2024年高中物理新教材同步 選擇性必修第三冊 第2章 4 固體

4固體[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道晶體和非晶體的特點及其區(qū)分方法，明確單晶體和多晶體的區(qū)別(重點)。2.了解晶體的微觀結(jié)構(gòu)，知道晶體和非晶體形狀和物理性質(zhì)不同的原因(難點)。一、晶體和非晶體1．固體的分類及性質(zhì)固體天然外形物理性質(zhì)(導(dǎo)熱性能、機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性能)有無確定熔點晶體具有規(guī)則的幾何外形，如金剛石、云母、明礬、雪花、食鹽、味精等各向同性或各向異性有確定熔點非晶體不具有規(guī)則的幾何外形，如玻璃、松香、瀝青、橡膠等各向同性無確定的熔化溫度2.晶體的分類及性質(zhì)晶體構(gòu)成物理性質(zhì)有無確定熔點單晶體大塊晶體各向異性有確定熔點多晶體由許多晶粒構(gòu)成各向同性有確定熔點1．常見的金屬沒有規(guī)則的形狀，但具有確定的熔點。它們是晶體還是非晶體？答案金屬雖然沒有規(guī)則的幾何外形，但是有確定的熔點，所以金屬是晶體。2.在玻璃片和云母片上分別涂上一層很薄的石蠟，然后用燒熱的鋼針去接觸玻璃片及云母片的另一面，石蠟熔化，如圖所示，那么你看到的現(xiàn)象及得出的結(jié)論是什么？答案玻璃片上石蠟的熔化區(qū)域呈圓形，說明玻璃片沿各個方向的導(dǎo)熱性能相同。云母片上石蠟的熔化區(qū)域呈橢圓形，說明云母片沿各個方向的導(dǎo)熱性能不相同。3．某人為了檢驗一塊薄片物質(zhì)是否為晶體，做了一個實驗。他以薄片的正中央O為坐標(biāo)原點，建立Oxy平面直角坐標(biāo)系，在兩個坐標(biāo)軸上分別取兩點x1和y1，使x1和y1到O點的距離相等。在x1和y1上分別固定一個測溫元件，再把一個針狀熱源放在O點，發(fā)現(xiàn)x1點和y1點的溫度在緩慢升高，但兩點溫度的高低沒有差異。于是得出結(jié)論：這塊薄片是非晶體。請說明：以上結(jié)論科學(xué)嗎？為什么？答案不科學(xué)。實驗說明該均勻薄片在x、y兩個方向上導(dǎo)熱性能相同，但不能因此就確定這塊薄片是非晶體，因為晶體有可能在導(dǎo)熱性能上表現(xiàn)為各向同性，而在其他性質(zhì)上表現(xiàn)為各向異性；由于多晶體具有各向同性，該薄片也有可能是多晶體。(1)所有晶體都具有天然、規(guī)則的幾何外形。(×)(2)沒有確定的熔化溫度的固體一定是非晶體。(√)(3)物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性的一定是非晶體。(×)(4)單晶體的各向異性是指在每一種物理性質(zhì)上都表現(xiàn)為各向異性。(×)(5)某一大塊晶體粉碎成形狀相同的顆粒，每個顆粒為一個單晶體。(×)例1隨著科技的發(fā)展國家對晶體材料的研究越來越深入，尤其是對稀土晶體的研究，已經(jīng)走在世界的前列。關(guān)于晶體和非晶體，下列說法正確的是()A．晶體都有規(guī)則的幾何外形，非晶體則沒有規(guī)則的幾何外形B．具有規(guī)則幾何外形的物體就是單晶體C．多晶體是由單晶體組合而成的，但單晶體表現(xiàn)為各向異性，多晶體表現(xiàn)為各向同性D．石墨和金剛石都是晶體，但石墨是單晶體，金剛石是多晶體答案C解析單晶體有規(guī)則的幾何外形，多晶體和非晶體則沒有規(guī)則的幾何外形，故A錯誤；單晶體具有天然的幾何外形，但有些非晶體可以被塑造成規(guī)則的幾何外形，比如正方體玻璃器件，故B錯誤；根據(jù)多晶體與單晶體的特點可知，單晶體的某些物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性，多晶體和非晶體的物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性，故C正確；石墨和金剛石都是晶體，金剛石是單晶體，故D錯誤。