2019-2020学年高中物理 第2章 固体 第2节 固体的微观结构 第3节 材料科技与人类文明学案 鲁科版选修3-3

第2节固体的微观结构 第3节材料科技与人类文明1.知道晶体的结构类型及特点(重点)2.理解晶体与非晶体差异的原因3应用固体的微观结构解释固体特征(难点)一、晶体的结构1组成晶体的物质微粒有规则地在空间排成阵列，呈现周而复始的有序结构，说明晶体的微观结构具有周期性特点2晶体内部各微粒之间存在着很强的相互作用力，微粒被约束在一定的平衡位置上3热运动时，这些微粒只能在各自的平衡位置附近做微小振动1晶体为什么有规则的几何外形？提示：由于晶体中的物质微粒在空间是按一定规律排列的，微粒只在一定平衡位置做微小振动，所以晶体有规则的几何外形二、晶体的结合类型比较项目类型构成微粒结合键举例离子晶体正、负离子离子键NaCl、AgBr原子晶体原子共价键SiO2、碳、锗金属晶体物质微粒金属键铜、银、铝三、固体特征的微观解释1方法：在固体界面沿不同方向画出等长直线2微观解释(1)单晶体在沿不同方向的等长直线上微粒的个数不相等，说明沿不同方向微粒的排列及物质结构情况不同，所以单晶体在物理性质上表观为各向异性(2)非晶体在沿不同方向的等长直线上微粒的个数大致相等，说明沿不同方向微粒排列及物质结构情况基本相同，在物理性质上表现为各向同性3同一种物质微粒在不同的条件下有可能形成不同的晶体，虽然构成这些晶体的物质微粒都相同，但是由于它们的排列形式不同，物理性质也不同四、材料及分类1分类(1)按材料特性分为：结构材料和功能材料(2)按应用领域分为：信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等(3)按习惯分为：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料2新材料(1)发生形变后几乎能100%恢复原状的材料称为形状记忆合金(2)微电子材料：半导体(3)力、热、声、光、磁等方面的某些性能会发生突变的纳米材料(4)材料、信息、能源被当今国际社会公认为现代文明的三大支柱2家庭、学校或机关的门锁常用“碰锁”，然而使用一段时间后，锁舌就会变涩而不易被碰，造成锁门困难，这时，你可以用铅笔在锁舌上研磨几下，“碰锁”便开关自如了，而且可以维持几个月之久，你知道其中的道理吗？提示：因为铅笔中含有石墨成分，利用的是石墨的润滑作用，石墨具有层状结构，层与层之间容易脱落，因而起到润滑作用微观结构理论对固体特征的解释一、晶体的微观结构1猜想：早在17世纪，就有许多研究者提出这样一种观点：在晶体内部，组成晶体的物质微粒应该是规则排列的2实验证实：1912年，德国物理学家劳厄用X射线来探测固体内部的原子排列，证实了晶体内部的物质微粒的确是按一定的规律整齐地排列起来的3结构特点(1)晶体的微观结构具有周期性(2)内部微粒间存在着很强的作用力(3)微粒只在各自的平衡位置附近做微小振动4晶体的结构类型(1)概念：由正、负离子通过离子键结合而成的晶体叫做离子晶体相邻原子之间通过共价键结合而成的晶体叫做原子晶体物质微粒通过金属键结合而成的晶体叫做金属晶体(2)常见的各种晶体离子晶体：NaCl晶体(空间正方体结构)，AgBr，PbS，MgO晶体等原子晶体：SiO2(正四面体结构)、碳(金刚石)、锗、锡晶体等金属晶体：铜晶体(立方体)、银、铝、镍和金等组成晶体的物质微粒(分子、原子或离子)，依照一定的规律在空间中整齐地排列，物质微粒之间的相互作用力很强，微粒的热运动不足以克服它们的相互作用力，微粒的热运动表现为在一定的平衡位置附近不停地做微小的振动二、固体特征的微观解释1几何外形解释单晶体内部物质微粒的排列有一定的规律，在宏观上就具有规则的天然几何外形；而非晶体内部物质微粒(或多晶体内的小晶粒)的排列没有一定规律，表现为杂乱无章，因此在宏观上没有规则的天然几何外形2物理性质解释在单晶体内部，沿不同方向的等长直线上，微粒个数通常是不相等的，这说明单晶体在不同方向上的微粒排列及物质结构情况是不一样的，故单晶体在物理性质上表现为各向异