魯科版物理選修3-3新素養(yǎng)講義第2章第2節(jié)固體的微觀結構第3節(jié)材料科技與人類文明Word版含答案

第2節(jié)固體的微觀結構第3節(jié)材料科技與人類文明1.知道晶體的結構類型及特點．(重點)2.理解晶體與非晶體差異的原因．3．應用固體的微觀結構解釋固體特征．(難點)一、晶體的結構1．組成晶體的物質微粒有規(guī)則地在空間排成陣列，呈現周而復始的有序結構，說明晶體的微觀結構具有周期性特點．2．晶體內部各微粒之間存在著很強的相互作用力，微粒被約束在一定的平衡位置上．3．熱運動時，這些微粒只能在各自的平衡位置附近做微小振動．1．晶體為什么有規(guī)則的幾何外形？提示：由于晶體中的物質微粒在空間是按一定規(guī)律排列的，微粒只在一定平衡位置做微小振動，所以晶體有規(guī)則的幾何外形．二、晶體的結合類型比較項目類型構成微粒結合鍵舉例離子晶體正、負離子離子鍵NaCl、AgBr原子晶體原子共價鍵SiO2、碳、鍺金屬晶體物質微粒金屬鍵銅、銀、鋁三、固體特征的微觀解釋1．方法：在固體界面沿不同方向畫出等長直線．2．微觀解釋(1)單晶體在沿不同方向的等長直線上微粒的個數不相等，說明沿不同方向微粒的排列及物質結構情況不同，所以單晶體在物理性質上表觀為各向異性．(2)非晶體在沿不同方向的等長直線上微粒的個數大致相等，說明沿不同方向微粒排列及物質結構情況基本相同，在物理性質上表現為各向同性．3．同一種物質微粒在不同的條件下有可能形成不同的晶體，雖然構成這些晶體的物質微粒都相同，但是由于它們的排列形式不同，物理性質也不同．四、材料及分類1．分類(1)按材料特性分為：結構材料和功能材料．(2)按應用領域分為：信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等．(3)按習慣分為：金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料．2．新材料(1)發(fā)生形變后幾乎能100%恢復原狀的材料稱為形狀記憶合金．(2)微電子材料：半導體．(3)力、熱、聲、光、磁等方面的某些性能會發(fā)生突變的納米材料．(4)材料、信息、能源被當今國際社會公認為現代文明的三大支柱．2．家庭、或機關的門鎖常用“碰鎖”，然而使用一段時間后，鎖舌就會變澀而不易被碰，造成鎖門困難，這時，你可以用鉛筆在鎖舌上研磨幾下，“碰鎖”便開關自如了，而且可以維持幾個月之久，你知道其中的道理嗎？提示：因為鉛筆中含有石墨成分，利用的是石墨的潤滑作用，石墨具有層狀結構，層與層之間容易脫落，因而起到潤滑作用．微觀結構理論對固體特征的解釋一、晶體的微觀結構1．猜想：早在17世紀，就有許多研究者提出這樣一種觀點：在晶體內部，組成晶體的物質微粒應該是規(guī)則排列的．2．實驗證實：1912年，德國物理學家勞厄用X射線來探測固體內部的原子排列，證實了晶體內部的物質微粒的確是按一定的規(guī)律整齊地排列起來的．3．結構特點(1)晶體的微觀結構具有周期性．(2)內部微粒間存在著很強的作用力．(3)微粒只在各自的平衡位置附近做微小振動．4．晶體的結構類型(1)概念：由正、負離子通過離子鍵結合而成的晶體叫做離子晶體．相鄰原子之間通過共價鍵結合而成的晶體叫做原子晶體．物質微粒通過金屬鍵結合而成的晶體叫做金屬晶體．(2)常見的各種晶體離子晶體：NaCl晶體(空間正方體結構)，AgBr，PbS，MgO晶體等．原子晶體：SiO2(正四面體結構)、碳(金剛石)、鍺、錫晶體等．金屬晶體：銅晶體(立方體)、銀、鋁、鎳和金等．組成晶體的物質微粒(分子、原子或離子)，依照一定的規(guī)律在空間中整齊地排列，物質微粒之間的相互作用力很強，微粒的熱運動不足以克服它們的相互作用力，微粒的熱運動表現為在一定的平衡位置附近不停地做微小的振動．