高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 固体导学案及答案

第4节固体

自主学习·必备知识

教材研习

教材原句

要点一各向同性和各向异性

有些晶体沿不同方向的导热性能或导电性能不同，有些晶体沿不同方向的光学性质不同，这类现象叫作各向异性①。非晶体沿各个方向的物理性质都是一样的，这叫作各向同性②。由于多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体是各向同性的。

要点二晶体的微观结构

在各种晶体中，原子(或分子、离子)都是按照一定的规则③排列的，具有空间上的周期性。在不同条件下，同种物质的微粒按照不同规则④在空间排列，可以生成不同的晶体。

自主思考

①晶体在各种物理性质上一定是各向异性的，这种说法对吗？

答案：提示不对，单晶体在物理性质上表现为各向异性，多晶体在物理性质上就表现为各向同性。

②具有各向同性的一定是非晶体吗？

答案：提示不一定，具有各向异性的一定是单晶体，具有各向同性的则可能是非晶体或多晶体。

③为什么晶体有规则的几何外形？

答案：提示由于晶体中的物质微粒在空间是按一定规则排列的，微粒只在一定平衡位置做微小振动，所以晶体有规则的几何外形。

④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，这是为什么？

答案：提示是由于它的微粒按照不同规则在空间排列分布。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，原子间的作用力弱，所以石墨的硬度小。

名师点睛

1.各向异性的理解

（1）在物理性质上,单晶体具有各向异性,而非晶体及多晶体则是各向同性的。

（2）通常所说的物理性质包括弹性、硬度、导热性能、导电性能、光的折射性能等。

2.晶体的微观结构

（1）组成晶体的物质微粒有规则地在空间排列,呈现空间上的周期性。

（2）晶体内部各微粒之间存在很强的相互作用力,结构不同、作用力的大小也不同,微粒被相互的作用力约束在一定的位置上。

（3）微粒在各自的平衡位置附近做微小的振动。当外界干扰强烈或温度变化时,晶体结构发生变化,排列周期性被破坏,晶体可以转化为非晶体，非晶体也可以转化为晶体。

互动探究·关键能力

见学用154页

探究点一晶体和非晶体

情境探究

1.如图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：

（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？

答案：（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，所以多晶体也没有确定的几何外形。

2.把熔化了的蜂蜡薄薄地涂在薄玻璃片上。把一支缝衣针烧热，然后用针尖接触蜂蜡层的背面，不要移动，观察蜂蜡熔化区域的形状（如图甲所示）。把玻璃片换成单层云母片，再做以上实验（如图乙所示）。在玻璃片上和云母片上，蜂蜡熔化区域形状的不同说明了什么？

答案：玻璃是非晶体，表现为各向同性，因此各个方向上导热均匀，蜂蜡熔化区域形状为圆形；云母片为单晶体，表现为各向异性，因此不同方向上导热性能不一样，最终蜂蜡熔化区域为椭圆形。

探究归纳

1.单晶体的特征

（1）具有天然的规则外形，这种规则的外形不是人工造成的。

（2）物理性质各向异性，这是单晶体区别于非晶体和多晶体最重要的特性，是判断物质是否为单晶体最主要的依据。

（3）具有确定的熔点，单晶体在这一点上和多晶体没有区别。从宏观上区分晶体和非晶体的重要依据是看有无确定的熔点。

2.多晶体和非晶体

（1）多晶体虽无天然规则的几何形状，物理性质各向同性，但组成多晶体的晶粒都有规则的几何形状，每一个晶粒都具有单晶体的特征和物理性质，这是多晶体和非晶体在内部结构上的区别。

（2）多晶体与非晶体在宏观上的区别在于多晶体具有确定的熔点，非晶体则没有，例如很多同学认为玻璃应是多晶体，但实验证明玻璃没有确定的熔点，故应是非晶体。

3.正确理解单晶体的各向异性

（1）在物理性质上，单晶体具有各向异性。

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。

（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、石膏晶体在导热性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性能上表现出各向异性——沿不同方向的折射率不同。

探究应用

例（2021河北唐山第十一中学高三开学考试）辨别物质是晶体还是非晶体，比较可靠的方法是(      )

A.从外形来判断

B.从各向异性或各向同性来判断

C.从导电性能来判断

D.从是否具有确定的熔点来判断

答案：

解析：单晶体有整齐规则的几何外形，多晶体和非晶体没有规则的外形，所以不能区分，故错误；单晶体具有各向异性，多晶体和非晶体具有各向同性,所以不能区分，故错误；单晶体，导电性好，多晶体、非晶体导电性都较差，所以不能区分，故错误；不管是单晶体还是多晶体都有固定的熔点，而非晶体没有固定的熔点，所以能区分，故正确。