性；在非晶体内部物质微粒(或多晶体内的小晶粒)的排列是杂乱无章的，从统计观点来看，沿不同方向的等长直线上，微粒(或晶粒)个数大致相同，非晶体(或多晶体)在不同方向上的微粒(或晶粒)排列及物质结构情况基本相同，故非晶体(或多晶体)在物理性质上表现为各向同性单晶体在沿不同的方向上，物质微粒的数目不同，即在不同方向上物质微粒的排列情况不同，从而引起单晶体在不同方向上的物理性质不同有些物质在不同条件下生成不同的晶体，那是因为组成它们的微粒能够按照不同的规则在空间分布例如：金刚石和石墨都是由碳元素构成的，它们有不同的点阵结构三、对晶体熔点的解释给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解，熔解时晶体吸收的热量全部用来破坏规则的排列，温度不发生变化晶体的温度升高时，组成晶体的物质微粒运动加剧，当热运动达到足以破坏其空间排列的规律性时，晶体开始熔化，要破坏物质微粒空间排列的规律性就需要克服微粒的强大作用力做功，因为在晶体尚未全部熔化之前，吸收的热量全部用来破坏其空间排列的规律性，所以晶体融化时有确定的熔点，虽然在熔化过程中不断地吸收热量，但温度并不升高，如果晶体全部熔化后仍吸收热量，温度将由熔点继续升高下列叙述中正确的是()A单晶体的各向异性是由于它的内部微粒的排列是杂乱无章的B单晶体具有规则的几何外形是由于它的内部微粒按一定规律排列C非晶体有规则的几何形状和固定的熔点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结构分布思路点拨从晶体的微观结构去分析，弄清晶体、非晶体的不同 解析单晶体的各向异性是由于在不同方向上，单晶体内部物质微粒的排列情况不同导致的，非晶体内部物质微粒的排列没有一定规律，杂乱无章，故它没有规则的几何形状，也没有固定的熔点，金刚石与石墨物理性质差别很大，是由于内部微粒的排列组合结构不同造成的故A、C、D均不对，B选项正确答案B1.(多选)下列说法正确的是()A将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒是非晶体B固体可以分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同方向上有不同的光学性质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，某些晶体可以转变为非晶体，某些非晶体也可以转变为晶体E在熔化过程中，晶体要吸收热量，但温度保持不变，内能也保持不变解析：选BCD.将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒仍是晶体，故选项A错误；单晶体具有各向异性，有些单晶体沿不同方向上的光学性质不同，故选项B正确；例如金刚石和石墨由同种元素构成，但由于原子的排列方式不同而成为不同的晶体，故选项C正确；晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化如天然水晶是晶体，熔融过的水晶(即石英玻璃)是非晶体，也有些非晶体在一定条件下可转化为晶体，故选项D正确；熔化过程中，晶体的温度不变，但内能改变，故选项E错误新材料及其应用1关于半导体材料的认识(1)半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如：硅、锗、氧化亚铜、砷化镓等(2)影响半导体导电性能的因素：温度、光照、掺入杂质(3)半导体的单向导电性的微观机理(以硅为例)N型半导体：以自由电子参与导电的半导体掺入杂质后形成的半导体P型半导体：以空穴参与导电的半导体掺入杂质后形成的半导体PN结：将P型半导体与N型半导体紧密接触，在接触面上会形成一个PN结P型半导体端为晶体二极管的正极，N型半导体端为晶体二极管的负极2关于纳米材料的认识(1)纳米：长度单位符号：nm.1 nm109 m.