二、固體特征的微觀解釋1．幾何外形解釋單晶體內部物質微粒的排列有一定的規(guī)律，在宏觀上就具有規(guī)則的天然幾何外形；而非晶體內部物質微粒(或多晶體內的小晶粒)的排列沒有一定規(guī)律，表現為雜亂無章，因此在宏觀上沒有規(guī)則的天然幾何外形．2．物理性質解釋在單晶體內部，沿不同方向的等長直線上，微粒個數通常是不相等的，這說明單晶體在不同方向上的微粒排列及物質結構情況是不一樣的，故單晶體在物理性質上表現為各向異性；在非晶體內部物質微粒(或多晶體內的小晶粒)的排列是雜亂無章的，從統(tǒng)計觀點來看，沿不同方向的等長直線上，微粒(或晶粒)個數大致相同，非晶體(或多晶體)在不同方向上的微粒(或晶粒)排列及物質結構情況基本相同，故非晶體(或多晶體)在物理性質上表現為各向同性．單晶體在沿不同的方向上，物質微粒的數目不同，即在不同方向上物質微粒的排列情況不同，從而引起單晶體在不同方向上的物理性質不同．有些物質在不同條件下生成不同的晶體，那是因為組成它們的微粒能夠按照不同的規(guī)則在空間分布．例如：金剛石和石墨都是由碳元素構成的，它們有不同的點陣結構．三、對晶體熔點的解釋給晶體加熱到一定溫度時，一部分微粒有足夠的動能克服微粒間的作用力，離開平衡位置，使規(guī)則的排列被破壞．晶體開始熔解，熔解時晶體吸收的熱量全部用來破壞規(guī)則的排列，溫度不發(fā)生變化．晶體的溫度升高時，組成晶體的物質微粒運動加劇，當熱運動達到足以破壞其空間排列的規(guī)律性時，晶體開始熔化，要破壞物質微粒空間排列的規(guī)律性就需要克服微粒的強大作用力做功，因為在晶體尚未全部熔化之前，吸收的熱量全部用來破壞其空間排列的規(guī)律性，所以晶體融化時有確定的熔點，雖然在熔化過程中不斷地吸收熱量，但溫度并不升高，如果晶體全部熔化后仍吸收熱量，溫度將由熔點繼續(xù)升高．下列敘述中正確的是()A．單晶體的各向異性是由于它的內部微粒的排列是雜亂無章的B．單晶體具有規(guī)則的幾何外形是由于它的內部微粒按一定規(guī)律排列C．非晶體有規(guī)則的幾何形狀和固定的熔點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結構分布[思路點撥]從晶體的微觀結構去分析，弄清晶體、非晶體的不同．[解析]單晶體的各向異性是由于在不同方向上，單晶體內部物質微粒的排列情況不同導致的，非晶體內部物質微粒的排列沒有一定規(guī)律，雜亂無章，故它沒有規(guī)則的幾何形狀，也沒有固定的熔點，金剛石與石墨物理性質差別很大，是由于內部微粒的排列組合結構不同造成的．故A、C、D均不對，B選項正確．[答案]B1.(多選)下列說法正確的是()A．將一塊晶體敲碎后，得到的小顆粒是非晶體B．固體可以分為晶體和非晶體兩類，有些晶體在不同方向上有不同的光學性質C．由同種元素構成的固體，可能會由于原子的排列方式不同而成為不同的晶體D．在合適的條件下，某些晶體可以轉變?yōu)榉蔷w，某些非晶體也可以轉變?yōu)榫wE．在熔化過程中，晶體要吸收熱量，但溫度保持不變，內能也保持不變解析：選BCD.將一塊晶體敲碎后，得到的小顆粒仍是晶體，故選項A錯誤；單晶體具有各向異性，有些單晶體沿不同方向上的光學性質不同，故選項B正確；例如金剛石和石墨由同種元素構成，但由于原子的排列方式不同而成為不同的晶體，故選項C正確；晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉化．如天然水晶是晶體，熔融過的水晶(即石英玻璃)是非晶體，也有些非晶體在一定條件下可轉化為晶體，故選項D正確；熔化過程中，晶體的溫度不變，但內能改變，故選項E錯誤．新材料及其應用1．關于半導體材料的認識(1)半導體：導電能力介于導體和絕緣體之間的物質，如：硅、鍺、氧化亞銅、砷化鎵等．