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1.固体和固体材料
第二章
2026
课 标 定 位
1.知道什么是晶体和非晶体、单晶体和多晶体。
2.知道各向异性现象和各向同性现象。
3.掌握晶体和非晶体在外形上和物理性质上的区别。学会用晶体的微观结构特点来解释晶体外形的规则性和物理性质的各向异性。
4.了解液晶的性质及应用。
5.了解半导体材料和纳米材料。
素 养 阐 释
物理观念:晶体、非晶体、液晶、半导体材料、纳米材料。
科学思维:利用晶体的微观结构解释晶体的性质。
科学探究:用云母片和玻璃片探究晶体的各向异性。
科学态度与责任:通过观察液晶、半导体材料和纳米材料在生产生活中的应用,增强社会责任感。
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
自主预习·新知导学
一、晶体和非晶体
1.固体的分类。
固体可以分为晶体和非晶体两大类。金刚石、云母、明矾、雪花等是晶体,具有规则的几何形状;玻璃、松香等是非晶体,不具有规则的几何形状。
2.各向异性与各向同性。
有些晶体的一些物理性质(如导热、机械强度、导电等)与方向有关,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。
3.单晶体和多晶体。
(1)单晶体:天然具有规则几何形状且各向异性的大块晶体被称为单晶体。
(2)多晶体:由许多晶粒构成的晶体被称为多晶体。
4.试举一个晶体各向异性的例子。
提示:石墨受热时,沿某些方向膨胀,而沿某些方向收缩。
二、晶体的微观结构
1.点阵结构:晶体的分子、原子、离子在晶体内部形成的一个有规则的、周期性排列的结构。
2.各向异性的微观解释:同一种物质微粒不同方向上排列的情况不同,可形成不同的晶体结构,从而表现出不同的物理性质。
三、液晶
1.定义:既有液体的易流动性又保留着部分晶体物质的各向异性的物质称为液态晶体,简称液晶。
2.应用:(1)作为显示元件;
(2)可以指示温度。
3.列举身边应用液晶的例子。
提示:电子手表、电子计算器、计算机、液晶电视等。
四、半导体材料
1.半导体材料:电阻率介于金属和绝缘体之间的材料。
2.半导体的性质:在光、热、磁、电等作用下引起相应的物理效应和现象。
3.应用:热敏电阻、光敏电阻、光电池、可控硅、高压硅堆、半导体激光器等。
五、纳米材料
1.纳米:长度单位,1 nm=10-9 m。
2.纳米材料:三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的固体材料。
【思考讨论】
判断下列说法的正误。
(1)晶体的分子(原子、离子)排列是有规则的。(　　)
(2)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。(　　)
(3)同一种物质只能生成一种晶体。(　　)
(4)单晶体和多晶体都有规则的几何外形。(　　)
(5)所有的晶体都具有各向异性。(　　)
(6)在有光照射时,有的半导体可以导电。(　　)
√
×
√
×
×
√
合作探究·释疑解惑
知识点一
晶体和非晶体
【问题引领】
某固体物质,若其各向导热性能不同,则该物质一定是单晶体吗
提示:一定是单晶体。这是因为只有单晶体才具有各向异性。
【归纳提升】
1.单晶体、多晶体及非晶体的区别与联系
(1)区别:固体可以分为晶体、非晶体两大类,其中晶体又分为单晶体和多晶体,其区别和联系如下。
(2)联系:在一定条件下,晶体可以变为非晶体,非晶体也可以变为晶体。
2.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沿不同方向去测试单晶体的物理性能时,测试结果不同。
②通常所说的物理性质包括弹性、机械强度、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立方体形状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。
【典型例题】
【例题1】 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相同,则一定是多晶体
答案:C
解析:多晶体和非晶体都显示各向同性,只有单晶体显示各向异性,A、B错误,C正确;单晶体具有各向异性的特性,仅是指某些物理性质,并不是所有的物理性质都是各向异性的,换言之,某一物质的物理性质显示各向同性,并不意味着该物质一定不是单晶体,D错误。
