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高中物理 選修3 3 魯科版 第2節(jié)固體的微觀結(jié)構(gòu)第3節(jié)材料科技與人類文明 目標(biāo)定位 1 認(rèn)識(shí)固體微觀結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 2 用固體的微觀結(jié)構(gòu)解釋其宏觀性質(zhì) 3 了解材料科技與人類文明 一 晶體的結(jié)構(gòu)1 組成晶體的物質(zhì)微粒有規(guī)則地在空間排成 呈現(xiàn)周而復(fù)始的 說(shuō)明晶體的微觀結(jié)構(gòu)具有特點(diǎn) 2 晶體內(nèi)部各微粒之間存在著很強(qiáng)的 將微粒約束在一定的上 熱運(yùn)動(dòng)時(shí) 這些微粒只能在各自的附近做微小振動(dòng) 陣列 有序結(jié)構(gòu) 周期性 相互作用力 平衡位置 平衡位置 二 晶體的結(jié)合類型1 離子晶體 由正 負(fù)離子通過(guò)結(jié)合而成的晶體 2 原子晶體 相鄰原子之間通過(guò)結(jié)合而成的晶體 3 金屬晶體 物質(zhì)微粒通過(guò)結(jié)合而成的晶體 離子鍵 共價(jià)鍵 金屬鍵 三 固體特征的微觀解釋1 晶體內(nèi)部微粒的排列有一定規(guī)律 在宏觀上具有規(guī)則的幾何外形 單晶體在沿不同方向的等長(zhǎng)直線上 微粒的個(gè)數(shù)通常是的 這說(shuō)明單晶體在不同方向上的微粒及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況是不一樣的 所以單晶體在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向性 不相等 排列 異 2 非晶體的內(nèi)部物質(zhì)的排列沒有一定規(guī)律 在宏觀上沒有規(guī)則的幾何外形 非晶體在沿不同方向的等長(zhǎng)直線上 微粒的個(gè)數(shù)說(shuō)明非晶體在不同方向上的微粒及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況基本相同 在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向性 3 同一種物質(zhì)微粒在的條件下有可能生成的晶體 雖然構(gòu)成這些晶體的物質(zhì)微粒都 但是由于它們的排列形式 因而物理性質(zhì)也 填 相同 或 不同 大致相等 排列 同 不同 不同 相同 不同 不同 四 材料及分類1 分類 1 按材料特性分為 材料和材料 2 按應(yīng)用領(lǐng)域分為 材料 能源材料 建筑材料 材料 航空航天材料等 3 按習(xí)慣分為 材料 無(wú)機(jī)非金屬材料 有機(jī)高分子材料和材料 結(jié)構(gòu) 功能 信息 生物 金屬 復(fù)合 2 新材料 1 發(fā)生形變后幾乎能100 恢復(fù)原狀的材料稱為形狀記憶合金 2 微電子材料 3 力 熱 聲 光 磁等方面的某些性能會(huì)發(fā)生突變的材料 4 被當(dāng)今國(guó)際社會(huì)公認(rèn)為現(xiàn)代文明的三大支柱 半導(dǎo)體 納米 材料 信息 能源 一 對(duì)固體微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和理解1 對(duì)單晶體各向異性的解釋如圖2 2 3 1所示 這是在一個(gè)平面上單晶體物質(zhì)微粒的排列情況 從圖上可以看出 在沿不同方向所畫的等長(zhǎng)直線AB AC AD上物質(zhì)微粒的數(shù)目不同 直線AB上物質(zhì)微粒較多 直線AD上較少 直線AC上更少 正因?yàn)樵诓煌较蛏衔镔|(zhì)微粒的排列情況不同 才引起單晶體在不同方向上物理性質(zhì)的不同 圖2 2 3 1 2 對(duì)晶體具有一定熔點(diǎn)的解釋給晶體加熱到一定溫度時(shí) 一部分微粒有足夠的動(dòng)能克服微粒間的作用力 離開平衡位置 使規(guī)則的排列被破壞 晶體開始熔化 熔化時(shí)晶體吸收的熱量全部用來(lái)破壞規(guī)則的排列 溫度不發(fā)生變化 3 對(duì)多晶體特征的微觀解釋晶粒在多晶體里雜亂無(wú)章地排列著 所以多晶體沒有規(guī)則的幾何形狀 也不顯示各向異性 它在不同方向的物理性質(zhì)是相同的 即各向同性 多晶體和非晶體的主要區(qū)別是多晶體有確定的熔點(diǎn) 而非晶體沒有 4 對(duì)非晶體特征的微觀解釋在非晶體內(nèi)部 物質(zhì)微粒的排列是雜亂無(wú)章的 從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看 在微粒非常多的情況下 沿不同方向的等長(zhǎng)直線上 