高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 固体教学设计

波的形成

【教学目标】

（一）知识与技能

1．知道固体可分为晶体和非晶体两大类。

2．知道晶体和非晶体在外形与物理性质上的差别。

3．知道晶体可分为单晶体和多晶体，通常说的晶体及性质是指单晶体，多晶体的许多性质与非晶体类似。

4．理解晶体的规则外形与晶体的微观结构有关。

（二）过程与方法

通过观察实验现象加强学生对晶体和非晶体的性质了解

（三）情感、态度与价值观

扩展学生的眼界，引起对研究固体性质的兴趣和求知欲望

【教学重点】

1. 晶体和非晶体在外形与物理性质上的差别。

2. 能用晶体的空间点阵说明其物理性质的各向异性。

【教学过程】

一、引入新课

问题：同学们想一下，自然界中物质有几种存在形式呢？

回答：固态、液态、气态。这节课我们学习固体。

人类对固体材料的应用，由来已久。石器时代，人类只会将石头制成简单的工具。而今，人类已经可以操控原子，将原子按需要排列起来，制成新的材料。这一技术属于纳米科技的范畴，下面让我们一起走近纳米的世界。

观看视频，了解纳米科技的研究范畴以及纳米材料的特性。

通过观看上面的视频，我们了解到，若将物质做成纳米量级的颗粒，它的原有性质会发生显著的变化。例如，当物质小到纳米量级时，它的比表面积变得惊人的大，1g氧化铝纳米颗粒的表面积会达到篮球场的大小。与外界的接触面积变大，会使材料的活性增强，将这样的材料作为火箭的固体燃料，能够增大对火箭的推力。右图为陶瓷制成的刀具，可能我们会担心它容易损坏，但这不是普通的陶瓷，而是把陶瓷制成纳米颗粒，再烧结起来，陶瓷便会有非常好的韧性，即使落到地上也不致摔碎。可见，新材料的研究无论对科技发展还是对日常生活都很重要。应用材料、改善材料的前提是认识材料、了解材料。下面学习固体材料的分类及特性。

二、新课教学。

  （一）固体可分为晶体和非晶体

用投影片展示食盐晶体的外形，指出食盐颗粒呈正方体形，有规则的几何形状。蔗糖和味精颗粒也有规则的外形，与食盐有类似的特点。像这样，有规则的外形的固体，称为晶体。自然界中有许多晶体，它们有各自的规则形状。明矾呈八面体形，石英晶体是由棱柱和棱锥构成的，雪花是六角形的。

自然界中还有一些固体，松香（松树树脂加工而成）、沥青、蜂蜡（从蜂巢中提取而来），它们没有规则的外形，我们称它们为非晶体。

1.晶体：具有天然规则的几何外形。

2.非晶体：没有天然规则的几何外形。

问题：外形规则的固体一定是晶体吗？蜡烛，每根都是圆柱形的，它是晶体吗？

蜡烛融化后再凝固，形状各异，没有规则的形状，也就是说蜡烛的圆柱形不是天然形成的，而是人为加工而成。

这是将饱和的食盐水溶液放在阴凉处，静置几天，食盐逐渐结晶形成的颗粒，颗粒是正方体形的。这说明晶体的外形是天然形成的。

因此，天然形成的形状规则的固体才属于晶体。

（二）晶体包括单晶体和多晶体

问题：外形不规则的固体一定是非晶体吗？

冰糖，有规则的形状，且是天然形成的，因此冰糖是晶体。然而，冰糖受潮之后会粘在一起，外形便会是不规则的，但它是由多个冰糖晶体无规律排列而成，我们称之为多晶体。自然界中许多美丽的矿石都是多晶体。

问题：金属是晶体还是非晶体呢？

我们常见的金属或合金，晶粒非常小，肉眼无法看到，需要用显微镜观察。在显微镜下观察硬币，发现它是由许多晶粒杂乱无章地排列起来而形成的。因此，常见的金属或合金都是多晶体。

（三）晶体与非晶体在物理性质上的异同

1.单晶体表现各向异性的特点，多晶体和非晶体表现各向同性的特点。

实验1：

这是方解石，在自然界中分布很广，透过方解石观察文字，会看到两个重叠的像。因为光入射到方解石上，分解为两束光，沿不同方向折射，我们会在折射光线的反向延长线上看到两个像。也就是说，我们看到两个像是一束光分为两束光而形成的，这种现象称为双折射现象。这种现象产生的原因是，光在晶体中传播时，沿不同方向的折射率不同，晶体的折射率与方向有关，这种性质称为各向异性。这说明晶体在光学性质上表现各向异性的特点。

透过玻璃观察文字，只看到一个像。因为光在玻璃中传播时，只有一束折射光线，玻璃的折射率与方向无关，这样的性质称为各向同性。这说明非晶体在光学性质上表现各向同性的特点。

晶体和非晶体在导热性能上有何区别呢？我们看下面的实验。

实验2：左图为云母片，是晶体，右图是玻璃片，是非晶体。将石蜡分别涂在两个薄片上，用烧红的钢针接触不涂石蜡的一面，钢针的热量要通过薄片传递给石蜡。现象：云母片上石蜡熔化的部分呈椭圆形，而玻璃片上石蜡熔化的部分呈圆形。

