物理选修3选修3-3第九章 物态和物态变化1 固体教学设计

第二章    固    体

主体探究与意义建构

意义学习

   本章内容从宏观领域、微观领域以及运用和发展的历程讲述固体的分类和微观结构特点，并介绍了材料科学在生产生活中的应用，对于拓展学生的知识层面以及提高学生对一些自然现象和新型科技知识的理解有积极的意义，内容从古陶器和纳米技术入手，在实验观察的基础上认识晶体与非晶体的区别、晶体的结构特点、固体的微观结构，并介绍材料科学在人类文明中的应用，初步建立固体结构的基本概念，了解材料科学的发展前景。

高考聚焦

本章内容为选考内容，能力层次要求较低，固体的微观结构、晶体和非晶体是本章的重点。

课题探究

   1.你能不能列举一下你生活中接触的固体材料，并分析哪些是晶体哪些是非晶体？

提示：阅读课本并查阅相关的资料和网页进行回答。

   2.你能列举一下新材料在生产生活中有哪些应用吗？

提示：阅读课本并查阅相关的资料和网页进行回答。

创新学习法

   1.学习晶体与非晶体的结构特点时，注重实验观察，增强知识的直观性，并通过对比加强学生对知识的理解。

   2.利用丰富的实例、图片、视频等观察不同类型的晶体，增强直观性，充分了解固体的微观结构和晶体的结合类型。

第一节  晶体和非晶体

教材分析与教学建议

【三维目标】

知识与技能

   1.了解晶体和非晶体的宏观特性

2.能够区分晶体和非晶体

过程与方法

   1.通过交流和讨论以及实验观察，能够区分晶体和非晶体

   2.通过实验探究，认识晶体和非晶体不同的物理特性

情感态度与价值观

   通过实验探究，培养学生主动与人合作的精神以及将自己的见解与他人交流的愿望

【重点难点】

   重点和难点：晶体与非晶体的宏观特性

   在实验观察的基础上，学习晶体与非晶体的宏观特性，既可以增加知识的直观性，又可以通过对比加深对知识的理解。

【课时建议】

新授课1课时

【情境设计】

请大家准备一些颗粒大小不同的食盐、冰糖和碎玻璃，一只放大镜，一只深颜色的纸。将食盐、冰糖或碎玻璃，用放大镜仔细观察这些小颗粒。

问题导引：你看看这些小颗粒的结构有什么不同呢？

点拨提示：通过观察，可以发现食盐、冰糖颗粒具有规则的几何形状，而玻璃没有，增进学生对晶体与非晶体的区别的直观了解。

【资料备选】

非晶态合金——高速发展的新材料

非晶态合金是一种高新技术材料，具有良好的物理、化学和力学性能，是电力、电子、计算机、通讯等高新技术领域的关键材料，市场需求大，产业化前景非常广阔，而且它的发展和应用可带动一批相关领域的技术进步和协同发展。

在电子技术中，非晶态合金以其高效、低损耗、高导磁等优异的物理性能有力促进了电子元器件向高频、高效、节能、小型化方向的发展，并可部分替代传统的硅钢、坡莫合金和铁氧体材料。可以预测，在未来的电子技术中非晶体合金将占据十分重要的位置。因而，非晶态合金又被称为跨世纪的新型功能材料。

在电力技术中，采用非晶态合金作为铁芯材料的配电变压器，其空载损耗可比同容量的硅钢芯变压器降低60%~80%。同时，减少电力损耗也就降低了发电的燃料损耗，从而减少了有害气体的排放量。因而，非晶态合金又被誉为绿色环保材料。我国是世界上能源消费增长最快的国家，同时也是能源紧缺的国家，为满足社会可持续发展和保护生态环境的需要，发展这种新型变压器显得尤为重要。

自主学习与问题发现

【阅读与积累】

阅读课本P22～P27页的内容，梳理知识，完成填空

[问题与思考]

