高中物理選修《固體》教學設(shè)計1

PAGE第九章物態(tài)和物態(tài)變化單元透視 本章主要講述固體和液體的一些基本性質(zhì)以及物態(tài)的變化，是以分子動理論為基礎(chǔ)，介紹固體和液體的微觀結(jié)構(gòu)，解釋有關(guān)固體、液體的某些性質(zhì)和現(xiàn)象。與初中相比，加強了分子動理論的實驗基礎(chǔ),目的是讓學生知道，物質(zhì)形成固、液、氣不同的聚集態(tài)，是由分子熱運動和分子間相互作用這兩種相反因素決定的。這一章的特點是以觀察為基礎(chǔ)，用微觀解釋宏觀，與實際聯(lián)系比較密切。由于這些內(nèi)容可以使學生對分子動理論的理解更具體、更豐滿，有利于拓寬知識面，提高他們對一些自然現(xiàn)象和科學技術(shù)知識的理解，對提高科學素質(zhì)是有益的。這一章的知識主要以定性介紹為主，定量計算較少。在學習過程中要注意觀察，加強理解，注意從分子動理論的角度去思考問題。第１節(jié)固體目標導航1．初步掌握晶體和非晶體在外形上和物理性質(zhì)上的區(qū)別。2．能區(qū)分單晶體和多晶體。3．掌握晶體的微觀結(jié)構(gòu)。4．培養(yǎng)觀察能力，體會物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)對其宏觀性質(zhì)的影響。誘思導學1．固體的分類自然界中的固態(tài)物質(zhì)可以分為兩種：晶體和非晶體。（1）晶體：像石英、云母、明礬等具有確定的幾何形狀的固體叫晶體。常見的晶體還有：食鹽、硫酸銅、蔗糖、味精、石膏晶體、方解石等。晶體又分為單晶體和多晶體：單晶體：整個物體就是一個晶體的叫做單晶體，如雪花、食鹽小顆粒、單晶硅等。多晶體：如果整個物體是由許多雜亂無章地排列著的小晶體組成的，這樣的物體就叫做多晶體，如大塊的食鹽、粘在一起的蔗糖、各種金屬材料等。（2）非晶體：像玻璃、蜂蠟、松香等沒有確定的幾何形狀的固體叫非晶體。常見的非晶體還有：瀝青、橡膠等。2．晶體和非晶體的比較晶體非晶體外形特征具有規(guī)則的幾何形狀沒有規(guī)則的幾何形狀物理性質(zhì)（1）各向異性（2）具有一定的熔點（1）各向同性（2）沒有一定的熔點3．單晶體和多晶體的比較單晶體多晶體外形特征具有規(guī)則的幾何形狀沒有規(guī)則的幾何形狀物理性質(zhì)（1）各向異性（2）具有一定的熔點（1）表現(xiàn)為各向同性（2）具有一定的熔點4．晶體的微觀結(jié)構(gòu)晶體的形狀和物理性質(zhì)與非晶體不同是因為在各種晶體中，原子（或分子、離子）都是按照各自的規(guī)則排列的，具有空間上的周期性。典例探究例1如何區(qū)分多晶體和非晶體？解析：由于多晶體和非晶體都沒有規(guī)則的幾何形狀，而且都表現(xiàn)為各向同性，所以判斷多晶體與非晶體通常用有沒有一定的熔點來區(qū)分。答案：有確定熔點的是多晶體，無確定熔點的是非晶體。友情提示：由于多晶體是有許多單晶體雜亂無章的構(gòu)成的，所以多晶體在幾何形狀和物理性質(zhì)與方向的關(guān)系上與非晶體相似，但多晶體仍然具有確定的熔點。例2同一種化學成分的物質(zhì)，為什么有時會表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)？解析：同一種物質(zhì)中的微粒按不同的方式排列時，就會生成不同的晶體，從而表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)。如碳，按一種方式排列可以生成金剛石，而按另一種方式排列時會生成石墨，金剛石與石墨的物理性質(zhì)有很大的不同；同一種物質(zhì)也可能以晶體和非晶體兩種不同的形態(tài)出現(xiàn)，從而表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)。總之微觀結(jié)構(gòu)不同，宏觀性質(zhì)就有差異。答案：雖然化學成分相同，但其分子卻可以構(gòu)成不同的微觀結(jié)構(gòu)，所以有不同的物理性質(zhì)。友情提示：微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性質(zhì)，雖然化學成分相同，但它們可以構(gòu)成不同的微觀結(jié)構(gòu)。例3關(guān)于晶體和非晶體，下列說法中正確的是（）A．單晶體具有各向異性B．多晶體也具有各向異性C．非晶體的各種物理性質(zhì)，在各個方向上都是相同的D．晶體的各種物理性質(zhì)，在各個方向上都是不同的解析：具體到某種晶體，它可能只是某種物理性質(zhì)各向異性較明顯。如云母片就是導熱性明顯，方解石則是透光性明顯。但籠統(tǒng)提晶體就說各種物理性質(zhì)是各向異性。