2022-2023學年粵教版選擇性必修第三冊 2.5-2.6 晶體 新材料 學案

學習目標物理與STSE1．知道什么是晶體和非晶體、單晶體和多晶體．(重點)2．知道各向異性現(xiàn)象和各向同性現(xiàn)象．3．掌握晶體和非晶體在外形上和物理性質上的區(qū)別．(重點)4．知道什么是液晶，理解液晶的微觀結構．5．了解材料科學技術的有關知識及應用eq\a\vs4\al(碳原子按不同的排列就,可能形成石墨與金剛石)eq\a\vs4\al(液晶是由固態(tài)向液態(tài)轉化的中間態(tài)液體，具有與晶體相似性質)知識點一晶體與非晶體1．固體可以分為晶體和非晶體兩類．石英、云母、明礬、食鹽、味精、蔗糖等是晶體，玻璃、蜂蠟、松香、瀝青、橡膠等是非晶體．2．單晶體有確定的幾何形狀，多晶體和非晶體沒有確定的幾何形狀，我們在初中已經學過，晶體有確定的熔點，非晶體沒有確定的熔點．3．有些晶體沿不同方向的導熱或導電性能不同，有些晶體沿不同方向的光學性質不同，這類現(xiàn)象稱為各向異性．非晶體沿各個方向的物理性質都是一樣的，這叫作各向同性．由于多晶體是許多單晶體雜亂無章地組合而成的，所以多晶體是各向異性的．知識點二晶體的微觀結構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．有的物質在不同條件下可以形成不同的晶體，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，例如石墨和金剛石．3．同種物質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化為晶體，這說明物質是晶體還是非晶體，并不是絕對的．知識點三液晶1．液晶的概念：像液體一樣具有流動性，其光學性質與某些晶體相似，具有各向異性的有機化合物，稱為液晶．2．液晶分子的排列特點．從某個方向上看液晶分子排列比較整齊，但從另一個方向看，液晶分子的排列是雜亂無章的．3．液晶的應用．(1)液晶顯示器：用于電子手表、電子計算器、電腦等．(2)利用溫度改變時液晶顏色會發(fā)生改變的性質來探測溫度．(3)液晶在電子工業(yè)、航空工業(yè)、生物醫(yī)學等領域有廣泛應用．知識點四新材料1．半導體材料．(1)特點：①導電能力介于導體與絕緣體之間．②如果在純凈的半導體中摻入某些微量元素作為雜質，則其導電性將會發(fā)生顯著變化．③硅、鍺是目前應用最廣泛的半導體材料．(2)作用：半導體電子器件、集成電路，太陽能發(fā)電．2．納米材料．(1)定義：納米材料是指在三維空間中至少有一個維度處于納米尺度范圍(1～100nm)．(2)特點：①與宏觀物質相比，納米材料通常硬度、韌性、延展性等力學性能更好．②熔點、磁性、導熱和導電性降低，對光和物質具有更好的吸收性和吸附性，化學活性大大增加．3．超材料．(1)定義：具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構材料．(2)典型的超材料包括左手材料、光子晶體、超磁性材料等．小試身手1．(多選)關于晶體和非晶體，下列說法正確的是()A．可以根據(jù)各向異性或各向同性來鑒別晶體和非晶體B．一塊均勻薄片，沿各個方向對它施加拉力，發(fā)現(xiàn)其強度一樣，則此薄片一定是非晶體C．一個固體球，如果沿其各條直線方向的導電性不同，則該球體一定是單晶體D．一塊晶體，若其各個方向的導熱性相同，則這塊晶體一定是多晶體CD解析：判斷固體是否為晶體的標準是看是否有固定的熔點，多晶體和非晶體都具有各向同性和無規(guī)則的外形，單晶體具有各向異性和規(guī)則的外形，C、D正確．2．關于石墨和金剛石的區(qū)別，下面說法正確的是()A．石墨和金剛石是同種物質微粒組成的空間結構相同的晶體B．金剛石晶體結構緊密，所以質地堅硬，石墨晶體是層狀結構，所以質地松軟C．石墨與金剛石是不同的物質微粒組成的不同晶體D．石墨導電，金剛石不導電是由于組成它們的化學元素不同B解析：由化學知識知道，石墨和金剛石是碳的同素異形體，其化學性質相同．