(2)影響半導體導電性能的因素：溫度、光照、摻入雜質．(3)半導體的單向導電性的微觀機理(以硅為例)①N型半導體：以自由電子參與導電的半導體摻入雜質后形成的半導體．②P型半導體：以空穴參與導電的半導體摻入雜質后形成的半導體．③PN結：將P型半導體與N型半導體緊密接觸，在接觸面上會形成一個PN結．P型半導體端為晶體二極管的正極，N型半導體端為晶體二極管的負極．2．關于納米材料的認識(1)納米：長度單位．符號：nm.1nm＝10－9m.(2)納米技術：指在納米尺度上制造材料和器件的技術．(3)納米材料的分類：納米金屬材料、納米磁性材料、有機—無機納米復合物、納米傳感材料、納米醫(yī)用材料等．(4)納米材料的奇特效應①量子尺寸效應：如銀的超細微粒在溫度為1K時，會由導體變?yōu)榻^緣體．②小尺寸效應：如當材料超細微粒的尺寸與光波波長相當或更小時，將由超導狀態(tài)變?yōu)檎Ｎ飸B(tài)．③表面和界面效應：如納米材料活性極高，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結合．④宏觀量子隧道效應：如低于某一臨界溫度時，其微觀粒子的運動速度基本上與溫度無關．(5)納米材料的良好性能主要表現在：力學、熱學、電學、磁學、光學、化學等方面．(多選)納米材料的奇特效應使納米材料表現出不同于傳統(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[思路點撥]結構決定性質，人們發(fā)現當材料的尺寸小到納米尺度時，其力、熱、聲、光、磁等方面的某些性質會突變，這也是納米材料的“神奇”之處．[解析]在電學性能方面，納米材料在低溫會呈現電絕緣性；而在化學性能方面，納米材料具有相當高的化學活性，故選項C、D錯誤．[答案]AB納米尺度和原子直徑的數量級很接近，因此納米技術實際上就是重新排列原子而制造出具有新分子結構的技術．當材料小到納米尺度時，其力、熱、聲、光、磁等方面的某些性能會突變．2.(多選)關于記憶合金“鎳鈦諾”，下列說法正確的是()A．它的材料中含鎳、鈦B．在常溫下做成某種形狀，高溫下拉直，然后到常溫時又恢復原狀C．在高溫下做成某種形狀，低溫下拉直，然后到高溫時又恢復原狀D．它的記憶能力只可運用一次解析：選AC.材料中含有鎳和鈦，A正確；這種合金是高溫下做成某種形狀，低溫下拉直，到高溫時恢復原狀，B錯誤，C正確；研究表明，這種合金的記憶本領可反復若干次使用，D錯誤．用微觀結構理論解釋晶體的特性1．對單晶體特性的解釋(1)對各向異性的解釋：如圖所示是一平面上晶體物質微粒的排列情況，從圖中可以看出，在沿不同方向所畫的等長線段AB、AC、AD上，物質微粒的數目不同．線段AB上物質微粒較多，線段AD上較少，線段AC上更少．正因為在不同方向上物質微粒的排列情況不同，才導致晶體在不同方向上物理性質不同．(2)對熔點的解釋：給晶體加熱到一定溫度時，一部分微粒有足夠的動能，克服微粒間的作用力，離開平衡位置，使規(guī)則的排列被破壞，晶體開始熔化，熔化時晶體吸收的熱量全部用來破壞規(guī)則的排列，溫度不發(fā)生變化．2．多晶體的微觀結構及對其性質的解釋：多晶體是由許多雜亂無章地排列著的小晶體(晶粒)組成的．平常見到的各種金屬材料都是多晶體．把純鐵做成的樣品放在顯微鏡下觀察，可以看到它是由許許多多晶粒組成的．晶粒有大有小，最小的只有10－5cm，最大的也不超過10－3cm.每個晶粒都是一個小單晶體，具有各向異性的物理性質和規(guī)則的幾何形狀，因為大量晶粒雜亂無章地排列，所以多晶體沒有規(guī)則的幾何形狀，也不顯示各向異性．它在不同方向的物理性質是相同的，即各向同性．(多選)單晶體不同于非晶體，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．