2.2固体的微观结构-2.3材料科技与人类文明 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-3）

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1、第第 2 节节 固体的微观结构固体的微观结构 第第 3 节节 材料科技与人类文明材料科技与人类文明 目标定位 1.认识固体微观结构和特点.2.用固体的微观结构解释其宏观性质. 3.了解材料科技与人类文明. 一、晶体的结构 1.组成晶体的物质微粒有规则地在空间排成阵列，呈现周而复始的有序结构，说明晶体的微观 结构具有周期性特点. 2.晶体内部各微粒之间存在着很强的相互作用力，将微粒约束在一定的平衡位置上.热运动时， 这些微粒只能在各自的平衡位置附近做微小振动. 二、晶体的结合类型 1.离子晶体：由正、负离子通过离子键结合而成的晶体. 2.原子晶体：相邻原子之间通过共价键结合而成的晶体. 3.金属

2、晶体：物质微粒通过金属键结合而成的晶体. 三、固体特征的微观解释 1.晶体内部微粒的排列有一定规律， 在宏观上具有规则的几何外形.单晶体内部在沿不同方向的 等长直线上， 微粒的个数通常是不相等的，这说明单晶体在不同方向上的微粒排列及物质结构 情况是不一样的，所以单晶体在物理性质上表现为各向异性. 2.非晶体的内部物质的排列没有一定规律， 在宏观上没有规则的几何外形.非晶体在沿不同方向 的等长直线上，微粒的个数大致相等.说明非晶体在不同方向上的微粒排列及物质结构情况基 本相同，在物理性质上表现为各向同性. 3.同一种物质微粒在不同的条件下有可能生成不同的晶体，虽然构成这些晶体的物质微粒都相 同，

3、但是由于它们的排列形式不同，因而物理性质也不同.(填“相同”或“不同”) 四、材料及分类 1.分类 (1)按材料特性分为：结构材料和功能材料. (2)按应用领域分为：信息材料、能源材料、建筑材料，生物材料、航空航天材料等. (3)按习惯分为：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料. 2.新材料 (1)发生形变后几乎能 100%恢复原状的材料称为形状记忆合金. (2)微电子材料：半导体. (3)力、热、声、光、磁等方面的某些性能会发生突变的纳米材料. (4)材料、信息、能源被当今国际社会公认为现代文明的三大支柱. 一、对固体微观结构的认识和理解 1.对单晶体各向异性的解释 如图 1

4、所示，这是在一个平面上单晶体物质微粒的排列情况.从图上可以看出，在沿不同方向 所画的等长直线 AB、AC、AD 上物质微粒的数目不同.直线 AB 上物质微粒较多，直线 AD 上 较少， 直线 AC 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. 图 1 2.对晶体具有一定熔点的解释 给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.对多晶体特征的微观解释 微粒在多晶体里杂乱无章地排列着，所以多晶体没有规则的几何形状

5、，也不显示各向异性.它 在不同方向的物理性质是相同的，即各向同性.多晶体和非晶体的主要区别是多晶体有固定的 熔点，而非晶体没有. 4.对非晶体特征的微观解释 在非晶体内部，物质微粒的排列是杂乱无章的，从统计的观点来看，在微粒非常多的情况下， 沿不同方向的等长直线段上，微粒的个数大致相等，也就是说，非晶体在不同方向上的微粒排 列及物质结构情况基本相同，所以非晶体在物理性质上表现为各向同性. 5.同种物质也可能以晶体和非晶体两种不同形态出现， 晶体和非晶体可在一定条件下相互转化. 【例 1】 (2019 虹口高二期中)晶体内部的分子有序排列为如图 2 所示的空间点阵(图中小黑 点表示晶体分子)，图

6、中 AB、AC、AD 为等长的三条直线.下列说法正确的是( ) 图 2 A.A 处的晶体分子可以沿三条直线发生定向移动 B.三条直线上晶体分子的数目相同，表明晶体的物理性质是各向同性的 C.三条直线上晶体分子的数目不同，表明晶体的物理性质是各向异性的 D.三条直线上晶体分子的数目不同，表明在不同方向上的微粒排列和物质结构情况不一样 答案 CD 解析 晶体中的分子只能在平衡位置附近振动，不会沿三条直线发生定向移动，A 错误；三条 直线上晶体分子的数目不同，表明晶体的物理性质是各向异性的，B 错误，C、D 正确. 【例 2】 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

7、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 nm 的石墨烯，是碳的二维结构.如图 3 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( ) 图 3 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 CD 解析 石墨、石墨烯、金刚石都为晶体且都为单质，A、B 错误，C 正确；两位科学家是通过 物理变化的方法获得石墨烯的，D 正确. 针对训练 1 关于晶体和非晶体，下列说法正确的