     如何区分晶体与非晶体？

提示：（1）有无规则的几何外形——区分单晶体

（2）有无固定的熔点——区分晶体与非晶体

（3）是否各向异性——区分晶体与非晶体

合作学习与问题探究

【重点·难点·疑点】

1.什么是晶体？晶体的种类以及物理特性如何？

解答：具有规则的几何外形与固定熔点的固体，叫做晶体。晶体包括单晶体和多晶体两种，单晶体具有规则的几何形状，外形都是由若干个平面围成的多面体，其物理特性为各向异性；多晶体虽然没有规则的几何形状，但是通过显微镜观察其表面就会发现，它们是由大量细微的小晶粒杂乱无章的排列在一起构成的，其物理特性表现为各向同性。

2.什么是非晶体？非晶体的物理特性如何？

解答：非晶体没有规则的几何外形、没有固定的熔点，其物理特性表现为各向异性。

思维激活

【新理念典型探究】

题型：晶体与非晶体的区别及物理特性

例题1.某一物体有各向同性，则可以判断：

A.它一定是非晶体                B.它一定是多晶体

C.它一定不是单晶体              D.它可能是多晶体

审题指导：审题时注意多晶体与非晶体的物理特性都表现为各向同性。

解答：单晶体的物理特性表现为各向异性，多晶体和非晶体的物理特性都表现为各向同性，所以具有各向同性的物体一定不是单晶体，可能是非晶体也可能是多晶体，所以答案CD正确。

答案：CD

方法点拨：解决概念辨析类问题，需要把握好晶体与非晶体的特点和物理特性。

例题2.判断晶体和非晶体比较准确的方法是：

A.从外形判断              B.从各向异性和各向同性判断

C.从导电性判断            D.从有无确定熔点判断

审题指导：审题时注意多晶体与非晶体在外形上都没有规则的几何形状，物理性质都表现为各向同性。

解答：晶体可以分为单晶体和多晶体，其中多晶体与非晶体在外形上都没有规则的几何形状，物理特性上都表现为各向同性，所以区分晶体和非晶体不能从外形和物理特性进行判断，但是所有的晶体都具有确定的熔点，非晶体没有固定的熔点，所以可以从有无熔点来区分晶体与非晶体。

答案：D

方法点拨：分析问题时注意多晶体与非晶体的区别。

思维创新

【综合·探究·实践】

探究课题：探究单晶体与多晶体的物理特性

提示：在薄云母片和薄金属片表面涂石蜡时，厚度要均匀，且不要太厚。

反思学习与课时测控

【思维误区警示】

【课时标准测控】

（时间10分钟，20分）

【共同基础】

1.一块金属整体表现为各向同性，是因为：

A.金属是非晶体                   B.金属分子的排列是杂乱的

C.金属是单晶体                   D.金属是多晶体

答案：B

点拨：金属是多晶体，特是由大量细微的小晶粒杂乱无章的排列在一起构成的，正是因为小晶粒的排列杂乱无章，每个小晶粒各向异性的特征相互抵消，所以在各个方向上的物理性质几乎相同，整体表现为各向同性。

2.一个导体球，无论沿着哪个方向的直径测量它的电阻，所得阻值都相同，由此可知，这个导体球：

A.一定是非晶体                   B.可能是单晶体

C.可能是多晶体                   D.以上说法都不对

答案：C

点拨：根据题意可知，导体球表现为各向同性，所以答案C正确。

3.晶体和非晶体在物理性质上的明显区别，下列说法中哪些是正确的？

A.晶体都是各向异性的             B.晶体都是各向同性的

C.各向异性的物体一定是晶体       D.各向同性的一定是非晶体

答案：C

点拨：晶体包括单晶体和多晶体，单晶体的物理性质为各向异性，多晶体表现为各向同性。

4.从物体的外形来判断是否是晶体，下列叙述中正确的是：

A.玻璃具有规则的几何外形，所以它是晶体

B.没有确定熔点的物体，一定不是晶体

C.敲打一块石英后，使它失去了天然面，没有规则的外形了，但它仍是晶体

D.晶体自然生成的对应表面之间的夹角一定

答案：BCD

点拨：晶体与非晶体的区别的一个重要特征就是晶体具有固定熔点而非晶体没有固定熔点。石英是单晶体，尽管大小和外形不同，但是却具有相同的基本形状，表面个数、个相应平面间的夹角也恒定不变。

