《2017-2018學年高中物理 第2章 固體 第2、3節(jié) 固體的微觀結構 材料科技與人類文明教學案 魯科版選修3-3》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2017-2018學年高中物理 第2章 固體 第2、3節(jié) 固體的微觀結構 材料科技與人類文明教學案 魯科版選修3-3（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第2、3節(jié) 固體的微觀結構__材料科技與人類文明 1.1912年德國物理學家勞厄證實，組成晶體的物質微粒有規(guī)則的在空間排成陣列，呈現(xiàn)周而復始的有序結構。 2．根據(jù)不同的晶體其內部物質微粒的結合方式不同，可分為離子晶體、原子晶體和金屬晶體。 3．單晶體的內部，沿不同方向等長直線上，微粒個數(shù)通常不相等，物理性質呈現(xiàn)出各向異性，非晶體的內部，沿不同方向等長直線，微粒個數(shù)通常相等，物理性質呈現(xiàn)出各向同性。 4．納米是長度的單位，1 nm＝10－9 m，當材料小到納米尺度時，其力、熱、聲、光、磁等方面的性能會發(fā)生突變。 晶體的結構與結合類型 [自讀教材·抓基礎]

2、 1．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(xiàn)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。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。 2．晶體的結合類型 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 [跟隨名師·解疑難] 三類晶體結構與性質的比較 離子晶體 原子晶體 金屬晶體 構成微粒 正、負離子

3、原子 物質微粒 粒子間作用 離子鍵 共價鍵 金屬鍵 熔、沸點 較高 很高 較高 硬度 較大 很大 較大 導電性 熔化或溶于水時導電 一般不導電 導電 溶解性 多數(shù)溶于極性溶劑 不溶 不溶 實例 多數(shù)鹽、強堿、 多數(shù)金屬氧化物 金剛石、二氧化硅、晶體硅、碳化硅 金屬單質 [學后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) 下列哪些不屬于晶體的結合類型(　　) A．金屬晶體　　　　　 B．離子晶體 C．多晶體 D．原子晶體 解析：選C　晶體的結合類型有：離子晶體、原子晶體和金屬晶體。 固體特征的微觀解釋 [

4、自讀教材·抓基礎] 1．幾何外形解釋 (1)晶體內部物質微粒的排列有一定規(guī)律，在宏觀上具有規(guī)則的幾何外形。 (2)非晶體內部物質微粒的排列沒有一定規(guī)律，在宏觀上沒有規(guī)則的幾何外形。 2．物理性質解釋 (1)在單晶體內部，沿不同方向的等長直線上，微粒個數(shù)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(xiàn)為各向異性。 (2)在非晶體內部，物質微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，微粒個數(shù)大致相等，非晶體在不同方向上的微粒排列及物質結構情況基本相同，故非晶體在物理性質上表現(xiàn)為各向同性。 3．同一種物質微粒在不同

5、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。 [跟隨名師·解疑難] 1．對同素異形體的解釋 有的物質有幾種晶體，是因為它們的物質微粒能形成不同的晶體結構。例如碳原子按不同的結構排列可形成石墨和金剛石，二者在物理性質上有很大差別。白磷和紅磷的化學成分相同，但白磷具有立方體結構，而紅磷具有與石墨一樣的層狀結構，二者在物理性質上也有很大差別。 2．對晶體具有一定熔點的解釋 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

6、排列，溫度不發(fā)生變化。 [特別提醒]　非晶體內部的物質微粒和構成多晶體的大量小晶粒的排列都是雜亂無章的，沒有一定的規(guī)律，在物理性質上都具有各向同性，都沒有規(guī)則的幾何外形。但小晶粒內部的物質微粒排列是有序的，具有一定的規(guī)律，因此，多晶體具有固定的熔點和沸點。 [學后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) 單晶體具有各向異性的特征是由于(　　) A．單晶體在不同方向上物質微粒的排列情況不同 B．單晶體在不同方向上物質微粒的排列情況相同 C．單晶體內部結構有規(guī)則性 D．單晶體內部結構無規(guī)則性 解析：選AC　組成單晶體的物質微粒的有序排列使得不同方向上的物理性質不同，形

