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1、高中物理高中物理选修选修3-3鲁科版鲁科版第第2节固体的微观结构节固体的微观结构第第3节材料科技与人类文明节材料科技与人类文明目标定位目标定位1.认认识固体微固体微观结构和特点构和特点2.用固体的微用固体的微观结构解构解释其宏其宏观性性质3.了解材料科技与人了解材料科技与人类文明文明一、晶体的结构一、晶体的结构1组组成成晶晶体体的的物物质微微粒粒有有规则地地在在空空间排排成成 ，呈呈现周周而而复复始始的的 ，说明明晶晶体体的的微微观结构构具具有有 特特点点2晶晶体体内内部部各各微微粒粒之之间存存在在着着很很强强的的 ，将将微微粒粒约束束在在一一定定的的 上上热运运动时，这些些微微粒粒只只能能在
2、各自的在各自的 附近做微小振附近做微小振动阵列列有序有序结构构周期性周期性相互作用力相互作用力平衡位置平衡位置平衡位置平衡位置二、晶体的结合类型二、晶体的结合类型1离子晶体：离子晶体：由由正、正、负离子通离子通过 结合而成的晶体合而成的晶体2原子晶体：原子晶体：相相邻原子之原子之间通通过 结合而成的晶体合而成的晶体3金属晶体：金属晶体：物物质微粒通微粒通过 结合而成的晶体合而成的晶体离子离子键共价共价键金属金属键三、固体特征的微观解释三、固体特征的微观解释1晶晶体体内内部部微微粒粒的的排排列列有有一一定定规律律，在在宏宏观上上具具有有规则的的几几何何外外形形单晶晶体体在在沿沿不不同同方方向向的
3、的等等长直直线上上，微微粒粒的的个个数数通通常常是是 的的，这说明明单晶晶体体在在不不同同方方向向上上的的微微粒粒 及及物物质结构构情情况况是是不不一一样的的，所所以以单晶晶体体在物理性在物理性质上表上表现为各向各向 性性不相等不相等排列排列异异2非非晶晶体体的的内内部部物物质的的排排列列没没有有一一定定规律律，在在宏宏观上上没没有有规则的的几几何何外外形形非非晶晶体体在在沿沿不不同同方方向向的的等等长直直线上上，微微粒粒的的个个数数 说明明非非晶晶体体在在不不同同方方向向上上的的微微粒粒 及及物物质结构构情情况况基基本本相相同同，在在物物理理性性质上上表表现为各向各向 性性3同同一一种种物物
4、质微微粒粒在在 的的条条件件下下有有可可能能生生成成 的的晶晶体体，虽然然构构成成这些些晶晶体体的的物物质微微粒粒都都 ，但但是是由由于于它它们的的排排列列形形式式 ，因因而而物物理理性性质也也 (填填“相相同同”或或“不同不同”)大致相等大致相等排列排列同同不同不同不同不同相同相同不同不同不同不同四、材料及分类四、材料及分类1分类分类(1)按材料特性分为：按材料特性分为： 材料和材料和 材料材料(2)按按应应用用领领域域分分为为： 材材料料、能能源源材材料料、建建筑筑材材料料， 材料、航空航天材料等材料、航空航天材料等(3)按按习习惯惯分分为为： 材材料料、无无机机非非金金属属材材料料、有有
5、机机高高分分子材料和子材料和 材料材料结构构功能功能信息信息生物生物金属金属复合复合2新材料新材料(1)发发生生形形变后后几几乎乎能能100%恢恢复复原原状状的的材材料料称称为形形状状记忆合金合金(2)微微电子材料：子材料：(3)力、力、热、声、光、磁等方面的某些性能会、声、光、磁等方面的某些性能会发生突生突变的的 材料材料(4) 、 、 被被当当今今国国际社社会会公公认为现代代文明的三大支柱文明的三大支柱半半导体体纳米米材料材料信息信息能源能源一、对固体微观结构的认识和理解一、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对单晶体各向异性的解释如如图22、31所示，所示，这是在一个平面是