【能力训练】

5.在样本薄片上均匀地涂上一层石蜡，然后用灼热的金属针尖点在样本的另一侧面，结果得到如图2-1-1所示的两种图样，则：

A.样本A一定是非晶体

B.样本A可能是非晶体

C.样本B一定是晶体

D.样本B不一定是晶体

答案：BC

点拨：由图可以看出，A表现为各向同性，B表现为各向异性，所以A可能是多晶体，也可能是非晶体；B一定是单晶体。

6.某种材料制成的厚度均匀的长方形透明体，测得某单色光沿AB和CD方向穿过透明体时，折射率不同，如图2-1-2所示，则说明该材料：

A.一定是单晶体             B.一定是多晶体

C.一定是非晶体              D.可能是多晶体

答案：A

点拨：沿AB和CD方向折射率不同，说明该材料各向异性，所以一定是单晶体。

第二节  固体的微观结构

教材分析与教学建议

【三维目标】

知识与技能

  1.知道晶体内部的物质微粒是按照一定的结构周期性的排列而成的

2.知道晶体的结合类型，并通过物理模型加深对其结合类型的理解

3.知道晶体外形的规则和物理性质的各向异性可以通过其微观结构进行解释

过程与方法

   1.通过石英和金刚石晶体结构的不同，认识由于同一种物质的微观结构的不同，其宏观性质可能存在很大的差异

   2.建立晶体结构的物理模型，加深对晶体结合类型的理解

情感态度与价值观

   通过实验探究、模型类比，培养学生主空间想像力和动手能力，提高学生探究物质结构的兴趣和热情

【重点难点】

   重点和难点：晶体的微观结构

   在对晶体微观结构有了大体认识的基础上，进一步从晶体不同结合类型的角度对晶体的微观结构进行比较深入的讲述，通过丰富的实例、图片、视频等增加知识的直观性，再通过对比加深对知识的理解。

【课时建议】

新授课1课时

【情境设计】

      通过化学上的学习，我们知道金刚石和石墨是碳的同分异构体，金刚石是自然界中最坚硬的物体，常常作为刀具的刀头，可是石墨却非常柔软，常常作为润滑剂。

问题导引：金刚石与石墨为什么在物理性质上有如此大的差异呢？

点拨提示：金刚石与石墨之所以在物理性质上有非常大的差异，主要是结构不同。从金刚石与石墨的差异入手，激发学生学习的热情，为探究晶体的微观结构做好铺垫。

【资料备选】

关于晶体本质的研究

      对于晶体本质的研究很早就开始了，在1611年，开普勒等科学家就开始思考雪花为什么呈六角形。后来，在题为《六角形的雪》的小册子中，他提出了雪是由许多球体紧密堆积而成的。而对晶体的本质最出名的直觉推论却是贾斯特·奥伊作出的。1781年，他在观察一位朋友所收藏的方解石晶体时，不小心把其中较大的一块掉到了地面上。这块晶体沿着很鲜明的一条直线破碎成了碎片，裂面都是平面。他从这次偶然的事件中推断：晶体是由某种构成微粒排列的平行层面堆砌而成的。到了19世纪，结晶学逐渐重视裂面和适用显微镜，他们提出了晶体微观结构的模型：组成晶体的物质微粒，依照一定的规律在空间中排列成整齐的行列。

自主学习与问题发现

【阅读与积累】

阅读课本P28~P32页的内容，梳理知识，完成填空

[问题与思考]

     金刚石和石墨都是由碳原子构成的晶体，但它们的物理性质却存在着极大的差别，你能根据所学知识，简要解释吗?

