晶體 課件 高中物理新粵教版選擇性必修第三冊（2022年）

1、第二章 氣體、液體和固體第五節(jié) 晶體高中物理新粵教版選擇性必修第二冊一、晶體與非晶體固體可以分成晶體和非晶體兩類。石英、云母、明礬。食鹽、味精、蔗糖等屬于晶體，具有天然規(guī)則的幾何形狀。例如，食鹽的晶體是正立方體形的；石英的晶體（透明的石英晶體叫水晶）中間是一個(gè)六棱柱，兩端是六棱錐；雪花是水蒸氣在空氣中凝華形成的晶體，它們的形狀一般是六角形的規(guī)則圖案。每種晶體都有其特定的天然幾何形狀，礦物學(xué)上常常依據(jù)晶體的這些形狀特點(diǎn)來鑒別礦石。食鹽晶體水晶晶體雪花晶體玻璃、松香、瀝青、橡膠等都是非晶體，沒有天然規(guī)則的幾何形狀。蔗糖受潮后會(huì)粘在一起形成糖塊，看起來沒有特定的幾何形狀。但是用放大鏡仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)

2、組成糖塊的是一個(gè)個(gè)晶體顆粒。粘在一起的糖塊是多晶體，單個(gè)的晶體顆粒是單晶體。由于多晶體是由許多單晶體雜亂無章組合而成的，所以多晶體沒有特定的幾何形狀。金屬和巖石就是兩種最常見的多晶體?！緦?shí)驗(yàn)探究】取一張?jiān)颇钙谏厦嫱恳粚雍鼙〉氖?，然后用燒熱的鋼針去接觸云母片，如圖(a)所示，觀察接觸點(diǎn)周圍的石蠟熔化后所成的形狀，再在玻璃片上做同樣的實(shí)驗(yàn)。最后在圖(b)(c)中分別畫出熔化了的石蠟在云母片和玻璃片上的形狀，比較觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并與同學(xué)交流對(duì)該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的看法?！緦?shí)驗(yàn)總結(jié)】上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明、云母片沿不同方向上的導(dǎo)熱性能是不同的，而玻璃片沿不同方向的導(dǎo)熱性能是相同的。事實(shí)上，單晶體在不同的方向上

3、不僅導(dǎo)熱性能不同，而且機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性能和光的折射率等其他物理性質(zhì)也不同，這類現(xiàn)象稱為各向異性，非晶體沿各個(gè)方向的物理性質(zhì)都是一樣的，這叫作各向同性。由于多晶體是由許多單晶體雜亂無章地組合而成的，所以多晶體在一般情況下是各向同性的。二、晶體的微觀結(jié)構(gòu)【實(shí)驗(yàn)探究】晶體和非晶體在外形和物理性質(zhì)上存在這么大的差異，人們猜想可能是由于它們的微觀結(jié)構(gòu)不同。同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)一些天然晶體或礦石，無論大小，都有特定的相似形狀。那么，是否是微觀排列相似導(dǎo)致特定的形狀? 1848年，法國物理學(xué)家布拉維提出空間點(diǎn)陣的假說，認(rèn)為晶體內(nèi)部的微粒是有規(guī)則地排列著的。1912年，德國物理學(xué)家勞厄利用X射線進(jìn)行晶體衍射實(shí)驗(yàn)，證

4、實(shí)了這種假說。在晶體中，晶體微粒都是按照一定的規(guī)則排列的，具有空間上的周期性。如圖2-5-5所示是食鹽的晶體微觀結(jié)構(gòu)示意圖，在晶體中，晶體微粒間相互作用很強(qiáng)，其熱運(yùn)動(dòng)不足以克服它們相互間的作用力而遠(yuǎn)離，最終表現(xiàn)為在某平衡位置附近不停地振動(dòng)，圖中所畫的點(diǎn)為它們振動(dòng)的平衡位置。在不同條件下，同種物質(zhì)的微粒在空間按不同的規(guī)則排列，會(huì)生成不同的晶體。它們宏觀的幾何形狀不同，物理性質(zhì)也會(huì)不同。如圖(a)所示，碳原子按圖中排列就成為金剛石，原子間的相互作用力很強(qiáng)，因而硬度大，可用來做切割工具；碳原子按圖(b)排列就成為石墨，它呈層狀分布，層與層間距較大，原子間相互作用力較小，故石墨質(zhì)地松軟，可用來做潤滑劑