微粒的個(gè)數(shù)大致相等 也就是說(shuō) 非晶體在不同方向上的微粒排列及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況基本相同 所以非晶體在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性 5 同種物質(zhì)也可能以晶體和非晶體兩種不同形態(tài)出現(xiàn) 晶體和非晶體可在一定條件下相互轉(zhuǎn)化 例1 關(guān)于晶體和非晶體 下列說(shuō)法正確的是 A 它們由不同的空間點(diǎn)陣構(gòu)成B 晶體內(nèi)部的物質(zhì)微粒是有規(guī)則地排列的 非晶體內(nèi)部的物質(zhì)微粒在不停地運(yùn)動(dòng)著C 晶體內(nèi)部的微粒是靜止的 而非晶體內(nèi)部的物質(zhì)微粒是不停地運(yùn)動(dòng)著的D 在物質(zhì)內(nèi)部的各個(gè)平面上 微粒數(shù)相等的是晶體 微粒數(shù)不等的是非晶體答案B 解析空間點(diǎn)陣是晶體的一個(gè)特殊結(jié)構(gòu) 是晶體的一個(gè)特性 所以A是錯(cuò)誤的 不管是晶體還是非晶體 組成物質(zhì)的微粒永遠(yuǎn)在做熱運(yùn)動(dòng) 所以C是錯(cuò)誤的 非晶體也提不到什么層面的問(wèn)題 即使是晶體 各個(gè)層面的微粒數(shù)也不見得相等 所以D也是錯(cuò)誤的 故正確答案為B 例2 2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予安德烈 海姆和康斯坦丁 諾沃肖洛夫 以表彰他們?cè)谑┎牧戏矫娴淖吭窖芯?他們通過(guò)透明膠帶對(duì)石墨進(jìn)行反復(fù)的粘貼與撕開 使得石墨片的厚度逐漸減小 最終尋找到了厚度只有0 34nm的石墨烯 是碳的二維結(jié)構(gòu) 如圖2 2 3 2所示為石墨 石墨烯的微觀結(jié)構(gòu) 根據(jù)以上信息和已學(xué)知識(shí)判斷 下列說(shuō)法中正確的是 圖2 2 3 2 A 石墨是晶體 石墨烯是非晶體B 石墨是單質(zhì) 石墨烯是化合物C 石墨 石墨烯與金剛石都是晶體D 他們是通過(guò)物理變化的方法獲得石墨烯的答案CD解析石墨 石墨烯 金剛石都為晶體且都為單質(zhì) A B錯(cuò)誤 C正確 兩位科學(xué)家是通過(guò)物理變化的方法獲得石墨烯的 D正確 故正確的答案為C D 二 對(duì)常見新材料的認(rèn)識(shí)1 形狀記憶合金 1 定義 將一種含鎳55 含鈦45 的 鎳鈦諾 合金絲加熱并彎成各種復(fù)雜的形狀 然后冷卻并拉直 當(dāng)再次加熱時(shí) 拉直的合金絲又恢復(fù)到原來(lái)的形狀 因此這種合金被稱為形狀記憶合金 2 應(yīng)用 工程機(jī)械 航空航天 醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域 2 半導(dǎo)體 1 定義 導(dǎo)電性能介于金屬導(dǎo)體和絕緣體之間 具有優(yōu)異特性的微電子材料 2 應(yīng)用 通信衛(wèi)星 電視衛(wèi)星接收機(jī) 移動(dòng)通信 高清晰度電視以及軍用電子裝置等領(lǐng)域 3 納米材料 1 定義 粒度在1 100nm的材料稱為納米材料 2 應(yīng)用 醫(yī)藥 電子 生物 航空等方面都有廣闊的應(yīng)用空間 例3 材料如果按特性分類 可分為 A 結(jié)構(gòu)材料B 信息材料C 復(fù)合材料D 功能材料答案AD解析按照材料的特性 可以把材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩類 結(jié)構(gòu)材料主要利用材料的力學(xué)特性 功能材料主要利用材料的聲 光 熱 電 磁等特性 故選A D 例4 納米材料的奇特效應(yīng)使納米材料表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)材料的良好性能 以下關(guān)于納米材料的性能的說(shuō)法中 正確的是 A 在力學(xué)性能方面 納米材料具有高強(qiáng) 高硬和良好的塑性B 在熱學(xué)性能方面 納米超細(xì)微粒的熔點(diǎn)比常規(guī)粉體高得多C 在電學(xué)性能方面 納米金屬在低溫時(shí)會(huì)呈現(xiàn)超導(dǎo)電性D 在化學(xué)性能方面 納米材料化學(xué)活性低答案A 解析解答本題時(shí)應(yīng)注意納米材料的良好性能主要表現(xiàn)在 1 力學(xué)性能 高強(qiáng) 高硬和良好塑性 2 熱學(xué)性能 熔點(diǎn)較低 3 電學(xué)性能 低溫時(shí)會(huì)呈現(xiàn)電絕緣性 4 化學(xué)性能 具有相當(dāng)高的化學(xué)活性