提示：金刚石晶体与石墨晶体中碳原子的构成结构不同，金刚石晶体中的每一个碳原子周围都有4个碳原子，它们彼此之间距离相等，具有很强的相互作用力，在石墨晶体中每个碳原子与相邻的4个碳原子之间的距离不等，排列成明显的层状结构，每层中的碳原子都排成六边形，且层与层之间的距离较大，碳原子之间的作用力较弱。

合作学习与问题探究

【重点·难点·疑点】

1.晶体的微观结构具有什么特点？

解答：组成晶体的物质微粒（原子、分子或离子）有规则的在空间排成阵列，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。另外，晶体内部各微粒之间还存在着很强的相互作用力，这些作用力就像可以伸缩的弹簧一样将微粒约束在一定的平衡位置上；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。

2.晶体有哪几种结合类型，各有什么特点？

解答：常见的晶体结合类型有离子晶体、原子晶体和金属晶体3种。离子晶体是正、负离子通过离子键结合而成的晶体；原子晶体是相邻的原子之间通过共价键结合而成的晶体；金属晶体是物质微粒通过金属键结合而成的晶体。

3.如何解释晶体与非晶体的宏观特征的差异？

解答：（1）晶体内部物质微粒的排列有一定的规律，在宏观上具有规则的几何外形；而非晶体内部物质微粒的排列没有一定规律，在宏观上没有规则的几何外形。

（2）由于晶体内部物质微粒的排列具有一定的规律，所以在单晶体中沿不同的方向，微粒个数不同，排列方式及物质结构情况不同，所以单晶体在物理性质上表现为各向异性；多晶体内部，物质微粒的排列杂乱无章，从统计意义上看，沿不同方向等长直线上的原子个数大致相等，也就是说，非晶体在不同方向上的微粒排列及物质结构情况基本相同，所以非晶体在物理性质会上表现为各向同性。

思维激活

【新理念典型探究】

题型：对固体微观结构和晶体结合类型的考查

例题1.离子晶体一般硬度虽大，但比较脆，延展性差，为什么？

解答：离子晶体中正负离子交替而有规则的排列，当晶体受外力时，各层离子位置发生错动，而使离子键引力减小，斥力增大，因而易碎。

例题2.已知氯化钠的摩尔质量为μ=5.85×10-2kg/mol，密度为ρ=2.22×103kg/m3，估算两个相邻钠离子的最近距离（要求有一位有效数字）

解答：食盐晶体的结构如图2-2-1所示，分别用黑点和白点表示钠离子和氯离子。由图可知一个离子所占的体积相当于图中一个小立方体的体积，设小立方体的边长为a，则所求距离为。用NA表示阿伏加德罗常数，一个氯化钠分子所占的体积为，一个离子所占体积为V/2，有，可得所求距离为4×10-10m。

思维创新

【综合·探究·实践】

探究课题：用牙签和橡皮泥制做氯化钠晶体模型

提示：为区分氯离子与钠离子选择不同颜色的小球表示。

反思学习与课时测控

【思维误区警示】

【课时标准测控】

1.石墨晶体是：

A.原子晶体                      B.金属晶体

C.分子晶体                      D.前三种晶体的混合型

答案：A

2.关于晶体的空间点阵，下列说法中正确的是：

A.同种物质其空间点阵结构是唯一的

B.晶体有规则的外形是由晶体的空间点阵决定的

C.晶体的各向异性是由晶体的空间点阵决定的

D.组成空间点阵的物质微粒是电子

答案：BC

3.晶体溶解过程中，温度和热量的变化情况是：

A.不吸收热量，温度保持不变

B.吸收热量，温度保持不变

C.吸收热量用来增加晶体的内能

D.温度不变，内能也不变

答案：B

4.晶体外形的规则性可以用物质微粒的               来解释，晶体的各向异性也是由晶体的           决定的。

答案：规则排列；内部结构

5.晶体的多形性是因为有些物质能够生成几种             。如碳原子就可以构成      、

        等不同的形状。

答案：不同的晶体结构；金刚石、石墨

5.利用组成物质的空间点阵的理论解释下列问题：

（1）晶体有规则的几何形状，非晶体没有规则的几何形状

（2）单晶体的各向异性

（3）非晶体的各种物理性质在各方向上都是相同的

答案：晶体外形的有规则和它的各向异性的特点都是由于晶体内部结构有规则的缘故。而非晶体内部的物质微粒的排列是不规则的，由于微粒的数目非常多，各个方向的物理性质就相同了。