6、在一个平面上上单晶体物晶体物质微粒的排列情况从微粒的排列情况从图上上可以看出，在沿不同方向所画的等可以看出，在沿不同方向所画的等长直直线AB、AC、AD上物上物质微粒的数目不同微粒的数目不同直直线AB上上物物质微微粒粒较多多，直直线AD上上较少少，直直线AC上上更更少少正正因因为在在不不同同方方向向上上物物质微微粒粒的的排排列列情情况况不不同同，才才引起引起单晶体在不同方向上物理性晶体在不同方向上物理性质的不同的不同图图22、312对晶体具有一定熔点的解释对晶体具有一定熔点的解释给给晶晶体体加加热到到一一定定温温度度时，一一部部分分微微粒粒有有足足够的的动能能克克服服微微粒粒间的的作作用用力力
7、，离离开开平平衡衡位位置置，使使规则的的排排列列被被破破坏坏，晶晶体体开开始始熔熔化化，熔熔化化时晶晶体体吸吸收收的的热量量全全部部用用来来破破坏坏规则的排列，温度不的排列，温度不发生生变化化3对多晶体特征的微观解释对多晶体特征的微观解释晶晶粒粒在在多多晶晶体体里里杂乱乱无无章章地地排排列列着着，所所以以多多晶晶体体没没有有规则的的几几何何形形状状，也也不不显示示各各向向异异性性它它在在不不同同方方向向的的物物理理性性质是是相相同同的的，即即各各向向同同性性多多晶晶体体和和非非晶晶体体的的主主要要区区别是多晶体有确定的熔点，而非晶体没有是多晶体有确定的熔点，而非晶体没有4对非晶体特征的微观解释
8、对非晶体特征的微观解释在在非非晶晶体体内内部部，物物质微微粒粒的的排排列列是是杂乱乱无无章章的的，从从统计的的观点点来来看看，在在微微粒粒非非常常多多的的情情况况下下，沿沿不不同同方方向向的的等等长直直线上上，微微粒粒的的个个数数大大致致相相等等，也也就就是是说，非非晶晶体体在在不不同同方方向向上上的的微微粒粒排排列列及及物物质结构构情情况况基基本本相相同同，所所以以非晶体在物理性非晶体在物理性质上表上表现为各向同性各向同性5同同种种物物质也也可可能能以以晶晶体体和和非非晶晶体体两两种种不不同同形形态出出现，晶晶体和非晶体可在一定条件下相互体和非晶体可在一定条件下相互转化化【例【例1】关关于晶
9、体和非晶体，下列于晶体和非晶体，下列说法正确的是法正确的是()A它它们由不同的空由不同的空间点点阵构成构成B晶晶体体内内部部的的物物质微微粒粒是是有有规则地地排排列列的的，非非晶晶体体内内部部的物的物质微粒在不停地运微粒在不停地运动着着C晶晶体体内内部部的的微微粒粒是是静静止止的的，而而非非晶晶体体内内部部的的物物质微微粒粒是不停地运是不停地运动着的着的D在在物物质内内部部的的各各个个平平面面上上，微微粒粒数数相相等等的的是是晶晶体体，微微粒数不等的是非晶体粒数不等的是非晶体答案答案B解析解析空间点阵是晶体的一个特殊结构，是晶体的一个特性，空间点阵是晶体的一个特殊结构，是晶体的一个特性，所以所
10、以A是错误的；不管是晶体还是非晶体，组成物质的微粒是错误的；不管是晶体还是非晶体，组成物质的微粒永远在做热运动，所以永远在做热运动，所以C是错误的；非晶体也提不到什么层是错误的；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，面的问题，即使是晶体，各个层面的微粒数也不见得相等，所以所以D也是错误的故正确答案为也是错误的故正确答案为B.【例【例2】2010年年诺贝尔尔物理学物理学奖授予安德烈授予安德烈海姆和康斯坦海姆和康斯坦丁丁诺沃肖洛夫，以表彰他沃肖洛夫，以表彰他们在石墨在石墨烯材料方面的卓越研材料方面的卓越研究他究他们通通过透明胶透明胶带对石墨石墨进行反复的粘行反复的