例2(2022·廣州市培正中學(xué)高二月考)在甲、乙、丙三種固體薄片上涂上蠟，用燒熱的針接觸其背面一點，蠟熔化的范圍如圖(a)所示，而甲、乙、丙三種固體在熔化過程中溫度隨加熱時間變化的關(guān)系圖像如圖(b)所示，則()A．甲、乙是非晶體，丙是晶體B．甲、丙是晶體，乙是非晶體C．甲、丙是非晶體，乙是晶體D．甲是非晶體，乙是多晶體，丙是單晶體答案B解析由題圖(b)知，甲、丙有確定的熔點，乙沒有確定的熔化溫度，所以甲、丙是晶體，乙是非晶體，由題圖(a)知，甲、乙的導(dǎo)熱性能呈各向同性，丙的導(dǎo)熱性能呈各向異性，所以丙是單晶體，B正確。判斷晶體與非晶體、單晶體與多晶體的方法1．區(qū)分晶體與非晶體的方法：看其有無確定的熔點，晶體具有確定的熔點，而非晶體沒有確定的熔化溫度。僅從各向同性或者幾何形狀不能判斷某一固體是晶體還是非晶體。2．區(qū)分單晶體與多晶體的方法：看其是否具有各向異性，單晶體某些物理性質(zhì)表現(xiàn)出各向異性，而多晶體表現(xiàn)出各向同性。二、晶體的微觀結(jié)構(gòu)單晶體具有規(guī)則的幾何外形，物理性質(zhì)方面表現(xiàn)為各向異性，而非晶體沒有規(guī)則的幾何外形，并且物理性質(zhì)方面表現(xiàn)為各向同性。產(chǎn)生這些不同的根本原因是什么呢？答案它們的微觀結(jié)構(gòu)不同。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．有的物質(zhì)在不同條件下能夠生成不同的晶體。那是因為組成它們的微粒能夠按照不同規(guī)則在空間分布，例如碳原子按不同的空間分布排列可形成石墨和金剛石。3．同一種物質(zhì)也可能以晶體和非晶體兩種不同的形態(tài)出現(xiàn)。有些非晶體在一定條件下也可以轉(zhuǎn)化為晶體。1．如圖為石墨和金剛石的微觀結(jié)構(gòu)圖，石墨和金剛石都是由碳原子組成的，為什么石墨很軟，而金剛石卻很堅硬呢？答案金剛石中碳原子間的作用力很強(qiáng)，而石墨是層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間距離較大，原子間的作用力比較弱，所以金剛石很堅硬，石墨卻很松軟。2．如圖所示是一個平面上晶體微粒排列的情況。請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。晶體各向異性的微觀解釋答案由晶體微粒的排列情況可知，沿不同方向單位長度上微粒的數(shù)目均不相同，正是這種不同，使晶體的物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性。例3(多選)下列說法正確的是()A．固體可以分為晶體和非晶體兩類，晶體、非晶體是絕對的，是不可以相互轉(zhuǎn)化的B．由同種元素構(gòu)成的固體，可能會由于原子的排列方式不同而成為不同的晶體C．天然石英表現(xiàn)為各向異性，是由于組成該物質(zhì)的微粒在空間有規(guī)則地排列著D．同種物質(zhì)在不同條件下所生成的晶體微粒的排列規(guī)律相同答案BC解析固體可以分為晶體和非晶體兩類，晶體、非晶體是相對的，在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化，A錯誤；天然石英表現(xiàn)為各向異性，是由于組成該物質(zhì)的微粒在空間的排列是規(guī)則的，具有空間上的周期性，C正確；相同物質(zhì)在不同的條件下能夠生成不同的晶體，組成它們的微粒能夠按照不同的排列規(guī)律在空間分布，如金剛石與石墨，B正確，D錯誤。例4(2022·蘇州市高二期末)2010年諾貝爾物理學(xué)獎授予安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究，他們通過透明膠帶對石墨進(jìn)行反復(fù)的粘貼與撕開使得石墨片的厚度逐漸減小，最終尋找到了厚度只有0.34nm的石墨烯，是碳的二維結(jié)構(gòu)。如圖所示為石墨、石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)。根據(jù)以上信息和已學(xué)知識判斷，下列說法中正確的是()A．