解题感悟

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点，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，单晶体表现出各向异性，而多晶体表现出各向同性。

迁移应用

1.如图所示，是一块厚度均匀的由同一种微粒构成的圆板，和是互相垂直的两条直径，把圆板从图示位置转后电流表示数发生了变化（两种情况下都接触良好），关于圆板，下列说法正确的是(      )

A.圆板是非晶体

B.圆板是多晶体

C.圆板是单晶体

D.不知有无固定熔点,无法判定是晶体还是非晶体

答案：

解析：电流表示数发生变化，说明圆板沿和两个方向的导电性能不同，即各向异性，所以圆板是单晶体。

探究点二晶体的微观结构

情境探究

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，而非晶体却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？

答案：因为它们的微观结构不同。

探究归纳

1.晶体的微观结构

（1）晶体内部的微粒是按各自的规则排列着的，具有空间上的周期性。如图所示是食盐晶体中氯离子和钠离子分布的示意图。

（2）同种元素的微粒能够按照不同规则在空间分布形成不同的物质。例如，碳原子如果按图甲那样排列，就成为石墨，而按图乙那样排列，就成为金刚石。

（3）原子（或者分子、离子）并不是像结构图上所画的那些点一样静止不动，它们时刻都在不停地振动，结构图中所画的那些点，是它们振动的平衡位置。

（4）同种物质也可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现，也就是说，物质是晶体还是非晶体，并不是绝对的。例如，天然石英是晶体，而熔化以后再凝固的水晶（即石英玻璃）就是非晶体。有些非晶体在一定条件下也可以转化为晶体。

2.晶体与非晶体区别的微观解释

（1）各向异性：如图所示，这是在一个平面上晶体物质微粒的排列情况。从图中可以看出，在沿不同方向所画的等长直线、、上物质微粒的数目不同。直线上物质微粒较多，直线上较少，直线上更少。正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）熔点：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。

3.单晶体、多晶体及非晶体的比较

探究应用

例（多选）晶体不同于非晶体，它具有规则的几何外形，在不同方向上物理性质不同，而且具有确定的熔点，下列哪些说法可以用来解释晶体的上述特性(      )

A.组成晶体的物质微粒，在空间按一定的规律排成整齐的行列，构成特定的空间点阵

B.晶体在不同方向上物理性质不同，是因为不同方向上微粒数目不同，微粒间距不同

C.晶体在不同方向上物理性质不同，是因为不同方向上的物质微粒的性质不同

D.晶体在熔化时吸收的热量，全部用来瓦解晶体的空间点阵，转化为分子势能，因此，晶体在熔化过程中保持一定的温度不变，只有空间点阵完全被瓦解，晶体完全变为液体后，继续加热，温度才会升高

答案： ; ;

解析：很多晶体都是由相同的物质微粒组成的，例如，金刚石和石墨都是由碳原子组成的，不同方向上物质微粒完全一样，可见其各向异性不是由不同方向上的粒子性质不同引起的，而是粒子的数目和粒子间距不相同造成的，故项错误，、、三项正确。

解题感悟

晶体各向异性的原因

（1）单晶体的物理性质取决于其微观结构，单晶体的物质微粒按照一定的规则在空间中整齐地排列着，有规则的几何外形，在物理性质上表现为各向异性。

（2）多晶体是由许许多多晶粒组成的，晶粒在多晶体里杂乱无章地排列着，无规则的几何外形，多晶体在物理性质上表现为各向同性。

迁移应用

1.（多选）2010年诺贝尔物理学奖授予安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。他们通过透明胶带对石墨进行反复粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐减小，最终寻找到了厚度只有的石墨烯，是碳的二维结构。如图所示为石墨、石墨烯的微观结构，根据以上信息和已学知识判断，下列说法中正确的是(      )

A.石墨是晶体，石墨烯是非晶体

B.石墨是单质，石墨烯是化合物

C.石墨、石墨烯与金刚石都是晶体

D.他们是通过物理变化的方法获得石墨烯的

答案： ;

解析：晶体结构的特点是原子（或分子、离子）都是按照一定的规则排列的，石墨、石墨烯与金刚石都是晶体；通过透明胶带对石墨进行反复粘贴与撕开而得到石墨烯的方法是物理方法。