高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第二章 气体、固体和液体4 固体学案设计

4　固体

[学习目标]　1.知道晶体和非晶体的特点及区分方法.2.知道单晶体和多晶体的区别.3.了解晶体的微观结构．

一、晶体和非晶体

1．固体可以分为晶体和非晶体两类．晶体又可以分为单晶体与多晶体．

2．石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、味精等是晶体，玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是非晶体．

3．非晶体

(1)没有(填“有”或“没有”)规则的外形．

(2)物理性质：①没有(填“有”或“没有”)确定的熔化温度；

②导电、导热、光学等物理性质表现为各向同性(填“异性”或“同性”)．

4．晶体

(1)单晶体：①有(填“有”或“没有”)天然的、规则的几何形状

②a.有(填“有”或“没有”)确定的熔点；

b．导电、导热、光学等某些物理性质表现为各向异性(填“异性”或“同性”)．

(2)多晶体：①没有(填“有”或“没有”)规则的几何形状

②a.有(填“有”或“没有”)确定的熔点；

b．导电、导热、光学等物理性质表现为各向同性(填“异性”或“同性”)

二、晶体的微观结构

1．在各种晶体中，原子(或分子、离子)都是按照一定的规则排列的，具有空间上的周期性．

2．有的物质在不同条件下能够生成不同的晶体．那是因为组成它们的微粒能够按照不同规则在空间分布，例如碳原子按不同的空间分布排列可形成石墨和金刚石．

3．同一种物质也可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现．有些非晶体在一定条件下也可以转化为晶体．

1．判断下列说法的正误．

(1)所有晶体都具有天然、规则的几何外形．(　×　)

(2)没有确定的熔化温度的固体一定是非晶体．(　√　)

(3)物理性质表现为各向同性的一定是非晶体．(　×　)

(4)同一种物质只能形成一种晶体．(　×　)

(5)有些非晶体在一定条件下可以转化为晶体．(　√　)

2．某球形固体物质，其各向导热性能不相同，则该物体一定是________．

答案　单晶体

一、晶体和非晶体

导学探究

(1)如图1甲所示是日常生活中常见的几种晶体，图乙是生活中常见的几种非晶体，请在图片基础上思考以下问题：

图1

①晶体与非晶体在外观上有什么不同？

②没有规则几何外形的固体一定是非晶体吗？

(2)在玻璃片和云母片上分别涂上一层很薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触玻璃片及云母片的另一面，石蜡熔化，如图2所示，那么你看到的现象及得出的结论是什么？

图2

答案　(1)①单晶体有规则的几何外形，多晶体和非晶体无规则的几何外形．

②不是．由于多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体也没有规则的几何外形．

(2)玻璃片上石蜡的熔化区呈圆形，说明玻璃沿各个方向的导热性能相同．云母片上石蜡的熔化区呈椭圆形，说明云母沿不同方向的导热性能不相同．

知识深化

1．单晶体、多晶体及非晶体的比较

2.对单晶体的各向异性的理解

(1)单晶体的各向异性是指单晶体在不同方向上的物理性质不同，也就是沿不同方向去测试单晶体的物理性质时，测试结果不同．

通常所说的物理性质包括弹性、硬度、导热性能、导电性能、磁性等．

(2)单晶体具有各向异性，并不是说每一种单晶体都能在各种物理性质上表现出各向异性，举例如下：

①云母晶体在导热性能上表现出显著的各向异性——沿不同方向传热的快慢不同．

②方铅矿石晶体在导电性能上表现出显著的各向异性——沿不同方向电阻率不同．

③立方体形的铜晶体在弹性上表现出显著的各向异性——沿不同方向的弹性不同．

④方解石晶体在光的折射上表现出各向异性——沿不同方向的折射率不同．

(2021·江苏常州高二期中)2020年，“嫦娥五号”探测器胜利完成月球采样任务并返回地球．探测器上装有用石英制成的传感器，其受压时表面会产生大小相等、符号相反的电荷，即“压电效应”．如图3所示，石英晶体沿垂直于x轴晶面上的压电效应最显著．石英晶体(　　)

图3

A．没有确定的熔点

B．具有各向同性的压电效应

C．没有确定的几何形状

D．是单晶体

答案　D

解析　晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点，石英是单晶体，有确定的熔点，有确定的几何形状，A、C错误，D正确；沿垂直于x轴晶面上的压电效应最显著，其他方向不明显，故具有各向异性的压电效应，B错误．

判断晶体与非晶体、单晶体与多晶体的方法

1．区分晶体与非晶体的方法：看其有无确定的熔点，晶体具有确定的熔点，而非晶体没有确定的熔化温度．仅从各向同性或者几何形状不能判断某一固体是晶体还是非晶体．

2．区分单晶体和多晶体的方法：看其是否具有各向异性，单晶体某些物理性质表现出各向异性，而多晶体表现出各向同性．

(2020·广州市培正中学高二月考)在甲、乙、丙三种固体薄片上涂上蜡，用烧热的针接触其背面一点，蜡熔化的范围如图4(a)所示，而甲、乙、丙三种固体在熔化过程中温度随加热时间变化的关系图像如图(b)所示，则(　　)