組成單晶體的物質微粒，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．單晶體在不同方向上物理性質不同，是由于不同方向上微粒數目不同，微粒間距離也不相同C．單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．單晶體在熔化時吸收熱量，全部用來瓦解單晶體的空間點陣，轉化為分子勢能，因此，單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，單晶體完全變?yōu)橐后w后，繼續(xù)加熱，溫度才會升高[解析]單晶體微粒構成的空間點陣是單晶體有規(guī)則幾何外形的原因，單晶體在物理性質上的各向異性是由于空間點陣中不同方向的微粒數目不同，微粒間距離也不相同．晶體熔點的存在是由于晶體在熔化時要吸收熱量用來瓦解空間點陣，增加分子勢能．熔化過程中分子熱運動的平均動能不變，即溫度不變．只有當晶體全部轉變?yōu)橐后w后溫度才會升高，分子熱運動的平均動能才會增加，所以單晶體也是如此．故選項A、B、D正確．[答案]ABD各種晶體都是按照一定的規(guī)則排列的，具有空間上的周期性．同種物質也可能以晶體和非晶體兩種不同的形態(tài)出現，晶體和非晶體可在一定條件下相互轉化.[隨堂檢測]1．下列關于金屬材料的說法正確的是()A．金屬材料一般只指純金屬B．通常使用的金屬材料大多是合金C．鋼是指純度非常高的鐵，而不銹鋼是鐵和碳的合金再加上鉻合成的D．不銹鋼只是在干燥的環(huán)境里才不生銹，若在潮濕的環(huán)境里，也很容易生銹解析：選B.金屬材料一般包括金屬與合金，而不是指純金屬，但通常使用的金屬材料大多是合金，故A錯誤，B正確；鋼是鐵和碳的合金，而不是指高純度的鐵，不銹鋼則是鐵和碳再加上鉻的合金，故C項錯誤；不銹鋼具有很強的耐腐蝕性，在潮濕的環(huán)境里也不容易生銹，故D項錯誤．2．(多選)如圖所示是兩種不同物質的熔化曲線，根據曲線判斷下列說法正確的是()A．a是晶體 B．b是晶體C．a是非晶體 D．b是非晶體解析：選AD.晶體在熔化過程中不斷吸熱，但溫度卻保持不變(熔點對應的溫度)，而非晶體沒有確定的熔點，不斷加熱，非晶體先變軟，然后熔化，溫度卻不斷上升，因此a對應的是晶體，b對應的是非晶體．3．發(fā)現晶體內部的物質微粒是按一定的規(guī)律整齊排列的科學家是()A．勞厄 B．倫琴C．玻爾 D．富勒解析：選A.1912年，德國物理學家勞厄用X射線來探測固體內部的原子排列，證實了晶體內部的物質微粒是按一定的規(guī)律整齊排列的．4．請舉例說明新材料對現代文明的作用．答案：半導體材料促進計算機發(fā)展，高溫材料促進航天工業(yè)的進步，光導纖維促進通信技術發(fā)展等．[課時作業(yè)]一、單項選擇題1．下列晶體中屬于金屬晶體的是()A．金剛石和氧化鈉 B．鍺和錫C．銀和氧化鈉 D．鎳和金解析：選D.根據晶體的結合類型可知氧化鈉是離子晶體；鍺、錫和金剛石是原子晶體；銀、鎳和金是金屬晶體，故選D.2．從物體外形來判斷晶體，正確的是()A．玻璃塊有規(guī)則的幾何形狀，所以它是晶體B．不具有規(guī)則形狀的物體，一定不是晶體C．敲打一塊石英，使它失去天然的幾何外形后，它就不是晶體了D．單晶體在外形上都具有天然的規(guī)則的幾何形狀解析：選D.玻璃塊有規(guī)則的幾何形狀是人工方法加工的，不具有規(guī)則形狀的物體有可能是多晶體．單晶體具有天然的規(guī)則的幾何外形，敲打失去天然的幾何外形后，仍是晶體．3．關于石墨與金剛石的區(qū)別，下列說法正確的是()A．它們是由不同物質微粒組成的不同晶體B．它們是由相同物質微粒組成的相同晶體C．金剛石是晶體，石墨是非晶體D．金剛石比石墨原子間作用力大，金剛石有很大的硬度解析：選D.