【变式训练1】 对晶体和非晶体的理解,下列说法正确的是(　　)
A.没有确定的几何形状的物体都是非晶体
B.通常金属在各个方向的物理性质都相同,所以金属是非晶体
C.液晶既像液体一样具有流动性,又跟某些晶体一样具有光学性质的各向异性
D.同种物质在不同条件下所生成的晶体微粒的排列规律相同
答案:C
解析:多晶体没有确定的几何形状,故A错误;通常金属在各个方向的物理性质都相同,但具有固定的熔点,为晶体,故B错误;液晶是一类特殊的物质形态,它们既像液体一样具有流动性,又跟某些晶体一样具有光学性质的各向异性,故C正确;相同物质在不同的条件下能够生成不同的晶体,如金刚石与石墨,分子的排列规律不同,故D错误。
【问题引领】
知识点二
晶体的微观结构
铅笔芯主要是用石墨制成的,石墨和金刚石都是由碳原子构成的,为什么铅笔芯比较软,而金刚石比较硬
提示:石墨和金刚石物理性质差异大的原因是碳原子的排列方式不同。
【归纳提升】
1.对外形及物理性质表现各向异性还是各向同性的解释
项目 单晶体 多晶体 非晶体
外形 规则 不规则 不规则
物理性质 各向异性 各向同性 各向同性
微观 解释 单晶体内部物质微粒的排列有一定规律,因此宏观上有规则的几何外形。在不同方向上的微粒排列及物质结构情况不一样,在物理性质上表现为各向异性 多晶体内部物质微粒的排列没有一定规律,因此宏观上没有规则的几何外形。在多晶体内部,物质微粒的排列是杂乱无章的,从统计的观点来看,在不同方向上的微粒排列及物质结构情况基本相同,因此在物理性质上表现为各向同性 非晶体内部物质微粒的排列没有一定规律,在宏观上没有规则的几何外形。在非晶体内部,物质微粒的排列是杂乱无章的,从统计观点来看,在不同方向上的微粒排列及物质结构情况基本相同,因此在物理性质上表现为各向同性
2.对同素异形体的解释
有的物质有几种晶体,是因为它们的物质微粒能形成不同的晶体结构。例如碳原子按不同的结构排列可形成石墨和金刚石,二者在物理性质上有很大差别。白磷和红磷的化学成分相同,但白磷具有立方体结构,而红磷具有与石墨一样的层状结构,二者在物理性质上也有很大差别。
3.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。
【典型例题】
【例题2】 (多选)下列叙述正确的是(　　)
A.晶体的各向异性是由于它的微粒按点阵结构排列
B.单晶体具有规则的几何外形是由于它的微粒按一定规律排列
C.非晶体有规则的几何形状和确定的熔点
D.石墨的硬度比金刚石的差很多,是由于它的微粒没有按点阵结构分布
答案:AB
解析:晶体内部微粒排列的空间结构决定着晶体的物理性质是否相同;也正是由于它的微粒按一定规律排列,使单晶体具有规则的几何形状。石墨与金刚石的硬度相差甚远是由于它们内部微粒的排列结构不同,石墨的层状结构决定了它的质地柔软,而金刚石的网状结构决定了其中碳原子间的作用力很强,所以金刚石有很大的硬度。故A、B正确。
【变式训练2】 (多选)关于晶体和非晶体,以下说法正确的是(　　)
A.同种物质在不同的条件下可表现为晶体或非晶体
B.晶体内部的微粒是静止的,而非晶体内部的物质微粒在不停地运动着
C.在物质内部的各个层面上,微粒数相等的是晶体,微粒数不等的是非晶体
D.非晶体在不同直线上微粒的个数大致相等,所以在物理性质上表现为各向同性
答案:AD
解析:同种物质也可能以晶体或非晶体两种不同形式出现,所以A正确;不管是晶体还是非晶体,组成物体的微粒永远在运动,所以B错误;非晶体没有层面,也就谈不到什么层面的问题,即使是晶体,各个层面的微粒数也不一定相等,所以C错误,D正确。
【问题引领】
知识点三
液晶
通过查阅材料叙述液晶显示器的显示原理。
提示:在电场作用下,液晶分子的排列发生变化,从而使入射光束透过液晶时产生强度上的变化,这种变化进一步通过偏光片的作用表现为明暗的变化。据此,通过对电场的控制可以实现光线的明暗变化,从而达到信息显示的目的。因此,液晶材料的作用类似于一个个小的“光阀”。
【归纳提升】
1.特点
(1)液晶具有液体的流动性。
(2)液晶具有光学上的各向异性。
(3)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。
(4)有些物质在特定的温度范围之内具有液晶态,有些物质溶解在适当的溶剂中,在一定的浓度范围内具有液晶态,不是所有物质都具有液晶态。
