物理选择性必修 第三册第五节 晶体导学案及答案

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[学习目标] 1.知道晶体和非晶体的特点及区分方法，了解晶体的微观结构.2.了解液晶的特点及其应用.3.了解半导体材料、纳米材料、超材料的特性及它们在生产、生活中的应用．
一、晶体和非晶体
1．固体可以分成晶体和非晶体两类．晶体又可以分为单晶体与多晶体．
2．石英、云母、明矾、食盐、味精、蔗糖等是晶体，玻璃、松香、沥青、橡胶等是非晶体．
3．非晶体
(1)没有(填“有”或“没有”)天然规则的几何形状．
(2)物理性质：a.没有(填“有”或“没有”)固定的熔点；
b．导电、导热、光学等物理性质表现为各向同性(填“异性”或“同性”)．
4．晶体
(1)单晶体：①有(填“有”或“没有”)天然规则的几何形状．
②a.有(填“有”或“没有”)确定的熔点；
b．导电、导热、光学等物理性质表现为各向异性(填“异性”或“同性”)．
(2)多晶体：①没有(填“有”或“没有”)天然规则的几何形状．
②a.有(填“有”或“没有”)确定的熔点；
b．导电、导热、光学等物理性质表现为各向同性(填“异性”或“同性”)．
二、晶体的微观结构
1．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．有的物质在不同条件下能够生成不同的晶体．那是因为组成它们的微粒能够按照不同规则在空间分布，例如碳原子按不同的空间分布排列可形成石墨和金刚石．
3．同一种物质也可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现．有些非晶体在一定条件下也可以转化为晶体．
三、液晶
1．由固态向液态转化的中间态液体具有与晶体相似的性质，故称为液态晶体，简称液晶．
2．特点：液晶在力学性质上与液体相同，具有流动性、连续性，可以形成液滴；在光学性质、电学性质等方面又具有明显的各向异性，因而又具有晶体的某些性质．
四、新材料
1．半导体材料
(1)特性：导电能力介于导体与绝缘体之间，其导电性能可通过掺杂来控制．
(2)应用：制造各种不同用途的半导体电子器件．
2．纳米材料
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围．与宏观物质相比其力学性能更好，熔点、磁性、导热和导电性能降低，对光和物质具有更好的吸收和吸附性，化学活性大大增加．
3．超材料
超材料一般定义为具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构的复合材料，是将人造单元结构以特定方式排列形成的，具有特殊电、磁特性的人造结构材料．典型的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料等．
1．判断下列说法的正误．
(1)所有晶体都具有天然、规则的几何外形．( × )
(2)没有确定的熔点的固体一定是非晶体．( √ )
(3)物理性质表现为各向同性的一定是非晶体．( × )
(4)同一种物质只能形成一种晶体．( × )
(5)液晶是液体和晶体的混合物．( × )
2．某球形固体物质，其各向导热性能不相同，则该物体一定是________．
答案 单晶体
一、晶体和非晶体
导学探究
(1)如图1甲所示是日常生活中常见的几种晶体，图乙是生活中常见的几种非晶体，请在图片基础上思考以下问题：
图1
①晶体与非晶体在外观上有什么不同？
②没有规则几何外形的固体一定是非晶体吗？
(2)在玻璃片和云母片上分别涂上一层很薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触玻璃片及云母片的另一面，石蜡熔化，如图2所示，那么你看到的现象及得出的结论是什么？
图2
答案 (1)①单晶体有规则的几何外形，多晶体和非晶体无规则的几何外形．
②不是．由于多晶体是许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体也没有规则的几何外形．
(2)玻璃片上石蜡的熔化区呈圆形，说明玻璃沿各个方向的导热性能相同．云母片上石蜡的熔化区呈椭圆形，说明云母沿不同方向的导热性能不相同．
知识深化
1．单晶体、多晶体及非晶体的异同比较
2.对单晶体的各向异性的理解
(1)单晶体的各向异性是指单晶体在不同方向上的某一物理性质不同，也就是沿不同方向去测试单晶体的某一物理性能时，测试结果不同．
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所有物理性质上表现出各向异性，举例如下：