答案：ACD友情提示：并不是任何一種晶體在各種物理性質(zhì)上都表現(xiàn)出各向異性，而是一種晶體往往只有某種物理性質(zhì)具有明顯的各向異性。課后問題與練習點擊1．提示：（1）僅僅x1、y1兩點溫度的高低沒有差異，并不能說明該薄片對溫度表現(xiàn)為各向同性。（2）即使該薄片對溫度表現(xiàn)為各向同性，也不能說明它是非晶體，它有可能是多晶體。2．解析：還應知道食鹽的摩爾質(zhì)量M和阿伏加德羅常數(shù)NA，立方體的個數(shù)與離子數(shù)目相同即為2倍的分子個數(shù)，所以一個立方體的體積V：V=設(shè)立方體的邊長為L，則：V=L3=相鄰兩個鈉離子中心距離D為：D==3．解析：（1）M點所受到的合力為N點所受到的合力為（2）由計算可知點M所受到的引力為點N所受到的引力的3.1倍，所以在分離時巖鹽不會沿正方形的對角線分開，而是沿邊長的方向分開，所以敲碎的巖鹽總是呈立方體?；A(chǔ)訓練1．下列物質(zhì)中，是晶體；是非晶體；其中屬于單晶體；而屬于多晶體。①塑料；②明礬；③松香；④玻璃；⑤CuSO4·5H2O；⑥冰糖；⑦糖果；⑧單晶硅；⑨鋁塊；⑩橡膠。一固體外形是規(guī)則的六面體，則它（）A．一定是單晶體B．一定是多晶體C．一定是非晶體D．可能是晶體，也可能是非晶體3．下列關(guān)于各向異性的描述正確的是（）A．各向異性是指非晶體沒有規(guī)則的幾何形狀B．各向異性是指非晶體的物理性質(zhì)與方向的關(guān)系C．各向異性是指多晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與方向有關(guān)D．各向異性是指晶體的物理性質(zhì)與方向的關(guān)系4．關(guān)于晶體和非晶體，以下說法中正確的是（）A．同種物質(zhì)在不同的條件下可表現(xiàn)為晶體或非晶體B．晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒排列是有規(guī)則的，而非晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒排列是不規(guī)則的C．晶體內(nèi)部的微粒是靜止的，而非晶體內(nèi)部的物質(zhì)微粒在不停地運動著D．在物質(zhì)內(nèi)部的各個平面上，微粒數(shù)相等的是晶體，微粒數(shù)不等的是非晶體5．如圖9.1-1所示，甲、乙兩種薄片的表面分別涂有薄薄的一層石蠟，然后用燒熱的鋼針的針尖分別接觸這兩種薄片，接觸點周圍熔化了的石蠟的形狀分別如圖所示。對這兩種薄片，下列說法正確的是（）A．甲的熔點一定高于乙的熔點B．甲片一定是晶體C．乙片一定是非晶體D．以上說法都錯圖9.1-16．關(guān)于石墨與金剛石的區(qū)別，下列說法中正確的是（）A．石墨與金剛石是由不同物質(zhì)生成的不同晶體B．石墨和金剛石是由同種物質(zhì)生成的不同微觀結(jié)構(gòu)的晶體C．金剛石中原子間作用力比石墨的大，金剛石有很大的硬度D．金剛石是單晶體，石墨是多晶體7．有一塊長方形的銅條，有關(guān)它的三種說法：①這是一塊單晶體，因為它有規(guī)則的幾何形狀②這是一塊多晶體，因為它內(nèi)部的分子排列是不規(guī)則的③這是一塊非晶體，因為它的物理性質(zhì)是各向同性的這三種說法中（）A．①、②是錯的B．②、③是錯的C．①、③是錯的D．都是錯的8．如圖9.1-2所示，一塊密度、厚度均勻的長方體被測樣品，長AB為寬CD的2倍，若用多用電表沿兩對稱軸測其電阻，所得阻值均為R，則這塊樣品是（）A．金屬B．多晶體C．單晶體D．非晶體圖9.1-29．由同種物質(zhì)微粒組成但微觀結(jié)構(gòu)不同的兩種晶體，這兩種晶體一定是（）A．物理性質(zhì)相同，化學性質(zhì)不相同B．物理性質(zhì)不相同，化學性質(zhì)相同C．物理性質(zhì)相同，化學性質(zhì)相同D．物理性質(zhì)不相同，化學性質(zhì)不相同10．關(guān)于晶體和非晶體，下面說法中正確的是（）A．具有規(guī)則的幾何形狀的物質(zhì)必定是晶體B．熔化過程中溫度升高的可能是多晶體C．同種物質(zhì)，有晶體也有非晶體D．將許多單晶體雜亂堆積在一起就變?yōu)榉蔷w了11．如圖9.1-3所示，食鹽（NaCl）的晶體是由鈉離子和氯離子組成的。這兩種離子在空間中三個互相垂直的方向上，都是等距離地交錯排列著。已知食鹽的摩爾質(zhì)量為58.5g/mol，食鹽的密度是2.2g/cm3。阿伏加德羅常數(shù)為6.0×1023mol（A）3.0×10-8cm（B）3.5×10-8cm（C）4.0×10-8cm（D）5.0圖9.1-3多維鏈接1．