7、成各向異性，由此可知A、C正確。 材料科技與人類文明 [自讀教材·抓基礎] 1．材料種類 (1)按照材料的特性，可以把材料分為結構材料和功能材料兩類。 (2)按照材料的應用領域，可以把材料分為信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。 (3)按照習慣，把材料分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。 2．新材料及應用 材料科學是研究材料的制造、結構與性能三者之間相互關系的科學。材料、信息、能源被當今國際社會公認為現(xiàn)代文明的三大支柱。 (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。主要應用于工程機械、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等

8、。 (2)微電子材料：半導體。主要應用于通信衛(wèi)星、電視衛(wèi)星接收機、移動通信、高清晰度電視以及軍用電子裝備等。 (3)在力、熱、聲、光、磁等方面的某些性能會發(fā)生突變的是納米材料。主要應用于醫(yī)藥、電子、生物、航空等方面。 [跟隨名師·解疑難] 1．新材料及其應用 新材料有優(yōu)異的性能和廣闊的應用前景，在航空航天、衛(wèi)生醫(yī)療、微電子等領域都有廣泛的應用。 (1)記憶合金：含鎳55%、含鈦45%的“鎳鈦諾”合金絲加熱并彎成各種復雜的形狀，然后冷卻并拉直，當再次加熱時，拉直的合金絲又恢復原來的形狀。 (2)半導體材料：主要是硅和砷化鎵，在電子工業(yè)和微電子技術中有廣泛的應用。 (3)納米材

9、料：粒度在1～100 nm之間的材料稱為納米材料。1 nm＝10－9 m。 納米材料的發(fā)現(xiàn)和應用為新型材料的發(fā)明開辟了一個嶄新的天地，顯示了強大的生命力。 2．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1 K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顟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。 [學后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) 下列認識不正確

10、的是(　　) A．納米是一種尺寸很小的材料，是納米材料的簡稱 B．納米技術就是重新排列原子而制造具有新分子結構的技術 C．納米是一個長度單位 D．納米材料的奇特效應使納米材料表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)材料的良好性能 解析：選A　納米是一個長度單位，故A錯，C對。納米技術是原子的重新排列，納米材料的制造是在納米技術的基礎上，故B、D正確。 微觀結構對固體特征的解釋 [典題例析] 1．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

11、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]　 →→ 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：B [探規(guī)尋律] 根據(jù)固體的微觀結構分析其特點 在理解晶體的宏觀特性時，應從組成晶體的物質微粒，按照一定的規(guī)律排列，形成一定的空間點陣結構的理論去分析、研究晶體特性。晶體的物質分子決定了物質的化學性質，晶體的

12、微觀結構決定了其物理性質。非晶體不具有晶體的微觀結構，也就有不同于晶體的物理性質。 [跟蹤演練] 關于晶體和非晶體的內部結構，正確的說法是(　　) A．它們內部的物質微粒都有規(guī)則的空間分布 B．單晶體內部的物質微粒是有規(guī)則排列的，而非晶體內部物質微粒排列是不規(guī)則的 C．晶體內部的微粒是靜止的，而非晶體內部的物質微粒是不停地運動著的 D．在物質內部的各個平面上，微粒數(shù)相等的是晶體，數(shù)量不等的是非晶體 解析：選B　單晶體內部微粒排列規(guī)則，而非晶體內部微粒排列不規(guī)則，晶體與非晶體內部的微粒都在不停地運動著。無法依據(jù)物質內部的各個平面上微粒數(shù)是否相等來區(qū)分晶體與非晶體。 新

13、材料的特性及其應用 [典題例析] 2．(多選)納米材料的奇特效應使納米材料表現(xiàn)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(xiàn)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]　解答本題時應注意納米材料的良好性能主要表現(xiàn)在： (1)力學性能：高強、高硬和良好的塑性。 (2)熱學性能：熔點較低。 (3)電學性能：低溫時會呈現(xiàn)電絕緣性。 (4)化學性能：具有相當