石墨是晶體，石墨烯是非晶體B．石墨是單晶體，石墨烯是多晶體C．石墨的物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性，石墨烯的物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性D．他們是通過物理變化的方法獲得石墨烯的答案D解析石墨、石墨烯都是單晶體，石墨與石墨烯等都是碳元素的單質(zhì)，故A、B錯誤；石墨、石墨烯的物理性質(zhì)都表現(xiàn)為各向異性，故C錯誤；他們是通過物理變化的方法獲得石墨烯的，故D正確。課時對點練考點一晶體和非晶體1．(2022·鹽城市伍佑中學(xué)高二月考)關(guān)于晶體和非晶體，下列說法正確的是()A．可以根據(jù)各向同性或各向異性來鑒別晶體和非晶體B．一塊均勻薄片，沿各個方向?qū)λ┘永?，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度一樣，則此薄片一定是非晶體C．一個固體球，如果沿其各條直徑方向的導(dǎo)電性能不同，則該球一定是單晶體D．一塊晶體，若其各個方向的導(dǎo)熱性能相同，則一定是單晶體答案C解析物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性的可以是多晶體，也可以是非晶體，故不能根據(jù)各向異性或各向同性來鑒別晶體和非晶體，故A錯誤；沿各個方向?qū)σ粔K均勻薄片施加拉力，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度一樣，表現(xiàn)出各向同性，可能是多晶體，故B錯誤；一個固體球，如果沿其各條直徑方向的導(dǎo)電性能不同，即具有各向異性，則該球一定是單晶體，故C正確；一塊晶體，若其各個方向的導(dǎo)熱性能相同，表現(xiàn)出各向同性，可能是多晶體，故D錯誤。2.(2022·惠州市高二期中)甲、乙兩種薄片的表面分別涂有薄薄的一層石蠟，然后用燒熱鋼針的針尖分別接觸這兩種薄片石蠟涂層的背面，接觸點周圍熔化了的石蠟分別形成如圖所示形狀，對這兩種薄片，下列說法中正確的是()A．甲的熔點一定高于乙的熔點B．甲一定是晶體C．乙一定是晶體D．乙一定是非晶體答案B解析單晶體表現(xiàn)為各向異性，熔化了的石蠟形成橢圓形，非晶體和多晶體表現(xiàn)為各向同性，則熔化了的石蠟形成圓形，無法確定熔點的高低，故B正確，A、C、D錯誤。3．如圖所示，甲、乙、丙三種固體物質(zhì)，質(zhì)量相等，從其溫度隨時間變化的圖像可以判斷()A．甲是晶體，乙、丙是非晶體B．乙是晶體，甲、丙是非晶體C．乙是非晶體，甲的熔點比丙的熔點低D．乙是非晶體，甲的熔點比丙的熔點高答案D解析晶體有確定的熔點，非晶體沒有確定的熔化溫度，由題圖可知，甲、丙兩物質(zhì)在熔化過程中都有溫度不變的過程，所以甲、丙是晶體，同理可知，乙是非晶體。進(jìn)一步分析可知，甲的熔點比丙的熔點高，故D正確，A、B、C錯誤。4.一塊厚度和密度都均勻分布的長方體被測樣品，長AB是寬AD的兩倍，如圖所示。如果用多用電表的歐姆擋沿兩個對稱軸O1O1′和O2O2′方向測量，結(jié)果阻值均為R，則這塊樣品可能是()A．單晶體 B．多晶體C．非晶體 D．普通金屬答案A解析用多用電表的歐姆擋沿兩個對稱軸O1O1′、O2O2′方向測量結(jié)果均相同，說明該樣品沿O1O1′和O2O2′方向電阻率(即導(dǎo)電性能)不同，即物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性，A正確，B、C錯誤。如果是普通金屬，可以分析出沿O1O1′方向電阻比較大，D錯誤。考點二晶體的微觀結(jié)構(gòu)5．石墨和金剛石性質(zhì)有很大差異，是由于()A．石墨是各向異性的，而金剛石是各向同性的B．它們的化學(xué)成分不同C．它們都是各向同性的D．組成它們的物質(zhì)微粒按不同的規(guī)則排列答案D解析物質(zhì)的物理性質(zhì)由物質(zhì)微粒的微觀結(jié)構(gòu)決定，故D選項正確。6．(2022·北京市豐臺區(qū)高二月考改編)下列關(guān)于固體的敘述，正確的是()A．