(2)纳米技术：指在纳米尺度上制造材料和器件的技术(3)纳米材料的分类：纳米金属材料、纳米磁性材料、有机无机纳米复合物、纳米传感材料、纳米医用材料等(4)纳米材料的奇特效应量子尺寸效应：如银的超细微粒在温度为1 K时，会由导体变为绝缘体小尺寸效应：如当材料超细微粒的尺寸与光波波长相当或更小时，将由超导状态变为正常物态表面和界面效应：如纳米材料活性极高，极不稳定，很容易与其他原子结合宏观量子隧道效应：如低于某一临界温度时，其微观粒子的运动速度基本上与温度无关(5)纳米材料的良好性能主要表现在：力学、热学、电学、磁学、光学、化学等方面(多选)纳米材料的奇特效应使纳米材料表现出不同于传统材料的良好性能，以下关于纳米材料的性能的说法中，正确的是()A在力学性能方面，纳米材料具有高强、高硬和良好的塑性B在热学性能方面，纳米超细微粒的熔点比常规粉体低得多C在电学性能方面，纳米金属在低温时会呈现超导电性D在化学性能方面，纳米材料化学活性低，因此化学稳定性强思路点拨结构决定性质，人们发现当材料的尺寸小到纳米尺度时，其力、热、声、光、磁等方面的某些性质会突变，这也是纳米材料的“神奇”之处 解析在电学性能方面，纳米材料在低温会呈现电绝缘性；而在化学性能方面，纳米材料具有相当高的化学活性，故选项C、D错误答案AB纳米尺度和原子直径的数量级很接近，因此纳米技术实际上就是重新排列原子而制造出具有新分子结构的技术当材料小到纳米尺度时，其力、热、声、光、磁等方面的某些性能会突变2.(多选)关于记忆合金“镍钛诺”，下列说法正确的是()A它的材料中含镍、钛B在常温下做成某种形状，高温下拉直，然后到常温时又恢复原状C在高温下做成某种形状，低温下拉直，然后到高温时又恢复原状D它的记忆能力只可运用一次解析：选AC.材料中含有镍和钛，A正确；这种合金是高温下做成某种形状，低温下拉直，到高温时恢复原状，B错误，C正确；研究表明，这种合金的记忆本领可反复若干次使用，D错误用微观结构理论解释晶体的特性1对单晶体特性的解释(1)对各向异性的解释：如图所示是一平面上晶体物质微粒的排列情况，从图中可以看出，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上更少正因为在不同方向上物质微粒的排列情况不同，才导致晶体在不同方向上物理性质不同(2)对熔点的解释：给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多晶体的微观结构及对其性质的解释：多晶体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体(晶粒)组成的平常见到的各种金属材料都是多晶体把纯铁做成的样品放在显微镜下观察，可以看到它是由许许多多晶粒组成的晶粒有大有小，最小的只有105cm，最大的也不超过103cm.每个晶粒都是一个小单晶体，具有各向异性的物理性质和规则的几何形状，因为大量晶粒杂乱无章地排列，所以多晶体没有规则的几何形状，也不显示各向异性它在不同方向的物理性质是相同的，即各向同性(多选)单晶体不同于非晶体，它具有规则的几何外形，在不同方向上物理性质不同，而且具有一定的熔点，下列哪些说法可以用来解释晶体的上述特性()A组成单晶体的物质微粒，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单晶体在不同方向上物理性质不同，是由于不同方向上微粒数目不同，微粒间距离也不相同C单晶体在不同方向上物理性质不同，是由于不同方向上的物质微粒的性质不同D单晶体在熔化时吸收热量，全部用来瓦解单晶体的空间点阵，转化为分子势能，因此，单晶体在熔化过程中保持一定的温度不变，只有空间点阵完全被瓦解，单晶体完全变为液体后，继续加热，温度才会升高解析单晶体微粒构成的空间点阵是单晶体有规则几何外形的原因，单晶体在物理性质上的各向异性是由于空间点阵中不同方向的微粒数目不同，微粒间距离也不相同晶体熔点的存在是由于晶体在熔化时要吸收热量用来瓦解空间点阵，增加分子势能熔化过程中分子热运动的平均动能不变，即温度不变只有当晶体全部转变为液体后温度才会升高，分子热运动的平均动能才会增加，所以单晶体也是如此故选项A、B、D正确答案ABD各种晶体都是按照一定的规则排列的，具有空间上的周期性同种物质也可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现，晶体和非晶体可在一定条件下相互转化. 