①云母晶体在导热性能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能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．
下列关于晶体和非晶体的说法，正确的是( )
A．所有的晶体都表现为各向异性
B．晶体一定有规则的几何形状，形状不规则的金属一定是非晶体
C．大盐粒磨成细盐，就变成了非晶体
D．所有的晶体都有确定的熔点，而非晶体没有确定的熔点
答案 D
解析 只有单晶体才表现为各向异性，故A错；单晶体有规则的几何形状，而多晶体无规则的几何形状，常见的金属属于多晶体，故B错；大盐粒磨成细盐，细盐仍是形状规则的晶体，故C错；晶体和非晶体的一个重要区别就是晶体有确定的熔点，而非晶体没有确定的熔点，故D对．
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，单晶体某些物理性质表现出各向异性，而多晶体表现出各向同性．
(2020·广州市培正中学高二月考)在甲、乙、丙三种固体薄片上涂上蜡，用烧热的针接触其背面一点，蜡熔化的范围如图3(a)所示，而甲、乙、丙三种固体在熔化过程中温度随加热时间变化的关系图像如图(b)所示，则( )
图3
A．甲、乙是非晶体，丙是晶体
B．甲、丙是晶体，乙是非晶体
C．甲、丙是非晶体，乙是晶体
D．甲是非晶体，乙是多晶体，丙是单晶体
答案 B
解析 由题图(b)知，甲、丙有确定的熔点，乙没有确定的熔点，所以甲、丙是晶体，乙是非晶体，由题图(a)知，甲、乙的导热性能呈各向同性，丙的导热性能呈各向异性，所以丙是单晶体，B正确．
二、晶体的微观结构
导学探究
(1)单晶体具有规则的几何外形，物理性质方面表现为各向异性，而非晶体没有规则的几何外形，并且物理性质方面表现为各向同性．产生这些不同的根本原因是什么呢？
(2)金刚石和石墨都是由碳原子构成的，但它们在硬度上差别很大，这说明什么问题？
答案 (1)它们的微观结构不同．
(2)金刚石是网状结构，原子间的作用力强，所以金刚石的硬度大．石墨是层状结构，层与层间距离较大，原子间的作用力较弱，所以石墨的硬度小．这说明组成物质的微粒按照不同的规则在空间分布会形成不同的晶体．
知识深化
对晶体的微观解释
(1)对单晶体各向异性的解释
图4为在一个平面上单晶体物质微粒的排列情况．在沿不同方向所画的等长线段AB、AC、AD上物质微粒的数目不同．线段AB上物质微粒较多，线段AD上较少，线段AC上更少．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4
(2)对晶体具有确定熔点的解释
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．
(多选)关于物质的微观结构，以下说法中正确的是( )
A．单晶体的物理性质各向异性是构成它的微观粒子排列规则，不同方向上的微粒分布不同导致的
B．单晶体具有天然规则的几何形状是因为构成它的微观粒子排列规则
C．同种微观粒子的不同排列，宏观上可形成不同的晶体
D．晶体熔化后再凝固，一定仍是晶体
答案 ABC
解析 规则排列的微观粒子，宏观表现为形状规则，在不同方向上微粒分布情况可能不同，宏观上就表现为物理性质的各向异性，故A、B正确；同种微观粒子的不同排列就可以在宏观上形成不同的晶体，比如金刚石和石墨，故C正确；晶体熔化后再凝固，不一定是晶体，比如石英熔化后再凝固形成的水晶就是非晶体，故D错误．
(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地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5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，下列说法正确的是( )
图5
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．
三、液晶
1．液晶的特点
(1)液晶是介于固态和液态之间的一种物质状态，既具有液体的流动性，又在一定程度上具有晶体分子的规则排列．
(2)液晶具有光学上的各向异性，液晶分子的排列不稳定，微小的外界变动都会改变分子排列，从而改变液晶的某些性质．
2．液晶的应用
(1)研究离子的渗透性．
(2)液晶显示．
(多选)关于晶体、液晶、液体，下列说法正确的是( )
A．晶体和液晶的性质是完全相同的
B．液晶就是液体，具有液体的所有性质
C．液晶是介于晶体与液体之间的一种中间态
D．液晶具有液体的流动性，具有晶体的各向异性
答案 CD
解析 晶体属于典型的固体，其分子排列呈一定的点阵结构，有规律，而液晶分子的结构是介于液态的杂乱与晶体的规律排列之间的，其像液体一样具有流动性，而在光学等物理性质上又与晶体相似，具有各向异性.