(5)天然存在的液晶很少,多数液晶是人工合成的。
2.液晶的应用
液晶在生物医学、电子工业、航空工业中都有重要作用,液晶可以作为显示元件,有一种液晶,受外加电压的影响,会由透明状态变成浑浊状态,去掉电压,又恢复透明,当输入电信号,加上适当电压,透明的液晶变得浑浊,从而显示出设定的文字或数码。
液晶是存在于液态和固态之间的一种特殊的物质状态,既有液体的流动性,也有晶体的各向异性。
【典型例题】
【例题3】 (多选)关于液晶,下列说法正确的是(　　)
A.液晶是一种晶体
B.液晶分子的空间排列是稳定的,具有各向异性
C.液晶的光学性质随温度的变化而变化
D.液晶的光学性质随外加电压的变化而变化
答案:CD
解析:液晶的微观结构介于晶体和液体之间,虽然液晶分子在特定方向排列比较整齐,具有各向异性,但分子的排列是不稳定的,选项A、B错误。外界条件的微小变化都会引起液晶分子排列的变化,从而改变液晶的某些性质,温度、压力、外加电压等因素变化时,都会改变液晶的光学性质,选项C、D正确。
【变式训练3】 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.液晶是一种特殊的物质,具有光学的各向同性
D.所有物质在一定条件下都能成为液晶
答案:B
解析:有些化合物像液体一样具有流动性,而其光学性质与某些晶体相似,具有各向异性,人们把处于这种状态的物质叫液晶,所以A错误;虽然液晶分子在特定方向排列比较整齐,具有各向异性,但分子的排列是不稳定的,所以B正确;有许多不同类型的液晶,这可以通过其不同的光学性质(如双折射现象)来区分,具有晶体的光学各向异性,所以C错误;并不是所有物质在一定条件下都能成为液晶,所以D错误。
【问题引领】
知识点四
新型材料
随着纳米科技的发展,纳米商品开始进入市场,有的商家为了促销商品,打着纳米材料的幌子到处招摇撞骗,如在社会上出现了纳米“冰箱”、纳米“洗衣机”,甚至出现了纳米“电影”的笑话。你了解什么是“纳米”吗 你知道纳米材料有哪些良好的性能吗
提示:纳米是长度单位:1 nm=10-9 m。以碳纳米管为例,纳米材料韧性高、导电性极强,并兼具金属和半导体的特性。
【归纳提升】
1.半导体
半导体的导电性能介于金属与绝缘体之间。它的电阻比导体大得多,但又比绝缘体小得多。当作导体来使用,它的电阻太大;当作绝缘材料来使用,它的电阻太小。但是,半导体有许多神奇而特殊的电学特性,使它获得了多方面的重要应用。
(1)有的半导体,在受到压力后,电阻发生较大的变化(可称为“力敏性”)。利用这种半导体可以做成体积很小的力敏元件,它可以把压力变化转变成电流的变化,使人们在测出电流变化的情况后,从而也就知道了压力变化。
(2)有的半导体,在受热后电阻随温度的升高而迅速减小(可称为“热敏性”)。利用这种半导体可以做成体积很小的热敏电阻。热敏电阻可以用来测量很小范围内的温度变化,不仅反应快,而且精确度高。
(3)有的半导体在光照下的电阻会大为减小(可称为“光敏性”)。利用这种半导体可以做成体积很小的光敏电阻。没有光照射时,光敏电阻就像绝缘体那样不容易导电;有光照射时,光敏电阻又像导体那样导电。
光敏电阻的外形及其在电路中的符号
2.纳米材料
(1)纳米是长度单位:1 nm=10-9 m。
(2)纳米技术:在纳米尺度(1~100 nm)上制造材料和器件的技术。即重新排列原子而制造具有新分子结构的技术。
(3)纳米材料有纳米金属、纳米磁场材料、纳米陶瓷材料、纳米传感材料、纳米医用材料等。
(4)纳米材料的特性
当材料小到纳米尺度时,其性能会发生突变,体现在以下几方面。
力学性能:高强、高硬和良好塑性。
热学性能:熔点较低。
电学性能:低温时会呈现电绝缘性。
化学性能:具有相当高的化学活性。
(5)纳米材料应用领域:能源、环保、通信、航空航天、医疗、日常生活等。
材料科学技术的基础是研究材料的微观结构,因为固体材料内部物质微粒的排列影响材料的物理性能。
【典型例题】
【例题4】 (多选)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正确的是(　　)
A.在力学性能方面,纳米材料具有高强度、高硬度和良好的塑性
B.在热学性能方面,纳米超细微粒的熔点比常规粉体低得多
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,因此化学稳定性强
答案:AB