随堂检测1下列关于金属材料的说法正确的是()A金属材料一般只指纯金属B通常使用的金属材料大多是合金C钢是指纯度非常高的铁，而不锈钢是铁和碳的合金再加上铬合成的D不锈钢只是在干燥的环境里才不生锈，若在潮湿的环境里，也很容易生锈解析：选B.金属材料一般包括金属与合金，而不是指纯金属，但通常使用的金属材料大多是合金，故A错误，B正确；钢是铁和碳的合金，而不是指高纯度的铁，不锈钢则是铁和碳再加上铬的合金，故C项错误；不锈钢具有很强的耐腐蚀性，在潮湿的环境里也不容易生锈，故D项错误2(多选)如图所示是两种不同物质的熔化曲线，根据曲线判断下列说法正确的是()Aa是晶体Bb是晶体Ca是非晶体 Db是非晶体解析：选AD.晶体在熔化过程中不断吸热，但温度却保持不变(熔点对应的温度)，而非晶体没有确定的熔点，不断加热，非晶体先变软，然后熔化，温度却不断上升，因此a对应的是晶体，b对应的是非晶体3发现晶体内部的物质微粒是按一定的规律整齐排列的科学家是()A劳厄 B伦琴C玻尔 D富勒解析：选A.1912年，德国物理学家劳厄用X射线来探测固体内部的原子排列，证实了晶体内部的物质微粒是按一定的规律整齐排列的4请举例说明新材料对现代文明的作用答案：半导体材料促进计算机发展，高温材料促进航天工业的进步，光导纤维促进通信技术发展等课时作业一、单项选择题1下列晶体中属于金属晶体的是()A金刚石和氧化钠 B锗和锡C银和氧化钠 D镍和金解析：选D.根据晶体的结合类型可知氧化钠是离子晶体；锗、锡和金刚石是原子晶体；银、镍和金是金属晶体，故选D.2从物体外形来判断晶体，正确的是()A玻璃块有规则的几何形状，所以它是晶体B不具有规则形状的物体，一定不是晶体C敲打一块石英，使它失去天然的几何外形后，它就不是晶体了D单晶体在外形上都具有天然的规则的几何形状解析：选D.玻璃块有规则的几何形状是人工方法加工的，不具有规则形状的物体有可能是多晶体单晶体具有天然的规则的几何外形，敲打失去天然的几何外形后，仍是晶体3关于石墨与金刚石的区别，下列说法正确的是()A它们是由不同物质微粒组成的不同晶体B它们是由相同物质微粒组成的相同晶体C金刚石是晶体，石墨是非晶体D金刚石比石墨原子间作用力大，金刚石有很大的硬度解析：选D.金刚石和石墨是同一种物质微粒(碳原子)在不同条件下生成的不同晶体，它们有不同的微观结构，表现在宏观上的物理性质不一样，故D正确4日本一位材料研究所的科学家发明了一种“碳纳米管温度计”，这种温度计被认定是世界上最小的温度计研究人员在长约610 nm，直径为710 nm的碳纳米管中充入液态的金属镓当温度升高时，管中的镓就会膨胀，通过电子显微镜就能读取温度值这种温度计测量的范围可以从18 到490 ，精确度较高，可用于检查电子线路是否异常，测定毛细血管的温度等许多方面由以上信息判断下列推测中不正确的是()A碳纳米管的体积在18 至490 之间随温度变化很小，可忽略不计B金属镓的体积在18 至490 之间随温度变化很小，可忽略不计C金属镓的体积在18 至490 之间随温度变化比较均匀D金属镓的熔点很低，沸点很高解析：选B.由题中信息知这种温度计测温范围为18490 ，精确度高，可以推断，在测温范围内，碳纳米管体积变化很小，而金属镓的体积随温度均匀变化，故错误的选项为B.5下列关于晶体空间结构的说法中，不正确的是()A构成晶体空间结构的物质微粒，可以是分子，也可以是原子或离子B晶体的物质微粒之所以能构成空间结构，是由于晶体中物质微粒之间相互作用力很强，所有物质微粒都被牢牢地束缚在空间结构的结点上不能动C所谓空间结构与空间结构的结点，都是抽象的概念；结点是指组成晶体的物质微粒做微小振动的平衡位置D相同的物质微粒，可以构成不同的空间结构，也就是同一种物质能够生成不同的晶体，从而能够具有不同的物理性质解析：选B.