5、。 1985年，人們制備出了由60個(gè)碳原子構(gòu)成的富勒烯(又稱足球烯)，如圖(c)所示，科學(xué)家們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了碳原子個(gè)數(shù)分別為78，82，84，90，96等多個(gè)同素異形體。它們的應(yīng)用價(jià)值也在不斷探索中。 2004年，英國物理學(xué)家安德烈海姆和俄羅斯物理學(xué)家康斯坦丁諾沃肖洛夫成功從石墨中分離出石墨烯，如圖(d)所示，兩人因此獲得2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?！居懻摻涣鳌咳鐖D2-5-7所示是一個(gè)平面上晶體微粒排列的情況。請(qǐng)觀察沿不同方向單位長度上微粒的數(shù)目是否相同，并思考引起晶體各向異性的原因。組成晶體的微粒是對(duì)稱排列的，形成很規(guī)則的幾何空間點(diǎn)陣，空間點(diǎn)陣排列成不同的形狀，就在宏觀上呈現(xiàn)為晶體不同的幾何形

6、狀。而非晶體內(nèi)部的微粒是無規(guī)則地均勻排列的，沒有一個(gè)方向比另一個(gè)方向特殊，因此表現(xiàn)為各向同性。人類對(duì)晶體與非晶體的原子種類與排列的人工組合的研究，促進(jìn)了材料科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展。例如，在高純度單晶硅中摻入某些特定的雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電性能突變，該特性的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展；單晶空心葉片在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命與性能大幅提升等。三、液晶1888年，奧地利植物學(xué)家萊尼茲爾在合成膽甾醇時(shí)發(fā)現(xiàn)，此類有機(jī)化合物在固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化的過程中存在著混濁的中間態(tài)。次年，德國物理學(xué)家萊曼發(fā)現(xiàn)，這個(gè)由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化的中間態(tài)液體具有與晶體相似的性質(zhì)，故稱為液態(tài)晶體，簡稱液晶。液晶在力學(xué)性質(zhì)上與液體相

7、同，具有流動(dòng)性、連續(xù)性，可以形成液滴；在光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等方面又具有明顯的各向異性，因而又具有晶體的某些性質(zhì)。液晶剛被發(fā)現(xiàn)時(shí)并沒有得到太大關(guān)注，直到近百年后，人們發(fā)現(xiàn)液晶分子的排列可以受到電的控制而改變其光學(xué)性質(zhì)，從而可當(dāng)作顯示材料，這才重新引起人們的極大興趣。液晶的分子有些是長棒狀的，有些是碟狀或板狀的。以長棒狀液晶為例，在自然狀態(tài)下分子有彼此平行排列的傾向它們沿一定方向的排列比較整齊，但彼此間前后左右的位置可以變動(dòng)。這好像裝在鉛筆盒中的許多鉛筆，它們既能左右滾動(dòng)，又能前后滑動(dòng)，但始終保持排列的方向不變，如圖2-5-8所示。長棒狀液晶對(duì)外界的某些作用很敏感。在外加電壓的影響下，液晶的分子不

8、再平行排列，液晶會(huì)由透明狀態(tài)變成混濁狀態(tài)，去掉電壓又恢復(fù)透明。利用液晶的這一特性可以制作顯示元件。在兩電極間用液晶涂寫文字或數(shù)碼，加上適當(dāng)電壓，透明的液晶變得混濁，文字或數(shù)碼就顯示出來了。這就是早期的液晶數(shù)碼管(如圖2-5-9所示)的顯示原理。隨著電子技術(shù)和其他技術(shù)的迅速發(fā)展，液晶顯示技術(shù)已取得了重大突破。目前，人們把大規(guī)模集成電路技術(shù)與液晶技術(shù)結(jié)合在一起，生產(chǎn)出高響應(yīng)速度、高亮度、高對(duì)比度，色彩艷麗、節(jié)能的液晶顯示屏（如圖2-5-10所示),其被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦顯示器、液晶電視機(jī)等。近年來，液晶理論在細(xì)胞生物學(xué)和分子圖2-5-10液晶顯示屏生物學(xué)中也得到了發(fā)展，液晶的基礎(chǔ)理論研究成為凝聚