考点一 晶体和非晶体
1．(多选)关于晶体和非晶体，下列说法正确的是( )
A．金刚石、食盐、玻璃和水晶都是晶体
B．晶体的分子(或原子、离子)排列是有规则的
C．单晶体和多晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点
D．单晶体和多晶体的物理性质表现为各向异性，非晶体表现为各向同性
答案 BC
解析 金刚石、食盐和水晶是晶体，玻璃是非晶体，A错误；晶体的分子(或原子、离子)排列是有规则的，B正确；晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点，C正确；单晶体的物理性质表现为各向异性，而多晶体表现为各向同性，D错误．
2．(多选)如图1是两种不同物质的熔化曲线，根据曲线判断下列说法正确的是( )
图1
A．a对应的是晶体 B．b对应的是晶体
C．a对应的是非晶体 D．b对应的是非晶体
答案 AD
解析 晶体在熔化过程中不断吸热，但温度(熔点对应的温度)却保持不变，而非晶体没有确定的熔点，因此题图a对应的是晶体，题图b对应的是非晶体．
3．甲、乙两种薄片的表面分别涂有薄薄的一层石蜡，然后用烧热钢针的针尖分别接触这两种薄片石蜡涂层的背面，接触点周围熔化了的石蜡分别形成如图2所示形状，对这两种薄片，下列说法中正确的是( )
图2
A．甲的熔点一定高于乙的熔点
B．甲一定是晶体
C．乙一定是晶体
D．乙一定是非晶体
答案 B
解析 单晶体是各向异性的，熔化了的石蜡形成椭圆形，非晶体和多晶体是各向同性的，则熔化了的石蜡形成圆形，故B正确．
考点二 晶体的微观结构
4．(多选)下列说法正确的是( )
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内部结构决定的
答案 ABD
解析 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；具有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．
5．石墨和金刚石性质有很大差异，是由于( )
A．石墨是各向异性的，而金刚石是各向同性的
B．它们的化学成分不同
C．它们都是各向同性的
D．组成它们的物质微粒按不同的规则排列
答案 D
解析 物质的物理性质由物质微粒的微观结构决定，故D选项正确．
6.晶体内部的分子有序排列为如图3所示的空间点阵(图中的小黑点表示晶体分子)，图中AB、AC、AD为等长的三条线段．下列说法正确的是( )
图3
A．A处的晶体分子可以沿三条线方向发生定向移动
B．三条线段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．三条线段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．以上说法均不正确
答案 C
解析 晶体中的分子只在平衡位置附近振动，不会沿三条线方向发生定向移动，故A错误；三条线段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，故B、D错误，C正确．
考点三 液晶
7．关于液晶，下列说法正确的是( )
A．液晶是液体和晶体的混合物
B．液晶分子在特定方向排列比较整齐，但不稳定
C．电子手表中的液晶在外加电压的影响下，能够发光
D．所有物质在一定条件下都能成为液晶
答案 B
解析 液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，液晶分子在特定方向排列比较整齐，但不稳定，液晶的光学性质随外加电压的变化而变化，但液晶本身不发光，并不是所有物质都能成为液晶，故选B.