它們的分子的空間結構不同，石墨中的碳原子排列為層狀結構，層與層之間距離很大，所以其質地松軟；金剛石中的碳原子排列緊密，相互間作用力很強，所以其質地堅硬．顯然選項A、C、D錯誤，選項B正確．3．關于液晶，下列說法中不正確的是()A．液晶態(tài)是介于固態(tài)和液態(tài)之間的中間態(tài)B．液晶具有流動性C．液晶表現(xiàn)出各向同性D．液晶表現(xiàn)出各向異性答案：C4．(多選)納米材料具有許多奇特效應，如()A．電光效應B．量子尺寸效應C．高硬度D．表面和界面效應BD解析：納米材料中原子的排列不同于晶體和非晶體中原子的排列，具有特殊的結構，所以產生四大效應，即表面效應、界面效應、小尺寸效應、量子效應，表現(xiàn)出獨特的光電磁和化學特性．電光效應是液晶的一種奇特效應，而高硬度是因為納米材料的奇特效應使材料所表現(xiàn)出來的一種良好性能．故選項B、D正確，A、C錯誤．探究一晶體與非晶體1．晶體與非晶體的區(qū)別．分類宏觀外形物理性質非晶體沒有確定的幾何形狀(1)沒有確定的熔點；(2)物理性質上表現(xiàn)為各向同性晶體單晶體有天然規(guī)則的幾何形狀(1)有確定的熔點；(2)物理性質上表現(xiàn)為各向異性多晶體沒有確定的幾何形狀(1)有確定的熔點；(2)物理性質上表現(xiàn)為各向同性【典例1】(多選)下列說法正確的是()A．顯示各向異性的物體必定是晶體B．不顯示各向異性的物體必定是非晶體C．具有確定熔點的物體必定是晶體D．不具有確定熔點的物體必定是非晶體ACD解析：非晶體和多晶體都顯示各向同性，所以A正確，B錯誤；晶體不論是單晶體還是多晶體都具有確定的熔點，而非晶體沒有確定的熔點，所以C、D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點，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)分單晶體和多晶體的方法：看其是否具有各向異性，單晶體表現(xiàn)出各向異性，而多晶體表現(xiàn)出各向同性．1．(多選)關于晶體和非晶體，下列說法正確的是()A．單晶體有規(guī)則的幾何形狀B．晶體在物理性質上一定是各向異性的C．晶體熔化時具有一定的熔點D．晶體和非晶體在適當?shù)臈l件下是可以相互轉化的ACD解析：單晶體一定具有規(guī)則的幾何形狀，故A正確；多晶體是由許多雜亂無章地排列著的小晶體組成的，所以具有各向同性，故B錯誤；不論是單晶體還是多晶體，熔化時具有一定的熔點，故C正確；晶體和非晶體在適當?shù)臈l件下是可以相互轉化的，如天然石英為晶體，而人為熔化后將變成非晶體，故D正確．2．(多選)下列說法中正確的是()A．常見的金屬材料都是多晶體B．只有非晶體才顯示各向同性C．凡是具有天然的規(guī)則的幾何形狀的固體必定是單晶體D．多晶體不顯示各向異性ACD解析：常見的金屬：金、銀、銅、鐵、鋁、錫、鉛等都是多晶體，選項A正確；因為非晶體和多晶體的物理性質都表現(xiàn)為各向同性，所以選項B錯誤，選項D正確；有天然的規(guī)則的幾何形狀的固體一定是單晶體，選項C正確．探究二晶體的微觀結構晶體的微觀結構與物理性質．(1)晶體結構．①組成晶體的物質微粒有規(guī)則地在空間排列，呈現(xiàn)空間上的周期性．②晶體內部各微粒之間存在很強的相互作用力，結構不同、作用力的大小也不同，微粒被相互的作用力約束在一定的位置上．③微粒在各自的平衡位置附近做微小的振動．當外界干擾強烈或溫度變化時，結構也發(fā)生變化，周期性被破壞，晶體也可以轉化為非晶體．(2)物理性質．晶體的微觀結構決定其宏觀物理性質，改變物質的微觀結構從而改變物質的屬性，如碳原子可以組成性質差別很大的石墨和金剛石，有些晶體和非晶體在一定條件下可以相互轉化．【典例2】(多選)關于晶體和非晶體，不正確的說法是()A．它們是由不同的空間點陣構成的B．晶體內部的物質微粒是有規(guī)則地排列的，而非晶體內部物質微粒排列是無規(guī)則的C．