组成晶体的物质微粒可以是分子、原子或离子，组成晶体的物质微粒在平衡位置附近做微小振动，物质微粒之间还存在着相互作用晶体的物质微粒之所以能构成空间结构，是由于晶体中物质微粒之间的相互作用很强，物质微粒可构成不同的空间结构，故选B.6下列说法中不正确的是()A不锈钢具有很强的耐腐蚀性，广泛应用于制造餐具、外科手术器械及化工设备B有机高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素的有机化合物构成的材料C复合材料是由几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料D玻璃钢不是复合材料解析：选D.玻璃钢、碳纤维和陶瓷复合材料等都是新型的复合材料，D错二、多项选择题7有关晶体的排列结构，下列说法正确的是()A同种元素原子按不同的结构排列有相同的物理性质B同种元素原子按不同的结构排列有不同的物理性质C同种元素形成晶体只能有一种排列规律D同种元素形成晶体可能有不同的排列规律解析：选BD.晶体内部微粒排列的空间结构决定着晶体的物理性质同种元素原子也会有多种排列结构例如：碳原子按层状结构排列形成石墨，按网状结构排列形成金刚石8晶体具有各向异性的特点是由于()A晶体在不同方向上物质微粒的排列情况不同B晶体在不同方向上物质微粒的排列情况相同C晶体内部结构的无规则性D晶体内部结构的有规则性解析：选AD.晶体的各向异性是由于晶体内部结构的有规则性，使不同方向上物质微粒的排列情况不同，故选A、D.9材料如果按特性分类，可分为()A结构材料 信息材料C复合材料 功能材料解析：选AD.按照材料的特性，可以把材料分为结构性材料和功能性材料两类结构性材料主要利用材料的力学特性，功能性材料主要利用材料的声、光、热、电、磁等特性10关于半导体的导电性能随某些物理因素的变化而变化的说法正确的是()A在极低的温度下，纯净的半导体像导体一样导电性良好B在极低的温度下，纯净的半导体电阻率很高C在较高的温度下，有光照射时或掺入杂质后，半导体导电性能大大增强D在较高的温度下，有光照射时或掺入杂质后，半导体像绝缘体一样不导电解析：选BC.纯净的半导体在低温下的电阻率很高，呈现出绝缘性，故A错误，B正确；在较高的温度下或用某种频率的光照射半导体时，半导体的电阻率会显著下降，导电性能大大提高通常，当半导体中的杂质含量较高时，电阻率很小，呈现出一定的金属性，故C正确，D错误三、非选择题11有一块物质薄片，某人为了检验它是不是晶体，做了一个实验他以薄片的正中央O为坐标原点，建立xOy平面直角坐标系，在两个坐标轴上分别取两点x1和y1，使x1和y1到O点的距离相等在x1和y1上分别固定一个测温元件，再把一个针状热源放在O点，发现x1和y1点的温度都在缓慢升高甲同学说：若两点温度的高低没有差异，则该物质薄片一定是非晶体乙同学说：若两点温度的高低有差异，则该物质薄片一定是晶体请对两位同学的说法作出评价(1)甲同学的说法是_(选填“对”或“错”)的；理由是_(2)乙同学的说法是_(选填“对”或“错”)的；理由是_解析：单晶体中，物质微粒的排列顺序及物质结构在不同方向上是不一样的，因此单晶体表现出各向异性而非晶体中，物质微粒排列顺序及物质结构在不同方向是一样的，因此非晶体表现出各向同性对于多晶体，由于其中小晶粒是杂乱无章地排列的，因此也表现出各向同性由此可知，表现出各向同性的不一定是非晶体，而表现出各向异性的一定是晶体答案：(1)错因为有些晶体在导热性上也有可能是各向同性的或两个特定方向上的同性并不能说明各个方向上都同性(2)对因为只有晶体才具有各向异性12利用扫描隧道显微镜(STM)可以得到物质表面原子排列的图象，从而可以研究物质的结构如图所示的照片是一些晶体材料表面的STM图象，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什么？解析：共同特点是：(1)在确定方向上原子有规律地排列，在不同方向上原子排列规律一般不同(2)原子排列具有一定的对称性答案：见解析12