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

4.固体

学习目标：1．[物理观念]知道晶体、非晶体、单晶体和多晶体，了解各向异性、各向同性及晶体的微观结构，能解释相关的现象。　2.[科学思维]掌握单晶体的各向异性，理解晶体的微观结构，能够解决相关的问题。　3.[科学探究]学会用实验探究晶体与非晶体物理性质的差异，学会认真观察并与他人合作，提高实验技能。　4.[科学态度与责任]掌握晶体和非晶体在外形上和物理性质上的区别，培养严谨的科学态度，激发探索科学的兴趣。

阅读本节教材，回答第31页“问题”并梳理必要的知识点。

教材P31“问题”提示：食盐颗粒总呈现立方体形，松香没有规则的几何形状。

显微镜观察精盐是正六面体形，松香粉末没有规则的几何外形。

一、晶体和非晶体

1．固体可以分为晶体和非晶体两类。石英、云母、明矾、食盐、味精、蔗糖等是晶体，玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是非晶体。

2．单晶体具有确定的几何形状，多晶体和非晶体没有确定的几何形状，我们在初中已经学过，晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点。

3．有些晶体沿不同方向的导热或导电性能不同，有些晶体沿不同方向的光学性质不同，这类现象称为各向异性。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。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。

说明：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。

二、晶体的微观结构

1．规则性：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．变化或转化

在不同条件下，同种物质的微粒按照不同规则在空间排列，可以生成不同的晶体，例如石墨和金刚石。有些晶体在一定条件下可以转化为非晶体，例如天然水晶熔化后再凝固成石英玻璃。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)单晶体和多晶体都有规则的几何外形。 (×)

(2)所有的晶体都具有各向异性。 (×)

(3)所有晶体在不同方向上物质微粒的排列情况都相同。 (×)

(4)晶体内部微粒的排列毫无规则。 (×)

2．(多选)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．只有单晶体才有天然规则的几何外形

C．晶体在物理性质上一定是各向异性的

D．晶体熔化时具有确定的熔点

BD　[单晶体有规则的几何外形，多晶体与非晶体都没有规则的几何外形，如果固体有规则的几何外形但不是天然的，而是人为加工的，则其不一定是晶体，A错误，B正确；单晶体只在某些物理性质上表现为各向异性，并非所有的物理性质都表现为各向异性，多晶体在物理性质上表现为各向同性，C错误；晶体有确定的熔点，D正确。]

3．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

B　[由化学知识知道，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A、C、D错误，B正确。]

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，而非晶体则是各向同性的。

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。

②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、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上表现出各向异性——沿不同方向的折射率不同。

【例1】　(多选)关于晶体和非晶体，下列说法正确的是(　　)

A．可以根据各向异性或各向同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，如果沿其各条直线方向的导电性不同，则该球体一定是单晶体

D．一块晶体，若其各个方向的导热性相同，则这块晶体一定是多晶体

思路点拨：(1)晶体有固定熔点，而非晶体没有。

(2)单晶体具有各向异性，多晶体与非晶体都具有各向同性。

CD　[判断固体是否为晶体的标准是看是否有固定的熔点，多晶体和非晶体都具有各向同性和无规则的外形，单晶体具有各向异性和规则的几何外形，C、D正确。]

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。

【一题多变】　区分晶体和非晶体可用以下实验：

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？

甲　　　　　　　　乙

蜂蜡熔化区域的形状

[解析]　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。

[答案]　见解析

[跟进训练]

1．某球形固体物质，其导热性能沿各个方向相同，则该物体(　　)

A．一定是非晶体

B．可能具有确定的熔点

C．一定是单晶体，因为它有规则的几何外形

D．一定是多晶体，因为其物理性质具有各向同性

B　[导热性能沿各个方向相同的物体可能是非晶体，也可能是晶体，晶体具有确定的熔点，故A、D错误，B正确；物体几何外形是否规则不是判断是否为单晶体的依据，应该说，单晶体具有规则的几何外形是“天生”的，而多晶体和非晶体也可以具有规则的几何外形，当然，这只能是“后天”加工的，故C错误。]