11、粘贴与撕开，与撕开，使得石墨片的厚度逐使得石墨片的厚度逐渐减小，最减小，最终寻找到了厚度只有找到了厚度只有0.34 nm的石墨的石墨烯，是碳的二，是碳的二维结构如构如图22、32所示所示为石墨、石墨石墨、石墨烯的微的微观结构，根据以上信息和已学构，根据以上信息和已学知知识判断，下列判断，下列说法中正确的是法中正确的是()图图22、32A石墨是晶体，石墨石墨是晶体，石墨烯是非晶体是非晶体B石墨是石墨是单质，石墨，石墨烯是化合物是化合物C石墨、石墨石墨、石墨烯与金与金刚石都是晶体石都是晶体D他他们是通是通过物理物理变化的方法化的方法获得石墨得石墨烯的的答案答案CD解解析析石石墨墨、石石墨墨烯烯、金
12、金刚刚石石都都为为晶晶体体且且都都为为单单质质，A，B错错误误，C正正确确；两两位位科科学学家家是是通通过过物物理理变变化化的的方方法法获获得得石石墨墨烯烯的，的，D正确故正确的答案为正确故正确的答案为C、D.二、对常见新材料的认识二、对常见新材料的认识1形状记忆合金形状记忆合金(1)定定义：将将一一种种含含镍55%、含含钛45%的的“镍钛诺”合合金金丝加加热并并弯弯成成各各种种复复杂的的形形状状，然然后后冷冷却却并并拉拉直直，当当再再次次加加热时，拉拉直直的的合合金金丝又又恢恢复复到到原原来来的的形形状状，因因此此这种种合金被称合金被称为形状形状记忆合金；合金；(2)应用：用：工工程机械、航
13、空航天、医程机械、航空航天、医疗卫生等生等领域域2半导体半导体(1)定定义：导电性性能能介介于于金金属属导体体和和绝缘体体之之间，具具有有优异特性的微异特性的微电子材料；子材料；(2)应用用：通通信信卫星星、电视卫星星接接收收机机、移移动通通信信、高高清清晰度晰度电视以及以及军用用电子装置等子装置等领域域3纳米材料纳米材料(1)定定义：粒度在：粒度在1100 nm的材料称的材料称为纳米材料；米材料；(2)应用用：医医药、电子子、生生物物、航航空空等等方方面面都都有有广广阔的的应用空用空间【例【例3】材材料如果按特性分料如果按特性分类，可分，可分为()A结构材料构材料 B信息材料信息材料C复合材
14、料复合材料 D功能材料功能材料答案答案AD解解析析按按照照材材料料的的特特性性，可可以以把把材材料料分分为为结结构构材材料料和和功功能能材材料料两两类类结结构构材材料料主主要要利利用用材材料料的的力力学学特特性性，功功能能材材料料主主要要利利用用材材料料的的声声、光光、热热、电电、磁磁等等特特性性故故选选A、D.【例例4】纳纳米米材材料料的的奇奇特特效效应使使纳米米材材料料表表现出出不不同同于于传统材材料料的良好性能，以下关于的良好性能，以下关于纳米材料的性能的米材料的性能的说法中，正确的是法中，正确的是()A在力学性能方面，在力学性能方面，纳米材料具有高米材料具有高强强、高硬和良好的塑性、高
15、硬和良好的塑性B在在热学性能方面，学性能方面，纳米超米超细微粒的熔点比常微粒的熔点比常规粉体高得多粉体高得多C在在电学性能方面，学性能方面，纳米金属在低温米金属在低温时会呈会呈现超超导电性性D在化学性能方面，在化学性能方面，纳米材料化学活性低米材料化学活性低答案答案A解析解析解答本题时应注意纳米材料的良好性能主要表现在：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、高硬和良好塑性力学性能：高强、高硬和良好塑性(2)热学性能：熔点较低热学性能：熔点较低(3)电学性能：低温时会呈现电绝缘性电学性能：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化学性能：具有相当高的化学活性.
