结构配位数及致密度 结合多媒体图示，在分析面心立方结构原子排列方式的基础上，引导学生分析面心立方 晶格的配位数为 12。

面心立方结构致密度的计算 结合面心立方结构原子排列方式，引导学生求解面心立方晶格的致密度。

提出问题，让 学生思考面心立方结构中原子最紧密排列的方向是什么方向？沿该方向原子球的半径与晶 胞边长的关系是什么？从而可计算得到致密度为 2 / 6 。

引导学生总结：面心立方结构原子排列的特点及最紧密排列的方向。

理论联系实际：进一步联系实际材料，指出 Cu、Ag、Au 等金属具有面心立方结构。

3. 体心立方结构
3.1 体心立方结构及基矢
(结合幻灯片中图示分析体心立方结构) 在简单立方晶格的基础上进行分析：简单立方 教 晶格的体心位置加入一个原子即得到体心立方晶格的重复单元，该重复单元为晶胞。

学
内
容
及
教
学
活
体心立方结构示意图
动
的
提问学生：分析该重复单元为什么是晶胞还不是原胞？
描
(结合多媒体示意图及黑板板书推导，进一步分析体心立方晶格晶胞和原胞的关系) 从
述 立方体的顶点到三个近邻的面心引三个基矢：
a1
a 2
(i
j
k), a2
a 2
(i
j
k), a3
a 2
(i
j
k)
黑板板书推导晶胞与原胞的体积有何关系，求得原胞体积为：
V
a1 (a2
a3)
1 2
a3
通过推导结果证实原胞为图示阴影部分平行六面体。

再次强调原胞中原子的数目。

3.2 体心立方结构原子排列方式 在前述基础上引导学生总结体心立方结构原子的排列方式，并和面心立方结构进行比 较其异同点。

提问学生：体心立方结构原子的排列方式是什么？并给出多媒体图片(如下)。

与面心立 方结构进行比较，哪种结构更为致密？引导学生分析并进行解答。

体心立方结构原子堆积方式示意图
3.3 体心立方结构配位数及致密度
结合多媒体图示，在分析体心立方结构原子排列方式的基础上，引导学生分析体心立方
晶格的配位数为 8。

教
学
内
容
及
教
体心立方结构致密度的计算
学
结合体心立方结构原子排列方式，引导学生求解体心立方晶格的致密度。

提出问题，让
活 学生思考体心立方结构中原子最紧密排列的方向是什么方向？沿该方向原子球的半径与晶
动 胞边长的关系是什么？从而可计算得到致密度为 3 / 8 。

并进一步验证在 3.2 小节中关于体
的 心立方与面心立方结构进行比较，哪种结构更为致密的结论。

描
引导学生总结：体心立方结构原子排列的特点及最紧密排列的方向。

述
理论联系实际：进一步联系实际材料，指出 Li、Na、K、Rb、Cs、Fe 等金属具有体心
立方结构。

4.小结： 今天我们主要学习了简单立方晶格、面心立方晶格、体心立方晶格及其各晶体结构的原 子排列方式。

在计算各晶体结构的配位数及致密度时，一定要知道原子最紧密排列的方向及 原子球半径与晶胞边长的关系。

课后大家思考如下原子排列属于那种晶体结构(预习下节)：


《固体物理学》教案【板书设计】。