14、高的化學活性。 解析：納米材料具有良好的性能，在力學性能方面，納米材料具有高強、高硬和良好的塑性，A正確；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，B正確；在電學性能方面，納米材料在低溫時會呈現(xiàn)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 [探規(guī)尋律] 納米材料用途 依據(jù)不同材料各自性能的不同，在許多領域都有它們不同的應用。例如：不銹鋼材料在制造餐具、手術器械、化工設備等方面得以廣泛應用；氮化硅制成的高溫陶瓷在現(xiàn)代工業(yè)和航空航天領域得到廣泛應用；人工合成的有機玻璃可用于制造飛機的座艙蓋及車的擋風玻璃，還可用于制造文具和工藝品等

15、。 [跟蹤演練] 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．復合材料則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。故選D。 [課堂雙基落實] 1．下列說法錯誤的是(　　) A．晶體具有天然規(guī)則的幾何形狀，是因為物質微粒是規(guī)則排列的 B．有的物質能夠生成種類不同的幾種晶體，因為它們的物質微粒能夠形成不同的空間結構 C．凡

16、各向同性的物質一定是非晶體 D．晶體的各向異性是由晶體內部結構決定的 解析：選C　晶體的外形、物理性質都是由晶體的微觀結構決定的，A、B、D正確，各向同性的物質不一定是非晶體，多晶體也具有這樣的性質，C錯誤。 2．下列關于晶體的結合類型說法正確的是(　　) A．不同晶體內部，物質微粒之間結合方式都相同 B．由正、負離子通過離子鍵結合而成的晶體叫做原子晶體 C．相鄰原子之間通過共價鍵結合而成的晶體叫做離子晶體 D．物質微粒通過金屬鍵結合而成的晶體叫做金屬晶體 解析：選D　不同晶體內部，物質微粒之間結合方式不相同，選項A錯誤；由正、負離子通過離子鍵結合而成的晶體叫做離子晶體，選項B

17、錯誤；相鄰原子之間通過共價鍵結合而成的晶體叫做原子晶體，選項C錯誤；物質微粒通過金屬鍵結合而成的晶體叫做金屬晶體，選項D正確。 3．晶體熔化過程中所吸收的熱量，主要用于(　　) A．破壞空間點陣結構，增加分子勢能 B．破壞空間點陣結構，增加分子動能 C．破壞空間點陣結構，增加分子勢能，同時增加分子動能 D．破壞空間點陣結構，增加分子勢能，但不增加分子動能和內能 解析：選A　晶體有固定的熔點，熔化過程吸收的熱量用于破壞空間點陣結構，因溫度不變，所以分子動能不變，吸收的熱量用于增加分子勢能，內能增加，所以A選項正確。 4．(多選)有關晶體的排列結構，下列說法正確的是(　　) A．同

18、種元素原子按不同結構排列有相同的物理性質 B．同種元素原子按不同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　同種元素的原子可按不同規(guī)則在空間分布(如金剛石和石墨)形成不同的晶體，由于它的微觀結構不同，也就有不同的物理性質，故應選B、D。 [課下綜合檢測] 一、選擇題 1.在晶體中，原子(或分子、離子)都是按照各自的規(guī)律排列的，具有空間上的周期性。晶體的這種微觀結構可用來解釋(　　) A．單晶體具有規(guī)則的幾何形狀，非晶體沒有 B．許多晶體能溶于水，非晶體不能 C．晶體的導電性比非晶體強 D．

19、晶體的機械強度不如非晶體 解析：選A　單晶體內的原子按一定規(guī)律排列，因此具有規(guī)則的幾何外形，在物理性質上有各向異性，A正確；這種微觀結構不能解釋晶體能溶于水，晶體的導電性、機械強度，B、C、D錯誤。 2．下列說法中正確的是(　　) A．化學成分相同的物質只能生成同一種晶體 B．因為石英是晶體，所以由石英制成的玻璃也是晶體 C．普通玻璃是非晶體 D．一塊鐵具有各向同性，它是非晶體 解析：選C　同一種物質，如果它們的內部微粒的排列不同，也能生成不同晶體，故A錯誤。石英是晶體，但由石英制成的玻璃具有各向同性且沒有一定的熔點，故玻璃是非晶體，B錯誤，C正確。鐵雖具有各向同性，但它是多晶體