晶體內部的微粒是靜止的，而非晶體內部的物質微粒是不停地運動的D．在物質內部的各個平面上，微粒數(shù)相等的是晶體，數(shù)量不等的是非晶體ACD解析：空間點陣是晶體的特殊結構，是晶體的一個特性，所以A錯誤；組成物質的微粒永遠在做熱運動，不管是晶體還是非晶體，所以C錯誤；非晶體就提不到什么層面的問題，即使是晶體各個層面微粒數(shù)也不一定相等，所以D錯誤．晶體各向異性的原因(1)單晶體物理性質的不同取決于其微觀結構，單晶體的物質微粒是按照一定的規(guī)則在空間中整齊地排列著，有規(guī)則的幾何外形，在物理性質上表現(xiàn)為各向異性．(2)多晶體是由許許多多晶粒組成的，晶粒在多晶體里雜亂無章地排列著，無規(guī)則的幾何外形，多晶體在物理性質上表現(xiàn)為各向同性．3．下列說法錯誤的是()A．單晶體具有天然的規(guī)則的幾何形狀，是因為其內部微粒是規(guī)則排列的B．有的物質能夠生成種類不同的幾種晶體，是因為組成它們的物質微粒能夠形成不同的微觀結構C．凡具有各向同性的物質一定是非晶體D．單晶體的各向異性是由單晶體的內部結構決定的C解析：晶體的外形、物理性質都是由晶體的微觀結構決定的，A、B、D正確；具有各向同性的物質不一定是非晶體，多晶體也具有這樣的性質，C錯誤．4．(多選)晶體不同于非晶體，它具有規(guī)則的幾何外形，在不同方向上物理性質不同，而且具有一定的熔點，下列哪些說法可以用來解釋晶體的上述特性()A．組成晶體的物質微粒，在空間按一定的規(guī)律排成整齊的行列，構成特定的空間點陣B．晶體在不同方向上物理性質不同，是因為不同方向上微粒數(shù)目不同，微粒間距不同C．晶體在不同方向上物理性質不同，是由于不同方向上的物質微粒的性質不同D．晶體在熔化時吸收熱量，全部用來瓦解晶體的空間點陣，轉化為分子間勢能；因此，晶體在熔化過程中保持一定的溫度不變；只有空間點陣完全被瓦解，晶體完全變?yōu)橐后w后，繼續(xù)加熱，溫度才會升高ABD解析：很多晶體都是由相同的物質微粒組成的，例如，金剛石和石墨都是由碳原子組成的，不同方向上物質微粒完全一樣，可見其各向異性不是因為不同方向上的粒子性質不同引起的，而是粒子的數(shù)目和粒子間距不相同造成的．探究三新材料1．半導體．(1)定義：導電能力介于金屬導體和絕緣體之間，具有優(yōu)異特性的微電子材料．(2)應用：通信衛(wèi)星、電視衛(wèi)星接收機、移動通信、高清晰度電視以及軍用電子裝備等領域．2．納米材料．(1)定義：把顆粒尺度范圍在1～100nm之間的材料稱為納米材料．(2)應用：醫(yī)藥、電子、生物、航空等方面都有廣闊的應用空間．(3)納米材料的良好性能主要表現(xiàn)在：力學、熱學、電學、磁學、光學、化學等方面．①在力學性能方面，納米材料具有高強、高硬和良好的塑性；②在熱學性能方面，納米超細微粒的熔點比常規(guī)粉體低得多；③在電學性能方面，納米金屬在低溫時會呈現(xiàn)電絕緣性；④在磁學性能方面，當超細微粒的尺寸小到臨界尺寸時，常規(guī)的鐵磁性材料會轉變?yōu)樘幱陧槾判陨踔脸槾艩顟B(tài)的納米材料；⑤在光學性能方面，納米半導體材料在室溫下具有光致發(fā)光特性、光電轉換特性、介電特性和壓電特性；⑥在化學性能方面，納米材料具有相當高的化學活性．【典例3】(多選)納米材料的奇特效應使納米材料表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)材料的良好性能，以下關于納米材料的性能的說法中，正確的是()A．在力學性能方面，納米材料具有高強、高硬和良好的塑性B．在熱學性能方面，納米超細微粒的熔點比常規(guī)粉體低得多C．在電學性能方面，納米金屬在低溫時會呈現(xiàn)超導電性D．在化學性能方面，納米材料化學活性低，因此化學穩(wěn)定性強AB解析：納米材料具有良好的性能，在力學性能方面，納米材料具有高強、高硬和良好的塑性，A項正確；在熱學性能方面，納米超細微粒的熔點比常規(guī)粉體低得多，B項正確；在電學性能方面，納米材料在低溫時會