普通高中物理选择性必修三 第二章第4节 固体

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• 普通高中物理选择性必修三 第二章第4节 固体
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第三册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 观察食盐颗粒和松香的外形，它们的外形各有怎样的特征？再用显微镜观察精盐和松香粉末的外形，两者有什么样的差别吗？
  • 食盐颗粒总是呈现立方体形，松香颗粒没有规则的几何形状。
• 晶体和非晶体
  • 固体可以分为晶体和非晶体两类
• 晶体物质
  • 石英
    • 天然石英晶体（俗称水晶）的中间是一个六棱柱，两端是六棱锥。
  • 雪花
    • 雪花水蒸气凝华时形成的晶体，它们都有六个角。
  • 食盐
    • 食盐晶体是正六面体形。
  • 明矾
    • 明矾晶体是八面体形。
  • 云母
    • 云母是一种矿物，化学成分为铝硅酸盐，可以剥成一片片的薄层。有些云母的绝缘性能很好，在过去没有塑料的年代，云母常在电器中当作绝缘物使用。
  • 其它
    • 硫酸铜、味精等。
  • 晶体有天然的、规则的几何形状。
• 非晶体物质
  • 玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是非晶体。
    • 非晶体没有规则的外形。
• 晶体与非晶体在物理性质上存在差异。例如：晶体具有确定的熔点，非晶体没有确定的熔化温度。
• 实验
  • 观察玻璃和云母片上石蜡熔化区域的形状
    • 把熔化了的石蜡薄薄地涂在薄玻璃片和单层云母片上。
    • 将烙铁通电烧热，用烙铁头分别接触玻璃片和云母片的背面。
    • 观察玻璃片和云母片石蜡熔化区域的形状。
      • 玻璃片上石蜡熔化区域的形状近似于圆形，表明玻璃沿各个方向的导热性能相同。
      • 云母片上石蜡熔化区域的形状呈椭圆形，表明云母沿不同方向的导热性能不同。
• 云母沿不同方向的导热性能不同，还有些晶体沿不同方向的导电性能不同；而有些晶体沿不同方向的光学性质不同，这类现象叫作各向异性。
  • 例如：方解石晶体是各向异性的晶体，它能把光分解为两束光而沿不同方向折射，形成双折射现象。
• 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。
• 多晶体
  • 金属
    • 金属是由许多细小的晶粒组成的。
    • 每个晶粒都是一个小的单晶体，有规则的形状且各向异性。
    • 由于金属中的单晶体的取向杂乱无章，所以金属没有确定的几何形状，也不显示各向异性，仅保留了在一定压强下具有确定熔点的特征，我们把它称为多晶体。
  • 蔗糖
    • 蔗糖受潮后粘在一起形成的糖块，看起来没有确定的几何形状，用放大镜观看，可以发现组成糖块的一个个晶体粒。
      • 粘在一起的糖块是多晶体，单个的蔗糖晶体颗粒是单晶体。
• 晶体的微观结构
• 晶体的形状和物理性质与非晶体不同，人们认为可能是因为它们的微观结构不一样。
  • 17世纪到19世纪，陆续出现了一些假说。
    • 一种假说认为：各种晶体内部的微粒是按各自的规则排列着的。
      • 由于当时检测技术的限制，缺少实验证据，所以，这些想法只能是假说。
  • 20世纪初，证实了假说。
    • 通过X射线在晶体上衍射的实验，人们证实了假说。
      • 在20世纪70年代，人们用电子显微镜观察到了铀、钍原子的像。1982年，人们用扫描隧道显微镜观察到物质表面原子的排列。
• 晶体的 微观结构
  • 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。
    • 食盐晶体中氯离子和钠离子分布的示意图
  • 有的物质在不同条件下能够生成不同的晶体，因为组成它们的微粒能按照不同规则在空间分布。
    • 碳原子组成的石墨与金刚石
      • 石墨：层状结构，层与层之间距离较大，碳原子间的作用力比较弱，所以，石墨质地松软，可以用来制作粉状润滑剂。
      • 金刚石：碳原子间的作用力很强，所以金刚石有很大的硬度，可以用来切割玻璃。
  • 原子（或分子、离子）并不是静止不动的。
    • 原子（或分子、离子）在不停地振动，图中所画的点，是它们振动的平衡位置。
• 物质是晶体还是非晶体，并不是绝对的。
  • 天然石英是晶体，而熔化以后再凝固的水晶（即石英玻璃）就是非晶体。
  • 有些非晶体在一定条件下也可以转化为晶体。
• 科学漫步 石墨烯实验研究背后的故事
  • 2010年的诺贝尔物理学奖授予了安德烈×盖姆与康斯坦丁×诺沃肖洛夫两人，以表彰他们对石墨烯的开创性实验研究。
    • 安德烈对待研究工作一直颇具想象力和好奇心。
      • 安德烈在利用超导强磁铁发现水分子具有抗磁性后（水滴悬浮在磁场中），开始思考：生物体内绝大多数物质是水，而且生物体内的蛋白质也具有抗磁性，如果将物体体放入磁场内，会像水滴一样悬浮吗？
      • 安德烈把一只活体青蛙放入磁场，在精确的计算下，这只青蛙真的悬浮在磁场中。
      • 安德烈将这个实验结果发表在了物理期刊上，并为他赢得了2000年的“搞笑诺贝尔物理学奖”。
      • 安德烈在偶然的机会下，观察到助手们用透明胶带去除石墨块表面的污渍。这时他天才的直觉引导他将粘过的胶带放到仪器下观察，发现远比助手们打麿好的样品薄了许多，有的甚至只有几十个原子那么厚。
      • 安德烈利用透明胶带反复地粘黏，直到获得了单层的石墨——石墨烯。
  • 石墨烯具有六边形的晶体结构，单层厚度仅为 0.335mm。
    • 在2004年之前，人类对材料的研究已经进入纳米、甚至原子尺度，人们对石墨烯的结构有了更清晰的认识，预言了单层石墨可能会有非常好的物理性质。
    • 如何把石墨不断麿薄，薄到只有一个原子的厚度，成了世界性难题。
    • 石墨烯独特的结构使得它在力学 、电学等方面具有很多奇特的物理性质。
      • 力学特性方面：石墨烯是目前人类已知的强度最高的物质之一，强度比世界上最好的钢铁还要高百倍之多。同时还具有很好的韧性，且可以弯曲。
      • 电学、热学特性方面：电子在石墨烯中“奔跑”的速率（即迁移率）比在硅材料中高出数十倍甚至上百倍，这有利用于进一步提高计算机处理器的运算速率。
• 解决具有挑战性的科学问题，除了扎实的理论和精密的仪器外，好奇心、想象力、对日常生活的细致观察和灵活运用也同样重要。
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