图4

A．甲、乙是非晶体，丙是晶体

B．甲、丙是晶体，乙是非晶体

C．甲、丙是非晶体，乙是晶体

D．甲是非晶体，乙是多晶体，丙是单晶体

答案　B

解析　由题图(b)知，甲、丙有确定的熔点，乙没有确定的熔化温度，所以甲、丙是晶体，乙是非晶体，由题图(a)知，甲、乙的导热性能呈各向同性，丙的导热性能呈各向异性，所以丙是单晶体，B正确．

二、晶体的微观结构

导学探究

(1)单晶体具有规则的几何外形，物理性质方面表现为各向异性，而非晶体没有规则的几何外形，并且物理性质方面表现为各向同性．产生这些不同的根本原因是什么呢？

(2)金刚石和石墨都是由碳原子构成的，但它们在硬度上差别很大，这说明什么问题？

答案　(1)它们的微观结构不同．

(2)金刚石是网状结构，原子间的作用力强，所以金刚石的硬度大．石墨是层状结构，层与层间距离较大，原子间的作用力较弱，所以石墨的硬度小．这说明组成物质的微粒按照不同的规则在空间分布会形成不同的晶体．

知识深化

对晶体的微观解释

(1)对单晶体各向异性的解释

图5

图5为在一个平面上单晶体物质微粒的排列情况．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．因为在不同方向上物质微粒的排列情况不同，才引起单晶体在不同方向上物理性质的不同．

(2)对晶体具有确定熔点的解释

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．

下列叙述中错误的是(　　)

A．晶体的各向异性是由于它的微粒是按各自的规则排列着的

B．单晶体具有规则的几何外形是由于它的微粒按一定规律排列

C．非晶体的内部微粒是无规则排列的

D．石墨的硬度与金刚石差很多，是由于它的微粒没有按空间点阵分布

答案　D

解析　晶体内部微粒排列的空间结构决定着晶体的物理性质不同；也正是由于它的微粒按一定规律排列，使单晶体具有规则的几何外形，选项A、B正确；非晶体的内部微粒是无规则排列的，选项C正确；石墨与金刚石的硬度相差甚远是由于它们内部微粒的排列结构不同，石墨的层状结构决定了它的质地松软，而金刚石的网状结构决定了其中碳原子间的作用力很强，所以金刚石有很大的硬度，选项D错误．

(2021·安徽芜湖高二期中)关于石墨和金刚石的区别，下面说法正确的是(　　)

A．石墨和金刚石是同种物质微粒组成的空间结构相同的晶体

B．金刚石晶体结构紧密，所以质地坚硬，石墨晶体是层状结构，所以质地松软

C．石墨与金刚石是不同的物质微粒组成的不同晶体

D．石墨导电、金刚石不导电是由于组成它们的化学元素不同

答案　B

解析　石墨和金刚石是碳的同素异形体，其化学性质相同．它们的分子的空间结构不同，石墨中的碳原子排列为层状结构，层与层间距离很大，所以其质地松软；金刚石中的碳原子排列紧密，相互间作用力很强，所以其质地坚硬，故选项B正确．

1．(晶体和非晶体)(2020·盐城市伍佑中学高二月考)关于晶体和非晶体，下列说法正确的是(　　)

A．可以根据各向同性或各向异性来鉴别晶体和非晶体

B．一块均匀薄片，沿各个方向对它施加拉力，发现其强度一样，则此薄片一定是非晶体

C．一个固体球，如果沿其各条直径方向的导电性能不同，则该球一定是单晶体

D．一块晶体，若其各个方向的导热性能相同，则一定是单晶体

答案　C

解析　物理性质表现为各向同性的可以是多晶体，也可以是非晶体，故不能根据各向异性或各向同性来鉴别晶体和非晶体，故A错误；沿各个方向对一块均匀薄片施加拉力，发现其强度一样，表现出各向同性，可能是非晶体，也可能是多晶体，故B错误；一个固体球，如果沿其各条直径方向的导电性能不同，即具有各向异性，则该球一定是单晶体，故C正确；一块晶体，若其各个方向的导热性能相同，表现出各向同性，可能是多晶体，故D错误．

2．(晶体和非晶体)(2020·江苏苏州高二期中)某实验小组想测试两种材料的导电性能，他们将这两种材料加工成厚度均匀、横截面为正方形的几何体，分别如图6甲、乙所示，经测试发现，材料甲沿ab、cd两个方向的电阻相等，材料乙沿ef方向的电阻大于沿gh方向的电阻，关于这两种材料，下列说法中正确的是(　　)

图6

A．材料甲一定是晶体

B．材料甲一定是非晶体

C．材料乙一定是单晶体

D．材料乙一定是多晶体

答案　C

解析　测试发现，材料甲沿ab、cd两个方向的电阻相等，材料乙沿ef方向的电阻大于沿gh方向的电阻，说明了甲具有各向同性，而乙具有各向异性，单晶体的物理性质是各向异性的，所以乙一定是单晶体，而多晶体和非晶体是各向同性的，材料甲可能是多晶体，也可能是非晶体，故选C.