解析:纳米材料具有良好的性能,在力学性能方面,纳米材料具有高强度、高硬度和良好的塑性,A正确。在热学性能方面,纳米超细微粒的熔点比常规粉体低得多,B正确。在电学性能方面,纳米材料在低温时会呈现电绝缘性;而在化学性能方面,纳米材料具有相当高的化学活性,故选项C、D错误。
【变式训练4】 下列关于半导体的说法错误的是(　　)
A.半导体的电阻随温度的升高而增大
B.利用半导体的导电特点可以制成有特殊用途的光敏、热敏电阻
C.半导体材料可以制成晶体二极管和晶体三极管
D.半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间
答案:A
解析:只有部分半导体材料具有热敏特性,且半导体热敏电阻有正温度系数和负温度系数两种,故A错误,符合题意;利用半导体的导电特点可以制成有特殊用途的光敏、热敏电阻,故B正确,不符合题意;半导体材料可以制成晶体二极管和晶体三极管,故C正确,不符合题意;半导体的性能介于导体和绝缘体之间,故D正确,不符合题意。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(晶体、非晶体)下列物质属于晶体的是(　　)
A.玻璃 B.橡胶
C.食盐 D.松香
答案:C
解析:常见的非晶体有石蜡、玻璃、松香、橡胶等,故A、B、D错误;常见的晶体有各种金属、石英、食盐、固态的酒精等,故C正确。
2.(晶体的微观结构)关于晶体与非晶体,下列说法不正确的是(　　)
A.食盐熔化过程中,温度保持不变,说明食盐是晶体
B.金、银、铜、铁等金属容易加工成各种形状,所以金属不是晶体
C.天然石英表现为各向异性,是由于该物质的微粒在空间有规则地排列
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:B
解析:食盐是晶体,有一定熔化温度,在熔化过程中,温度保持不变,故A正确,不符合题意。金、银、铜、铁等金属是多晶体,有很好的延展性,所以容易加工成各种形状,故B错误,符合题意。天然石英表现为各向异性,是由于组成该物质的微粒在空间的排列是规则的,具有空间上的周期性,故C正确,不符合题意。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造成的,故D正确,不符合题意。
3.(液晶)(多选)下列关于液晶的说法正确的是(　　)
A.液晶的化学性质可以随温度、所加电压的变化而变化
B.因为液晶在一定条件下发光,所以可以用来做显示屏
C.人体的某些组织中存在液晶结构
D.笔记本电脑的彩色显示器,是因为在液晶中掺入了少量多色性染料,液晶中电场强度不同时,它对不同色光的吸收强度不一样,所以显示出各种颜色
答案:ACD
解析:液晶的光学性质具有各向异性,液晶的光学性质会随所加电压及温度的变化而变化,故A正确;液晶的光学性质随外加电压的变化而变化,不是液晶在一定条件下发光,故B错误;在脑、肌肉、视网膜等多种人体组织中都发现了液晶结构,故C正确;笔记本电脑的彩色显示器,是因为在液晶中掺入了少量多色性染料,液晶中电场强度不同时,它对不同色光的吸收强度不一样,所以显示出各种颜色,故D正确。
4.(新材料)下列关于纳米材料的说法正确的是(　　)
A.很小的材料就是纳米材料
B.纳米材料就是“纳米”物质做成的材料
C.纳米材料只是近几年才开始被人们利用的,不存在天然的纳米材料
D.纳米材料的基本单元很小
答案:D
解析:纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的固体材料,故A、B错误,D正确;纳米材料只是近几年才开始被人们利用的,存在天然的纳米材料,也存在人工合成的纳米材料,故C错误。
5.(晶体、非晶体)(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,而且具有一定的熔点,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
答案:ABD
解析: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微粒性质不同引起的,而是微粒的数目和微粒间距不相同造成的,选项A、B正确,C错误。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,故选项D正确。

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