晶體的各向異性是由于它的微粒按空間點陣排列B．多晶體內(nèi)部的分子排列是不規(guī)則的C．同種元素的原子按不同結(jié)構(gòu)排列有相同的物理性質(zhì)D．石墨的硬度比金剛石差得多，是由于它的微粒沒有按空間點陣分布答案A解析晶體內(nèi)部微粒排列的空間結(jié)構(gòu)決定著晶體的物理性質(zhì)是否具有各向異性，故A正確；由晶體的微觀結(jié)構(gòu)特點可知，晶體內(nèi)部的分子是有規(guī)則地、周期性地在空間排列，故B錯誤；同種元素的原子按不同結(jié)構(gòu)排列有不同的物理性質(zhì)，故C錯誤；石墨與金剛石的硬度相差甚遠(yuǎn)是由于它們內(nèi)部微粒的排列結(jié)構(gòu)不同，石墨的層狀結(jié)構(gòu)決定了它們質(zhì)地柔軟，而金剛石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)決定了其中碳原子間的作用力很強(qiáng)，所以金剛石有很大的硬度，故D錯誤。7.晶體內(nèi)部的分子有序排列為如圖所示的空間點陣(圖中的小黑點表示晶體分子)，圖中AB、AC、AD為等長的三條線段。下列說法正確的是()A．A處的晶體分子可以沿三條線方向發(fā)生定向移動B．三條線段上晶體分子的數(shù)目相同，表明晶體的物理性質(zhì)是各向同性的C．三條線段上晶體分子的數(shù)目不同，表明晶體的物理性質(zhì)是各向異性的D．以上說法均不正確答案C解析晶體中的分子只在平衡位置附近振動，不會沿三條線方向發(fā)生定向移動，故A錯誤；8.(2022·南京市高二期末)食鹽是我們生活中不可缺少的調(diào)味品，通過研究，我們知道了食鹽的微觀結(jié)構(gòu)如圖所示。則下列說法正確的是()A．食鹽晶體是正六面體形B．食鹽所有的物理性質(zhì)都具有各向異性C．食鹽顆粒受潮粘連成食鹽塊時，形狀不規(guī)則，是非晶體D．食鹽在熔化時，要吸收熱量，溫度保持不變，所以內(nèi)能也不變答案A解析食鹽晶體是正六面體形，選項A正確；食鹽具有各向異性，但并非所有的物理性質(zhì)都具有各向異性，選項B錯誤；食鹽顆粒受潮粘連成食鹽塊時，形狀不規(guī)則，但仍是晶體，選項C錯誤；食鹽在熔化時，要吸收熱量，溫度保持不變，所以內(nèi)能增加，選項D錯誤。9.(2022·常州市高二期中)2020年，“嫦娥五號”探測器順利完成月球采樣任務(wù)并返回地球。探測器上裝有用石英制成的傳感器，其受壓時表面會產(chǎn)生大小相等、符號相反的電荷，即“壓電效應(yīng)”。如圖所示，石英晶體沿垂直于x軸晶面上的壓電效應(yīng)最顯著。關(guān)于石英晶體，下列說法正確的是()A．沒有確定的熔點B．具有各向同性的壓電效應(yīng)C．沒有確定的幾何形狀D．是單晶體答案D解析晶體有確定的熔點，非晶體沒有確定的熔化溫度，石英是單晶體，有確定的熔點，有確定的幾何形狀，A、C錯誤，D正確；沿垂直于x軸晶面上的壓電效應(yīng)最顯著，其他方向不明顯，故具有各向異性的壓電效應(yīng)，B錯誤。10．(多選)國家游泳中心——水立方，像一個藍(lán)色透明的“冰塊”，透過它，游泳中心內(nèi)部設(shè)施盡收眼底。這種獨特的感覺來源于建筑外墻采用了一種叫ETFE(四氟乙烯和乙烯的共聚體)的膜材料，這種膜材料屬于非晶體，那么它具有的特性是()A．在物理性質(zhì)上具有各向同性B．在物理性質(zhì)上具有各向異性C．有確定的熔化溫度D．可以做成規(guī)則形狀的物體答案AD解析非晶體沒有確定的熔化溫度，在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性，可以人工加工成規(guī)則形狀的物體，故A、D正確。11．(2022·江蘇高二期中)如圖所示為石墨、石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)，石墨烯是單層的石墨，可以通過剝離石墨而獲得，是現(xiàn)有材料中厚度最薄、強(qiáng)度最高、導(dǎo)熱性最好的新型材料。下列說法正確的是()A．單層石墨烯的厚度約在厘米數(shù)量級B．石墨烯可以通過物理方法獲得C．石