8、是( ) A.它们由不同的空间点阵构成 B.晶体内部的物质微粒是有规则地排列的，非晶体内部的物质微粒在不停地运动着 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着的 D.在物质内部的各个平面上，微粒数相等的是晶体，微粒数不等的是非晶体 答案 B 解析 空间点阵是晶体的一个特殊结构， 是晶体的一个特性， A 错误； 不管是晶体还是非晶体， 组成物质的微粒永远在做热运动，C 错误；非晶体也提不到什么层面的问题，即使是晶体，各 个层面的微粒数也不见得相等，D 错误，B 正确. 二、对常见新材料的认识 1.形状记忆合金 (1)定义：将一种含镍 55%、含钛 45%的“镍钛诺”合金丝加

9、热并弯成各种复杂的形状，然后 冷却并拉直，当再次加热时，拉直的合金丝又恢复到原来的形状，因此这种合金被称为形状记 忆合金. (2)应用：工程机械、航空航天、医疗卫生等领域. 2.半导体 (1)定义：导电性能介于金属导体和绝缘体之间，具有优异特性的微电子材料. (2)应用：通信卫星、电视卫星接收机、移动通信、高清晰度电视以及军用电子装置等领域. 3.纳米材料 (1)定义：粒度在 1100 nm 的材料称为纳米材料. (2)应用：医药、电子、生物、航空等方面都有广阔的应用空间. 【例 3】 材料如果按特性分类，可分为( ) A.结构材料 B.信息材料 C.复合材料 D.功能材料 答案 AD 解析

10、按照材料的特性，可以把材料分为结构材料和功能材料两类.结构材料主要利用材料的 力学特性，功能材料主要利用材料的声、光、热、电、磁等特性，故选项 A、D 正确. 【例 4】 纳米材料的奇特效应使纳米材料表现出不同于传统材料的良好性能，以下关于纳米 材料的性能的说法中，正确的是( ) A.在力学性能方面，纳米材料具有高强、高硬和良好的塑性 B.在热学性能方面，纳米超细微粒的熔点比常规粉体高得多 C.在电学性能方面，纳米金属在低温时会呈现超导电性 D.在化学性能方面，纳米材料化学活性低 答案 A 解析 解答本题时应注意纳米材料的良好性能主要表现在：(1)力学性能：高强、高硬和良好 塑性.(2)热学性

11、能：熔点较低.(3)电学性能：低温时会呈现电绝缘性.(4)化学性能：具有相当高 的化学活性. 针对训练 2 半导体就是导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，以下关于其导电性能的说法 中正确的是( ) A.半导体导电性能介于导体和绝缘体之间，性能稳定 B.在极低的温度下，纯净的半导体像绝缘体一样不导电 C.在较高温度时，半导体的导电性能会大大增强，甚至接近金属的导电性能 D.半导体中掺入杂质后，其导电性能会减弱 答案 BC 解析 半导体的导电性能受温度、光照及掺入杂质的影响，不是稳定的，故 A 错误；在极低 的温度下，纯净的半导体像绝缘体一样不导电，故 B 正确；在较高的温度下，半导体的导电 性能

12、会大大增强，甚至接近金属的导电性能，故 C 正确；掺入杂质后半导体的导电性能会大 大增强，故 D 错误. 固体的微观结构 1.发现晶体内部的物质微粒是按一定的规律整齐排列的科学家是( ) A.劳厄 B.伦琴 C.玻尔 D.富勒 答案 A 解析 1912 年，德国物理学家劳厄用 X 射线来探测固体内部的原子排列，证实了晶体内部的 物质微粒是按一定的规律整齐排列的. 2.下列有关晶体的结构叙述正确的是( ) A.在晶体内部，组成晶体的物质微粒是无规则排列的 B.晶体的微观结构具有周期性 C.在晶体内部，组成晶体的物质微粒可以自由运动 D.晶体内部微粒间存在着很强的作用力 答案 BD 解析 在晶体的

13、内部，组成晶体的物质微粒是规则排列的，A 错误；晶体的微观结构具有周期 性，且微粒间存在着很强的作用力，B、D 正确；在晶体内部，组成晶体的物质微粒只能在各 自的平衡位置附近做微小振动，而不能随意自由运动，C 错误. 新材料及其应用 3.按照材料的应用领域，可把材料分为( ) A.信息材料 B.金属材料 C.建筑材料 D.航空航天材料 答案 ACD 4.下列说法中正确的是( ) A.不锈钢具有很强的耐腐蚀性，广泛应用于制造餐具、外科手术器械及化工设备 B.有机高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素的有机化合物构成的材料 C.复合材料则是由几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料 D.玻璃钢不是复合材料 答案 ABC