第三节  材料科技与人类文明

教材分析与教学建议

【三维目标】

知识与技能

  了解材料科学技术的有关知识及应用

过程与方法

   体会材料科学技术的发展对人类生活和社会发展的影响

情感态度与价值观

   通过了解材料科学技术的应用和发展，培养学生热爱科学、勇于实践的科学品质

【重点难点】

   重点和难点：材料科学的发展和应用

   在教学中，利用图片、视频、网络等课程资源，展示材料科学的发展和应用，激发学生的学习兴趣，并引导学生分组讨论。

【课时建议】

新授课1课时

【情境设计】

    在学习中，我们会用到钢笔、圆珠笔、中性笔、铅笔等，它们造型各异，颜色丰富。

问题导引：你知道各种笔是由什么材料做成的吗？

点拨提示：根据已有的知识和生活经验，大胆猜想，并且可以通过小组讨论得到结论。

【资料备选】

形状记忆合金

人类对于材料的要求是无止境的，不仅要求功能材料种类多，而且希望一种材料尽可能同时具有多种功能，这样可以降低整个结构所占空间，还可以减轻重量。这种多功能材料称为机敏材料（Smart materials）。有人认为，若机敏材料具有生命形式所特有的智能，则这类材料应称为智能材料。目前，关于智能材料还没有确切的被普遍认同的定义。日本T.Takaji博士认为智能材料是能根据所处环境的变化，使自身功能处于最佳状态的材料。我国材料学家师昌绪院士认为，机敏材料就是具有完成感知（Sensing）和驱动（actuating）功能的材料，智能材料是机敏材料再加上控制功能。与这三项功能（感知、驱动、控制）潜在联系的是材料必须同时具有能量转换机制、信息传递机制。这些都涉及到分子、原子尺度上物理、化学性质的变化。

形状记忆合金是智能结构中最早应用的一种驱动元件。它的特点是具有形状记忆效应。具有形状记忆效应的材料在金属、陶瓷和聚合物中都有发现。形状记忆效应产生的主要原因是由于相变。大部分形状记忆合金相变是热弹性马氏体相变。一般称高温相为母相，低温相为马氏体相。热弹性马氏体相变特点是具有可逆性。将母相冷却变成马氏体，然后经塑性变形改变形状，再重新加热，使其发生逆转变，当马氏体完全消失时，样品完全恢复母相形状，这种记忆效应称为单向形状记忆效应,一般无特殊说明，都是指的这种效应，英文缩写为SME。有些合金不但对母相有记忆效应，而且从母相再次冷却成马氏体时，它还回复原马氏体的形状,这种现象为可逆形状记忆效应或双向形状记忆效应。第三种形状记忆效应是在Ti-Ni合金系中发现的。这种Ti-Ni合金在冷热循环过程中,形状可回复到与母相刚好完全相反的形状，这种现象为全方位形状记忆效应。

     已实用化的形状记忆合金是Ni-Ti合金和Cu-Al合金，其中Ni-Ti合金由于有较好的加工性．抗腐蚀性及优良的生物适应性．应用更普遍。形状记忆合金应用范围极广，大致可归纳为六个方面：空间技术、能源、生命工程、电子仪器、机械构件及汽车工业。

    形状记忆合金目前最大的用量是制造管子接头 ，如美国F-14 型战斗机上的油压系统接头，用形状记忆合金制造，无泄漏与破损。具体做法是将低温（马氏体状态）扩张的管接头，套在要连接的二个管子上，让温度上升至室温（母相状态），套管的内径便恢复成原来的大小（比要套管外径稍小），并把二个管子咬紧，实现了管连接。