固體物理的發(fā)展早在1611年，開普勒就開始思考雪花為什么呈六角形；1843年法拉第曾驚奇地發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的升高而下降；1929年邁斯納又觀測到硫化銅在非常低的溫度下(2K)突然變成比純銅還好得多的導體；從公元前3000年一直到本世紀初的整個歷史階段，人們一直被指南針為什么能指方向這個問題所困惑。固體物理學經(jīng)過本世紀以來幾十年的迅速發(fā)展，我們現(xiàn)在已從根本上完全理解了這些問題，而且可以依據(jù)物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)來解釋材料的各種特性；可以按照預先的構(gòu)想和設(shè)計制備具有新奇性能的微結(jié)構(gòu)固體，制備具有優(yōu)異性能的人工材料和器件；還可以利用掃描隧道顯微鏡直接觀察固體中原子的形貌及其運動；以及在極端條件下，如毫開量級的低溫，超高真空，超高壓，強磁場，強光作用等極端條件下研究固體的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)及其與宏觀性質(zhì)的關(guān)系。人們可以從固體的基本原理出發(fā)，建立物理模型，借助于大型計算機計算固體的電子結(jié)構(gòu)，獲得與實驗大致符合的結(jié)果?，F(xiàn)在，固體物理學的領(lǐng)域已擴大成為包括量子液體及其它液體的凝聚態(tài)物理學。自從第二次世界大戰(zhàn)以來，固體物理學發(fā)展非常之快，已經(jīng)成為當今物理學的重要分支學科之一。２．神通廣大的納米材料（１）脾氣暴躁、易燃易爆的納米金屬顆粒納米材料是納米科學技術(shù)最基本的組成部分?，F(xiàn)在可以用物理、化學及生物學的方法制備出只包含幾百個或幾千個原子、分子的“顆粒”。這些“顆粒”的尺寸只有幾個納米。如果按照一般的經(jīng)驗，原子與原子之間的距離為0．2納米左右。可以估計出在尺寸為1納米的立方體“顆?！敝?，“立方顆粒”的每一邊上只能排列5個原子，總體可容納125個原子，但是其中98個原子在表面上。眾所周知，表面上的原子只受到來自內(nèi)部一側(cè)的原子的作用。因此，它們很容易與外界的氣體、流體甚至固體的原子發(fā)生反應，也就是說十分活潑。實驗上發(fā)現(xiàn)如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會產(chǎn)生激烈的燃燒，發(fā)生爆炸。有人認為用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力，可以用作新型火箭的固體燃料，也可用作烈性炸藥。另外，用納米金屬顆粒粉體作催化劑，可加快化學反應過程，大大地提高化工合成的產(chǎn)率。（２）材料世界中的大力士──納米金屬塊體如果把金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料，它會變得十分結(jié)實，強度比一般金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣富于彈性。人們幻想在下一個世紀，總有一天會制造出具有如此神奇性質(zhì)的納米鋼材和納米鋁材。用這種材料制造汽車、飛機或輪船，會使它們的重量減少到1／10。可以想象，一輛摩托車的重量會變成只有20－30公斤（３）剛?cè)岵募{米陶瓷人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｓ玫奶沾刹牧暇哂杏捕嗟奶攸c。硬是說它可以做刀具切削金屬，脆是說它耐不住沖擊，甚至一摔就碎。陶瓷的另一長處是耐高溫，在1000℃的高溫下也不變形?，F(xiàn)在，用納米陶瓷粉制成的陶瓷已經(jīng)表現(xiàn)出一定的塑性，這個問題若被徹底解決，會在汽車發(fā)動機上大顯身手，徹底甩掉發(fā)動機的冷卻水套，使發(fā)動機工作在更高的溫度下，汽車會跑得更快，飛機會飛得更高。納米陶瓷粉體作為涂料的添加劑已得到廣泛的應用，這些特種涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防塵和耐磨的性能。（４）善變顏色的納米氧化物材料氧化物納米顆粒最大的本領(lǐng)是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色。平常人們戴的變色眼鏡含有一種光敏鹵化物材料，但是變色的速度慢。用納米氧化物材料做成的變色鏡就不一樣了。用它做成士兵防護激光槍的眼鏡是再好不過了。還有將納米氧化物材料做成廣告板，在電、光的作用下，會變得更加絢麗多彩。（５）法力無邊的半導體納米材料半導體納米材料的最大用處是可以發(fā)出各種顏色的光，可以做成超小型的激光光源。它還可以吸收太陽光中的光