8．下列关于液晶的说法中正确的是( )
A．液晶的分子排列与固态相同
B．液晶的分子排列与液态相同
C．液晶的物理性质在外界的影响下很容易发生改变
D．液晶具有光学各向同性
答案 C
解析 液晶是介于固态和液态之间的中间态，其分子排列介于二者之间，并且排列是不稳定的，容易在外界影响下发生改变，液晶具有光学各向异性，故A、B、D错误，C正确．
9．(多选)对下列几种固体物质的认识，正确的有( )
A．食盐熔化过程中，温度保持不变，说明食盐是晶体
B．烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，熔化的蜂蜡呈椭圆形，说明蜂蜡是晶体
C．天然石英表现为各向异性，是由于该物质的微粒在空间的排列不规则
D．石墨和金刚石的物理性质不同，是由于组成它们的物质微粒排列结构不同
答案 AD
解析 若物体是晶体，则熔化过程中，温度保持不变，A项正确；烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，熔化的蜂蜡呈椭圆形是晶体各向异性的表现，说明云母片是晶体，B项错误；天然石英表现为各向异性，是由于该物质的微粒在空间的排列规则，C项错误；由于石墨和金刚石的物质微粒排列结构不同，导致了它们的物理性质不同，D项正确．
10．(2020·盐城市伍佑中学高二月考)关于晶体和非晶体，下列说法正确的是( )
A．可以根据各向同性或各向异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，如果沿其各条直径方向的导电性能不同，则该球一定是单晶体
D．一块晶体，若其各个方向的导热性能相同，则一定是单晶体
答案 C
解析 物理性质表现为各向同性的可以是多晶体，也可以是非晶体，故不能根据各向异性或各向同性来鉴别晶体和非晶体，故A错误；沿各个方向对一块均匀薄片施加拉力，发现其强度一样，表现出各向同性，可能是非晶体，也可能是多晶体，故B错误；一个固体球，如果沿其各条直径方向的导电性能不同，即具有各向异性，则该球一定是单晶体，故C正确；一块晶体，若其各个方向的导热性能相同，表现出各向同性，可能是多晶体，故D错误．
11．(多选)下列说法正确的是( )
A．将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒是非晶体
B．固体可以分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同方向上有不同的光学性质
C．由同种元素构成的固体，可能会由于原子的排列方式不同而成为不同的晶体
D．在合适的条件下，某些晶体可以转化为非晶体，某些非晶体也可以转化为晶体
答案 BCD
解析 晶体有确定的熔点，并不会因为颗粒的大小而改变，即使敲碎为小颗粒，仍旧是晶体，选项A错误；固体分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同方向上光学性质不同，表现出各向异性，选项B正确；同种元素构成的固体可能由于原子的排列方式不同而形成不同的晶体，如金刚石和石墨，选项C正确；晶体的分子排列结构如果遭到破坏就可能形成非晶体，某些非晶体在合适的条件下也可以转化为晶体，选项D正确．
12．(多选)甲、乙、丙、丁四位同学组成合作学习小组，对晶体和液晶的特点展开了讨论．他们的说法正确的是( )
A．甲说，晶体有单晶体和多晶体，单晶体有天然规则的几何外形
B．乙说，多晶体是由许多单晶体杂乱无章地组合而成的，所以多晶体没有确定的熔点
C．丙说，液晶就是液态的晶体，其光学性质与多晶体相似，具有各向同性
D．丁说，液晶是一种在分子结构上介于固体和液体之间的中间态，它具有液体的流动性，又像某些晶体那样具有光学各向异性
答案 AD
解析 单晶体具有规则的几何形状，而多晶体是由许多单晶体杂乱无章地组合而成的，无论是多晶体还是单晶体都有确定的熔点，故A对，B错；液晶像液体一样具有流动性，但不能说它是液态的晶体，它的光学性质具有各向异性，故C错，D对．
分类
微观结构
宏观表现
外形
物理性质
晶体
单晶体
组成晶体的物质微粒(原子、分子、离子)在空间按一定规则排列——空间点阵
有天然、规则的几何形状
各向异性
有确定的熔点
多晶体
由无数的晶体微粒(小晶粒)无规则排列组成
没有天然、规则的几何形状
各向同性
非晶体
内部物质微粒是无规则排列的
没有确定的熔化温度