3．(晶体的微观结构)(2020·江苏省镇江中学高二月考)下列说法错误的是(　　)

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

答案　A

解析　将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒还是晶体，A错误，符合题意；固体可以分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同方向上表现出各向异性，具有不同的光学性质，B正确，不符合题意；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，例如石墨和金刚石，C正确，不符合题意；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，例如天然石英是晶体，熔融后的石英却是非晶体；把晶体硫加热熔化，倒入冷水中，会变成柔软的非晶体硫，再经一些时间又会转变成晶体硫，D正确，不符合题意．

4．(晶体的微观结构)(2020·江苏淮安高二期中)关于晶体与非晶体，下列说法不正确的是(　　)

A．食盐熔化过程中，温度保持不变，说明食盐是晶体

B．金银铜铁等金属容易加工成各种形状，所以金属不是晶体

C．天然石英表现为各向异性，是由于该物质的微粒在空间有规则地排列

D．石墨和金刚石的物理性质不同，是由于组成它们的物质微粒排列结构不同

答案　B

解析　食盐熔化过程中，温度保持不变，说明食盐是晶体，选项A正确，不符合题意；金银铜铁等金属容易加工成各种形状，没有固定的天然外形，金属是多晶体，选项B错误，符合题意；天然石英表现为各向异性，是由于该物质的微粒在空间有规则地排列，选项C正确，不符合题意；石墨和金刚石的物理性质不同，是由于组成它们的物质微粒排列结构不同，选项D正确，不符合题意.

考点一　晶体和非晶体

1．在P、Q两块不同材料的薄片上均匀涂上一层石蜡，然后用灼热的金属针尖点在薄片的另一侧面，结果熔化区域得到如图1所示的两种图样，则(　　)

图1

A．P、Q薄片一定都是晶体

B．P、Q薄片一定都是非晶体

C．P薄片可能是非晶体，Q薄片一定是单晶体

D．P薄片一定是晶体，Q薄片可能是非晶体

答案　C

解析　单晶体是各向异性的，熔化在单晶体表面的石蜡是椭圆形．非晶体和多晶体是各向同性，则熔化在表面的石蜡是圆形，所以P薄片可能是非晶体，Q薄片一定是单晶体，故C正确．

2．关于晶体和非晶体，下列说法正确的是(　　)

A．有规则的几何外形的固体一定是晶体

B．晶体在物理性质上一定是各向异性的

C．晶体熔化时具有一定的熔点，所以晶体熔化时内能不变

D．晶体和非晶体在适当的条件下是可以相互转化的

答案　D

解析　单晶体一定有规则的几何形状，而多晶体与非晶体没有天然的规则的几何形状，故A错误；晶体分为单晶体和多晶体，单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性，故B错误；晶体具有确定的熔点，晶体熔化时，温度不变，但由于吸热，内能会变，故C错误；在一定条件下，晶体可以转化为非晶体，非晶体也可以转化为晶体，故D正确．

3.(2021·江苏省扬州中学高二月考)固体M、N在一定压强下的熔化曲线如图2所示，则(　　)

图2

A．固体M有可能是玻璃、橡胶

B．固体M的bc段表示固液共存状态

C．固体N的分子(或原子、离子)排列一定有规则

D．固体N的物理性质可能是各向异性的

答案　B

解析　晶体是在固定的温度下熔化为液体，而非晶体是随着温度的升高逐渐由硬变软，最后变成液体．那么bc段表示晶体的固液共存状态，而玻璃、橡胶是非晶体，没有固定的熔点，A错误，B正确．曲线N是非晶体在一定压强下的熔化过程，所以非晶体的分子(或原子、离子)排列没有规则，非晶体的物理性质可能是各向同性，C、D错误．

考点二　晶体的微观结构

4．石墨和金刚石性质有很大差异，是由于(　　)

A．石墨是各向异性的，而金刚石是各向同性的

B．它们的化学成分不同

C．它们都是各向同性的

D．组成它们的物质微粒按不同的规则排列

答案　D

解析　物质的物理性质由物质微粒的微观结构决定，故D选项正确．

5．(2021·苏州市苏州高新区第一中学高二月考)有关晶体的排列结构，下列说法正确的有(　　)