     在生命工程方面，形状记忆合金也有多种应用，如形状记忆合金棒用于治疗脊柱侧弯。首先将与脊柱形状一致的Ni-Ti合金棒移植到脊柱上 ，然后从体外用高频装置对棒做局部加热，以此进行一点一点地矫正。还可以用来做防肺动脉栓塞症的血凝过滤器，先将Ni-Ti合金称折制成网眼尺寸2mm的筛状过滤器，然后在低温时变形成直线状，通过导入管安置于乾主心脏的大静脉，记忆合金化体温热时恢复成筛网，起到过滤作用。另外还可以做各种支架。　

阅读课本P33~P39页的内容，梳理知识，完成填空

[问题与思考]

       观察我们生活中常用的器具中那些属于金属材料、那些属于无机陶瓷材料或有机高分子材料？有没有新型材料？

提示：根据各种材料的特点，仔细观察生活中的器具，得出结论。

合作学习与问题探究

【重点·难点·疑点】

1.金属材料包括哪几种？

解答：金属材料一般包括金属和合金。常见的金属有铁、铜、铝、锡、镍、金、银、铅等。通常使用的金属材料大多是合金。合金是用两种或两种以上的金属或用金属与非金属结合而成，且具有了金属特性的材料。

2.无机非金属材料包括哪几种？

解答：无机非金属材料主要是陶瓷和玻璃等。陶瓷是黏土经高温加热制成的。

3.有机高分子材料有何特点？

解答：有机高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硅等元素的有机化合物构成的材料，它们的相对分子质量较大。常见的高分子材料的相对分子质量的数量级在102～106之间。天然高分子材料有木材、棉花、羊毛、甲壳等。人工高分子材料包括塑料、合成橡胶、合成纤维、脚黏剂和涂料等。其中，被称为现代高分子三大材料的塑胶、合成纤维和合成橡胶，已经成为生产和生活中必不可少的重要材料。

4.什么是复合材料？复合材料有何特点？

解答：复合材料是由金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原组成材料的主要优点，又能通过复合效应获得原组合成分不具备的性能，还可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能。

5.什么是材料科学？

解答：材料科学是研究材料的制造、结构与性能三者之间相互关系的科学。

思维激活

【新理念典型探究】

【综合·探究·实践】

探究课题：调查形状记忆合金还有哪些应用实例

提示：充分利用网络、报刊、杂志等查询资料。

反思学习与课时测控

【思维误区警示】

【课时标准测控】

综合提升与自主评价

【单元知识框图】

【单元题型研究】

【单元标准测控】时间10min，满分50分

1.晶体的各向异性指的是晶体：

A.仅机械强度与取向有关          B.仅导热性能与取向有关

C.仅导电性能与取向有关          D.各种物理性质都与取向有关

答案：D

点拨：晶体的宏观物理性质表现为各向异性，包括导热、导电、强度等。

2.下列固体中全是有晶体组成的是：

A.石英、云母、明矾、食盐、雪花、铜

B.石英、玻璃、云母、铜

C.食盐、雪花、云母、硫酸铜、松香

D.蜂蜡、松香、橡胶、沥青

答案：A

点拨：略

3.某物体表现出各向异性是由于组成物体的物质微粒：

A.在空间的排列不规则             B.在空间按一定的规则排列

C.数目较多的缘故                 D.数目较少的缘故

答案：B

点拨：单晶体表现为各向异性，原因就是构成单晶体的物质微粒在空间按一定的规则排列，在不同方向上物质微粒的数目不同造成的。

4.物体导电性和导热性具有各向异性的特征，可作为：

A.晶体和非晶体的区别        B.单晶体和多晶体的区别

C.电的良导体和电的不良导体的区别

D.热的良导体和热的不良导体的区别

答案：B

点拨：略

5.下列关于晶体和非晶体性质的说法中正确的是：

A.凡是晶体，其物理性质一定表现为各向异性

B.凡是非晶体，其物理性质一定表现为各向同性

C.物理性质表现为各向异性的物体，一定是晶体

D.物理性质表现为各向同性的物体，一定是非晶体

答案：B

点拨：晶体包括单晶体和多晶体，单晶体表现为各向异性，多晶体表现为各向同性，非晶体表现为各向同性。