问题：这一现象说明晶体和非晶体在导热性质上有何异同呢？

回答：该实验说明云母沿不同方向上导热的快慢不同，导热情况与方向有关，云母在导热方面存在各向异性的特点。玻璃沿不同方向上导热的快慢相同，导热情况与方向无关，即表现出各向同性的特点。我们用金属片做此实验，发现金属导热情况与玻璃相同，说明非晶体在导热上表现各向同性的特点。

注意：晶体具有各向异性，并不是每种晶体在各种物理性质上都表现出各向异性。云母导热性上表现出显著的各向异性，而有些晶体在导电性上表现出显著的各向异性，如方铝矿，有些晶体在光的折射上表现出显著的各向异性，如方解石。

2.晶体有固定的熔化温度，即晶体有熔点；非晶体没有固定的熔化温度，即非晶体没有熔点。

问题：根据是否表现各向异性特点，能区分晶体和非晶体吗？

提示：回顾初中时对晶体和非晶体熔化过程的研究，我们便会找到答案。

（大屏幕展示晶体和非晶体熔化过程，温度随时间变化的图像）

晶体（比如冰）在融化时，温度保持不变；非晶体（比如石蜡）在熔化过程中温度不断升高，因此，有无熔点是区分晶体和非晶体的重要依据。

3.晶体与非晶体形成过程不同

（大屏幕展示水晶和玻璃）

水晶和玻璃的主要成分都是二氧化硅，而水晶是晶体，玻璃是非晶体，化学成分相同，为什么会形成不同的物质呢？阅读资料，回答这个问题。

水晶，水中含有饱和的二氧化硅，压力在大气压力的二倍至三倍左右，温度需在550度-600度之间，再给予适当时间。在水源、压强、温度、时间等均达到一定条件，水晶晶体才会形成；玻璃，将二氧化硅与其它物质熔融在一起，而后冷却制成的。晶体和非晶体形成的条件不同，晶体的形成需要更严苛的条件。

（四）晶体的微观结构

1.合理猜想

问题：宏观上，晶体有规则的外形，非晶体没有规则的外形，晶体和非晶体的微观结构有什么区别呢？原子排列会有什么不同呢？

我们先来看两幅图，阅兵式上，队伍有规则的形状；马路上的人群，整体无规则形状。

为什么会有这样的不同呢？

回答：这与个体的排列方式有关。士兵排列有序，则队伍有规则形状；行人穿过马路，无规律地走动，所以整体无规则形状。

猜想：晶体的原子排列是有规律的，所以晶体有规则的外形；非晶体的原子排列是无序的，杂乱无章的，所以非晶体没有规则的外形。

2.实验验证

当然，仅有猜想是不够的，还需要有实验事实来证明。

我们先来看一个小实验。

光照到两个铅笔间的缝隙上，衍射图样是明暗相间的条纹；光照到小孔上，衍射图样中间是圆形亮斑。也就是说，衍射图样能够反映障碍物、缝或孔的形状，反映障碍物的形状特点。

受上述现象的启发，劳厄想到，如果x射线的波长与晶格尺寸比较接近，用x射线照射晶体，也会发生衍射，衍射图样会反映晶体内部原子排列的信息。科学家们进行了这样的实验，将晶体放在x射线源和照相底片之间，结果在照相底片上显示出有规则的斑点群。说明晶体的原子排列确实是有规律的。后来的研究中，科学家还用电子显微镜观察到原子的像，接着用扫描隧道显微镜观察到原子及其排列情况，证实了晶体内部原子的排列是规则的、有序的。

3.晶体的微观结构特点

组成晶体的物质微粒依照一定的规律在空间中整齐地排列，食盐晶体的Na离子和Cl离子形成了规则的网络结构，每个离子都在正方体的顶点附近振动，正方体的顶点是离子振动的平衡位置。

一颗璀璨的钻石和一支写字的铅笔芯有什么异同？

铅笔芯的主要成分是石墨，碳元素构成的晶体，其原子排列是层状的，且层与层间的距离大，原子间的相互作用较弱，因此石墨质地较为松软，很容易在纸上留下痕迹。钻石是经过雕琢后的金刚石，也是由碳元素构成的晶体，其空间结构为稳定的正四面体交替链接而成，碳原子间的作用力很强，是自然界中最坚硬的物质，它能够划伤任何其他矿物，却没有任何一种矿物能划伤它。

同种原子按照不同规则在空间分布，形成不同的晶体．近年来，科学家将石墨中这薄薄的一层剥离出来，这种材料叫做石墨烯，是二维的纳米材料，有广泛的应用前景，下面我们来了解一下。

播放视频，了解科学研究的热门材料石墨烯的应用前景。

新材料的开发和应用，能够改变我们的生活，而应用新材料的前提是掌握材料的性质和特点。

（五）小结

晶体和非晶体

1.晶体：有确定的熔点。

1)单晶体：具有天然规则的几何形状。

2)多晶体：由许多杂乱无章地排列着的小晶体组成，没有天然规则的几何形状。

2.非晶体：没有天然规则的几何形状，也没有确定的熔点。

物理性质的不同

单晶体：物理性质表现为各向异性；

多晶体和非晶体：物理性质表现为各向同性。

晶体的微观结构

组成晶体的物质微粒（分子或原子、离子）依照一定的规律在空间中整齐地排列。