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。

甲(石墨)　　　乙(金刚石)

3．说明

(1)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。

(2)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，天然水晶是晶体，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。

【例2】　(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，是由于不同方向上的物质微粒的性质不同

D．晶体在熔化时吸收热量，全部用来瓦解晶体的空间点阵，转化为分子间势能；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

思路点拨：(1)晶体具有规则的几何外形和确定的熔点，都是因为它的内部微粒有规则的排列。

(2)晶体熔化时吸收的热量用来破坏晶体的空间点阵，所以温度不升高。

ABD　[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因为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C错误，A、B、D正确。]

晶体各向异性的原因

(1)单晶体物理性质的不同取决于其微观结构，单晶体的物质微粒是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。

[跟进训练]

2．关于晶体和非晶体，说法正确的是(　　)

A．它们是由不同的空间点阵构成的

B．晶体内部的物质微粒是有规则地排列的，而非晶体内部物质微粒排列是无规则的

C．晶体内部的微粒是静止的，而非晶体内部的物质微粒是不停地运动的

D．在物质内部的各个平面上，微粒数相等的是晶体，数量不等的是非晶体

B　[空间点阵是晶体的特殊结构，是晶体的一个特性，A错误；组成物质的微粒永不停息地在做热运动，不管是晶体还是非晶体，C错误；非晶体提不到什么层面的问题，即使是晶体各个层面微粒数也不一定相等，D错误。故B正确。]

1．(多选)关于晶体和非晶体，下列说法正确的是(　　)

A．单晶体有规则的几何形状

B．晶体在物理性质上一定是各向异性的

C．晶体熔化时具有确定的熔点

D．晶体和非晶体在适当的条件下是可以相互转化的

ACD　[单晶体一定具有规则的几何形状，故A正确；多晶体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体组成的，所以具有各向同性，故B错误；不论是单晶体还是多晶体，熔化时具有确定的熔点，故C正确；晶体和非晶体在适当的条件下是可以相互转化的，如天然石英为晶体，而人为熔化后将变成非晶体，故D正确。]

2．关于晶体和非晶体，下列说法正确的是(　　)

A．有规则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．非晶体不可能转化为晶体

D．晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点

D　[外形是否规则可以用人工的方法处理，选项A错误；多晶体在物理性质上是各向同性的，选项B错误；实验证明非晶体在适当的条件下可以转化为晶体，选项C错误；晶体与非晶体的区别表现在是否有确定的熔点，选项D正确。]

3．下列说法错误的是(　　)

A．晶体具有天然规则的几何形状，是因为物质微粒是规则排列的

B．有的物质能够生成种类不同的几种晶体，因为它们的物质微粒能够形成不同的空间结构

C．凡是具有各向同性的物质一定是非晶体

D．晶体的各向异性是由晶体的内部结构决定的

C　[晶体的外形、物理性质都是由晶体的微观结构决定的，A、B、D正确；各向同性的物质不一定是非晶体，多晶体也具有这样的性质，C错误。C符合题意。]

4．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．显示各向异性的物体必定是晶体

B．不显示各向异性的物体必定是非晶体

C．具有确定熔点的物体必定是晶体

D．不具有确定熔点的物体必定是非晶体

ACD　[单晶体具有各向异性，故只要具有各向异性的固体必定是晶体，故A正确；非晶体和多晶体均显示各向同性，故不显示各向异性的物体不一定是非晶体，还可能是多晶体，故B错误；晶体均具有确定的熔点，非晶体不具有确定的熔点，所以具有确定熔点的物体必是晶体，不具有确定的熔点的固体就必定是非晶体，故C、D正确。]

5．(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的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0.34 mm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(　　)

石墨的微观结构　　　石墨烯的微观结构

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

CD　[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，A错误，C正确；石墨、石墨烯都是单质，B错误；通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开而得到石墨烯的方法是物理方法，D正确。]