9、態(tài)物理學(xué)的一個(gè)重要分支。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，液晶的理論和技術(shù)已在電子工業(yè)、航空、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域取得長足發(fā)展和廣泛應(yīng)用。1.特點(diǎn)(1)只要是具有確定熔點(diǎn)的固體必定是晶體(單晶體或多晶體），反之必是非晶體。(2)只要是具有各向異性的固體必定是晶體，且為單晶體。2.晶體中的單晶體具有各向異性，但不是在各種物理性質(zhì)上都表現(xiàn)出各向異性。有些表現(xiàn)為不同方向?qū)嵝阅芑驅(qū)щ娦阅懿煌?，有些表現(xiàn)為不同方向的光學(xué)性質(zhì)不同。1.晶體與非晶體（1）在各種晶體中，原子(或分子、離子)都是按照一定的規(guī)則排列的，具有空間上的周期性。（2）原子(或者分子、離子)并不是靜止不動(dòng)的。它們在平衡位置附近不停地振動(dòng)。（3）有的物質(zhì)在

10、不同條件下能夠生成不同的晶體。那是因?yàn)榻M成它們的微粒能夠按照不同規(guī)則在空間分布。2.晶體的微觀結(jié)構(gòu)（1）定義：液晶是介于固態(tài)和液態(tài)之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。液晶態(tài)既具有液體的流動(dòng)性，又在一定程度上具有晶體分子的規(guī)則排列的性質(zhì)。（2）構(gòu)成液晶的分子為有機(jī)分子，大多為棒狀，其棒長多為棒直徑的5倍以上，由于這種長棒狀的分子結(jié)構(gòu)，使得分子集合體在沒有外界干擾的情況下趨向分子相互平行排列。3.液晶1.關(guān)于一塊長方體的銅條，下列說法正確的是（）A它是一塊晶體，因?yàn)樗幸?guī)則的幾何外形B它是一塊晶體，因?yàn)樗写_定的熔點(diǎn)C它是一塊多晶體，因?yàn)樗怯稍S多晶粒雜亂無章排列而成的D它是一塊非晶體，因?yàn)樗奈锢硇再|(zhì)表現(xiàn)為各向

11、同性BC2.下列說法正確的是（ ）A單晶體有固定的熔點(diǎn)，多晶體沒有固定的熔點(diǎn)B氣球的體積增大時(shí)，氣球內(nèi)氣體溫度可能降低C噴灑消毒藥水時(shí)，一段時(shí)間后遠(yuǎn)處也能聞到消毒藥水的味道，這屬于擴(kuò)散現(xiàn)象D水的溫度越高，懸浮在水中的花粉顆粒運(yùn)動(dòng)越緩慢E浸潤液體和不浸潤液體都有可能發(fā)生毛細(xì)現(xiàn)象BCE3.圖中a、b是兩種不同物質(zhì)的熔化曲線，根據(jù)曲線，你認(rèn)為下面說法中正確的是（）Aa是一種晶體的熔化曲線Bb是一種晶體的熔化曲線Ca是一種非晶體的熔化曲線Db是一種非晶體的熔化曲線AD4.關(guān)于固體、液體和氣體，下列說法正確的是（ ）A高原地區(qū)煮飯會(huì)夾生，水的沸點(diǎn)較低，是因?yàn)楦咴貐^(qū)溫度較低的緣故B晶體一定具有固定的熔點(diǎn)，但不一定具有規(guī)則的幾何外形C降低溫度能夠使氣體的飽和氣壓降低，從而使氣體液化D在一定溫度下，當(dāng)人們感到潮濕時(shí)，水汽蒸發(fā)慢，空氣的相對(duì)濕度一定較小E液晶像液體一樣具有流動(dòng)性，其光學(xué)性質(zhì)與某些晶體相似，具有各向異性BCE5.下列說法正確的是（ ）A將一塊晶體敲碎，得到的小顆粒也是晶體B由同種元素構(gòu)成的固體，可能會(huì)由于原子的排列方式不同而成為不同的晶體C在熔化過程中，晶體要吸收熱量，但溫度保持不變，內(nèi)能也保持不變D小明在下雨時(shí)發(fā)現(xiàn)，雨水流過車窗時(shí)留有痕跡，說明水對(duì)玻璃是浸潤的E到了高原地區(qū)，小明發(fā)現(xiàn)，盡管氣溫變化不大，但車上帶的