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

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