金剛石和石墨是同一種物質微粒(碳原子)在不同條件下生成的不同晶體，它們有不同的微觀結構，表現在宏觀上的物理性質不一樣，故D正確．4．日本一位材料研究所的科學家發(fā)明了一種“碳納米管溫度計”，這種溫度計被認定是世界上最小的溫度計．研究人員在長約6～10nm，直徑為7～10nm的碳納米管中充入液態(tài)的金屬鎵．當溫度升高時，管中的鎵就會膨脹，通過電子顯微鏡就能讀取溫度值．這種溫度計測量的范圍可以從18℃到490℃，精確度較高，可用于檢查電子線路是否異常，測定毛細血管的溫度等許多方面．由以上信息判斷下列推測中不正確的是()A．碳納米管的體積在18℃至490℃之間隨溫度變化很小，可忽略不計B．金屬鎵的體積在18℃至490℃之間隨溫度變化很小，可忽略不計C．金屬鎵的體積在18℃至490℃之間隨溫度變化比較均勻D．金屬鎵的熔點很低，沸點很高解析：選B.由題中信息知這種溫度計測溫范圍為18～490℃，精確度高，可以推斷，在測溫范圍內，碳納米管體積變化很小，而金屬鎵的體積隨溫度均勻變化，故錯誤的選項為B.5．下列關于晶體空間結構的說法中，不正確的是()A．構成晶體空間結構的物質微粒，可以是分子，也可以是原子或離子B．晶體的物質微粒之所以能構成空間結構，是由于晶體中物質微粒之間相互作用力很強，所有物質微粒都被牢牢地束縛在空間結構的結點上不能動C．所謂空間結構與空間結構的結點，都是抽象的概念；結點是指組成晶體的物質微粒做微小振動的平衡位置D．相同的物質微粒，可以構成不同的空間結構，也就是同一種物質能夠生成不同的晶體，從而能夠具有不同的物理性質解析：選B.組成晶體的物質微?？梢允欠肿印⒃踊螂x子，組成晶體的物質微粒在平衡位置附近做微小振動，物質微粒之間還存在著相互作用．晶體的物質微粒之所以能構成空間結構，是由于晶體中物質微粒之間的相互作用很強，物質微?？蓸嫵刹煌目臻g結構，故選B.6．下列說法中不正確的是()A．不銹鋼具有很強的耐腐蝕性，廣泛應用于制造餐具、外科手術器械及化工設備B．有機高分子材料是由碳、氫、氧、氮、硅、硫等元素的有機化合物構成的材料C．復合材料是由幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料D．玻璃鋼不是復合材料解析：選D.玻璃鋼、碳纖維和陶瓷復合材料等都是新型的復合材料，D錯．二、多項選擇題7．有關晶體的排列結構，下列說法正確的是()A．同種元素原子按不同的結構排列有相同的物理性質B．同種元素原子按不同的結構排列有不同的物理性質C．同種元素形成晶體只能有一種排列規(guī)律D．同種元素形成晶體可能有不同的排列規(guī)律解析：選BD.晶體內部微粒排列的空間結構決定著晶體的物理性質．同種元素原子也會有多種排列結構．例如：碳原子按層狀結構排列形成石墨，按網狀結構排列形成金剛石．8．晶體具有各向異性的特點是由于()A．晶體在不同方向上物質微粒的排列情況不同B．晶體在不同方向上物質微粒的排列情況相同C．晶體內部結構的無規(guī)則性D．晶體內部結構的有規(guī)則性解析：選AD.晶體的各向異性是由于晶體內部結構的有規(guī)則性，使不同方向上物質微粒的排列情況不同，故選A、D.9．材料如果按特性分類，可分為()A．結構材料 ．信息材料C．復合材料 ．功能材料解析：選AD.按照材料的特性，可以把材料分為結構性材料和功能性材料兩類．結構性材料主要利用材料的力學特性，功能性材料主要利用材料的聲、光、熱、電、磁等特性．10．關于半導體的導電性能隨某些物理因素的變化而變化的說法正確的是()A．在極低的溫度下，純凈的半導體像導體一樣導電性良好B．在極低的溫度下，純凈的半導體電阻率很高C．在較高的溫度下，有光照射時或摻入雜質后，半導體導電性能大大增強D．在較高的溫度下，有光照射時或摻入雜質后，半導體像絕緣體一樣不導電解析：選BC.純凈的半導體在低溫下的電阻率很高，呈現出絕