A．同种元素原子按不同结构排列有相同的物理性质

B．同种元素原子按相同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

答案　D

解析　原子排列结构不同，同种元素可以按照不同规则排列；即具有不同的空间点阵，物理性质不同，如石墨和金刚石的密度、机械强度、导热性、导电性、光学性质等都有很大的区别，故D正确．

6.晶体内部的分子有序排列为如图3所示的空间点阵(图中的小黑点表示晶体分子)，图中AB、AC、AD为等长的三条线段．下列说法正确的是(　　)

图3

A．A处的晶体分子可以沿三条线方向发生定向移动

B．三条线段上晶体分子的数目相同，表明晶体的物理性质是各向同性的

C．三条线段上晶体分子的数目不同，表明晶体的物理性质是各向异性的

D．以上说法均不正确

答案　C

解析　晶体中的分子只在平衡位置附近振动，不会沿三条线方向发生定向移动，故A错误；三条线段上晶体分子的数目不同，表明晶体的物理性质是各向异性的，故B、D错误，C正确．

7．有关晶体与非晶体的说法正确的是(　　)

A．天然水晶熔化后再凝固形成的水晶仍然是晶体

B．晶体沿不同方向的光学性质一定是各向异性

C．多晶体是由许多单晶体组合而成的，所以有确定的几何形状

D．石墨和金刚石的物理性质不同，是由于其物质微粒排列结构不同

答案　D

解析　石英也叫天然水晶，但天然水晶在熔化再凝固后叫人造水晶，人造水晶不是晶体，故A错误；单晶体沿不同方向的光学性质是各向异性，多晶体为各向同性，故B错误；多晶体是由许许多多的细小的晶体(单晶体)无规则集合而成，没有天然的规则的几何形状，故C错误；石墨和金刚石的物理性质不同，是由于其物质微粒排列结构不同，故D正确．

8.一块厚度和密度都均匀分布的长方体被测样品，长AB是宽AD的两倍，如图4所示．如果用多用电表的欧姆挡沿两个对称轴O1O1′和O2O2′方向测量，结果阻值均为R，则这块样品可能是(　　)

图4

A．单晶体   B．多晶体

C．非晶体   D．普通金属

答案　A

解析　用多用电表的欧姆挡沿两个对称轴O1O1′、O2O2′方向测量结果均相同，说明该样品沿O1O1′和O2O2′方向电阻率(即导电性能)不同，即物理性质表现为各向异性，A正确，B、C错误．如果是普通金属，可以分析出沿O1O1′方向电阻比较大，D错误．

9．有一块长方形的铜条，有关它的三种说法：①这是一块单晶体，因为它有规则的几何形状；②这是一块多晶体，因为它内部的分子排列是不规则的；③这是一块非晶体，因为它的物理性质表现为各向同性．这三种说法中(　　)

A．①②是错的   B．②③是错的

C．①③是错的   D．都是错的

答案　D

解析　铜条虽具有规则的几何形状，但它是多晶体，它的内部分子排列是规则的，但构成多晶体的单晶体颗粒的排列是不规则的，所以D正确．

10．(2020·江苏省新丰中学高二期中)下列关于固体的说法中，正确的是(　　)

A．晶体熔化时，温度不变，但内能变化

B．单晶体一定是单质，有确定的几何形状，有确定的熔点

C．多晶体没有确定的几何形状，也没有确定的熔点

D．晶体都是各向异性的，而非晶体都是各向同性的

答案　A

解析　晶体熔化时，其温度虽然不变，但其内部结构可能发生变化，其吸收的热量转化为分子的势能，内能增大，故A正确；单晶体不一定是单质，故B错误；多晶体没有确定的几何形状，但有确定的熔点，故C错误；单晶体表现为各向异性，但多晶体表现为各向同性，故D错误．

11．(2021·江苏省响水中学高二期末)关于晶体和非晶体，下列说法中正确的是(　　)

A．凡是晶体，都具有确定的几何外形

B．晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点

C．晶体内部的物质微粒是静止的，而非晶体内部的物质微粒是不停地运动着的

D．具有各向同性的物质一定是多晶体

答案　B

解析　多晶体没有确定的几何外形，所以A错误；晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点，所以B正确；晶体、非晶体内部的物质微粒都是不停地运动着的，所以C错误；多晶体与非晶体都具有各向同性，所以D错误．

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像，从而可以研究物质的构成规律．如图5所示的照片是一些晶体材料表面的STM图像，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：

图5

(1)________________________________________________________________________；

(2)________________________________________________________________________．

答案　(1)在确定方向上原子有规律地排列，在不同方向上原子的排列规律一般不同　(2)原子排列具有一定的对称性

解析　从题图中可以看出，这几种材料的原子排列均有一定的规则，因此是晶体，具有晶体的特点.