20、，故D錯誤。 3．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10－6 m，直徑為10－7 m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10 ℃至500 ℃之間隨溫度變化很小，可忽略不計 B．金屬鎵的體積在10 ℃至500 ℃之間隨溫度變化很小，可忽略不計 C．金屬鎵的體積在10℃至500℃之間

21、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　由題意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，可忽略不計，而金屬鎵的體積隨溫度均勻變化(18～490 ℃)，變化不可忽略，故選項B錯誤，A、C、D正確。 4．(多選)半導體就是導電性能介于導體和絕緣體之間的物質，以下關于其導電性能的說法中正確的是(　　) A．半導體導電性能介于導體和絕緣體之間，性能穩(wěn)定 B．在極低的溫度下，純凈的半導體像絕緣體一樣不導電 C．在較高溫度時，半導體的導電性能會大大增強，甚至接近金屬的導電性能 D．半導體中摻入雜質后，其導電性能會減

22、弱 解析：選BC　半導體的導電性能受溫度、光照及摻入雜質的影響，故A錯誤。摻入雜質后半導體的導電性能會大大增強，故D錯誤。 5．(多選)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不同晶體 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BD　金剛石與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，它們有著不同的微觀結構，故表現(xiàn)在宏觀上的物理性質不一樣，但它們二者都屬于晶體，因此B、D正確。 6．(多選)如圖1所示是某種晶體加熱熔化時，它的溫度T隨時

23、間t的變化圖線，由圖可知(　　) 圖1 A．該種晶體的熔點是60 ℃ B．圖線中間平坦的一段，說明這段時間晶體不吸收熱量 C．這種晶體熔化過程所用時間是6 min D．A、B點對應的物態(tài)分別是固態(tài)和液態(tài) 解析：選AD　從該種晶體熔化時的變化曲線可知，該晶體從20 ℃開始加熱，隨著時間的增長而溫度升高，經(jīng)過2 min后達到60 ℃，此時已經(jīng)達到晶體熔點，晶體開始熔化，但物體還是處在固態(tài)。A、B平坦的一段線段說明晶體吸收了熱量，但溫度并沒有升高，這些熱量全部用來破壞晶體的規(guī)則結構，增大分子間的勢能，此段時間是固態(tài)和液態(tài)共存。熔化過程共用了4 min，圖線的B點說明晶體全部熔化，變成

24、液態(tài)。所以A、D正確。 二、非選擇題 7．利用掃描隧道顯微鏡(STM)可以得到物質表面原子排列的圖像(如圖2所示)，從而可以研究物質的構成規(guī)律，下面的照片是一些晶體材料表面的STM圖像，通過觀察、比較，可以看到這些材料都是由原子在空間排列而構成 的，具有一定的結構特征，則構成這些材料的原子在物質表面排列的共同特點是： 圖2 (1)________________________________________________________________________； (2)_________________________________________________

25、_______________________； (3)________________________________________________________________________。 答案：(1)在確定方向上原子有規(guī)律地排列 (2)在不同方向上原子的排列規(guī)律一般不同 (3)原子排列具有一定對稱性 8．如圖3所示為食鹽晶體結構示意圖，食鹽的晶體是由鈉離子(圖中)和氯離子(圖中)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的。已知食鹽的摩爾質量是58.5 g/mol，食鹽的密度是2.2 g/cm3，阿伏伽德羅常數(shù)為6.0×1023 mol－1，試估算食鹽晶體中兩個最近的鈉離子中心間的距離。 圖3 解析：1 mol食鹽中有NA個氯離子和NA個鈉離子，離子總數(shù)為2NA，因而摩爾體積V與摩爾質量M和物質密度ρ的關系為V＝， 所以一個離子所占的體積為 V0＝＝ 由題圖可知V0就是圖中每四個離子所夾的正方體的體積，此正方體的邊長 d＝ ＝ 而最近的兩個鈉離子中心間的距離 r＝d＝ ＝1.41× m ≈4×10－10 m。 答案：4×10－10 m 11