高中物理 第3章 固體和液體 1 晶體和非晶體 2 半導(dǎo)體教師用書 教科版選修3-3

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1．晶體和非晶體+2．半導(dǎo)體 學(xué) 習(xí) 目 標 知 識 脈 絡(luò) 1.知道什么是晶體和非晶體、單晶體和多晶體．(重點) 2．知道各向異性現(xiàn)象和各向同性現(xiàn)象． 3．掌握晶體和非晶體在外形上和物理性質(zhì)上的區(qū)別．(重點) 4．學(xué)會用晶體的微觀結(jié)構(gòu)特點來解釋晶體外形的規(guī)則性和物理性質(zhì)的各向異性．(難點) 5．了解半導(dǎo)體材料. 晶體和非晶體 1．固體可以分為晶體和非晶體兩類．石英、云母、明礬、食鹽、味精、蔗糖等是晶體，玻璃、蜂蠟、松香、瀝青、橡膠等是非晶體． 2．各向異性與各向同性 (1)各向異性：晶體的一些物理性質(zhì)與方向有關(guān)． (2)各向同性：非晶體的各種物理性質(zhì)，在各個方向上都是相同的． 3．晶體可分為單晶體和多晶體兩類． 4．單晶體和多晶體 (1)單晶體：天然具有規(guī)則幾何形狀且各向異性的大晶體． (2)多晶體：由許多晶粒構(gòu)成的晶體． 1．單晶體和多晶體都有規(guī)則的幾何外形．() 2．所有的晶體都具有各向異性．() 3．可以通過有無確定的熔點來區(qū)分晶體和非晶體．(√) 云母薄片和玻璃片上分別涂一層很薄的石蠟，然后用燒熱的鋼針去接觸云母片及玻璃片的反面，石蠟熔化，如圖311所示，那么你看到的現(xiàn)象及得出的結(jié)論是什么？ A　　　　　　　　B 圖311 【提示】　A呈圓形，玻璃為各向同性是非晶體．B呈橢圓形，云母片為各向異性是單晶體． 1．單晶體的特征 (1)具有天然的規(guī)則外形，這種規(guī)則的外形不是人工造成的． (2)物理性質(zhì)各向異性，這是單晶體區(qū)別于非晶體和多晶體最重要的特性，是判斷單晶體最主要的依據(jù)． (3)具有一定的熔點，單晶體在這一點上和多晶體沒有區(qū)別．從宏觀上區(qū)分晶體和非晶體的重要依據(jù)是看有無一定的熔點． 2．多晶體和非晶體 (1)多晶體雖無天然規(guī)則的幾何形狀，物理性質(zhì)各向同性，但組成多晶體的晶粒都有規(guī)則的幾何形狀，每一個晶粒都具有單晶體的特征和物理性質(zhì)，這是多晶體和非晶體在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的區(qū)別． (2)多晶體與非晶體在宏觀上的區(qū)別在于多晶體具有一定的熔點，非晶體則沒有，例如很多同學(xué)認為玻璃應(yīng)是多晶體，但實驗證明玻璃沒有一定的熔點，故應(yīng)是非晶體． 3．正確理解單晶體的各向異性 (1)在物理性質(zhì)上，單晶體具有各向異性，而非晶體則是各向同性的． ①單晶體的各向異性是指單晶體在不同方向上的物理性質(zhì)不同，也就是沿不同方向去測試單晶體的物理性能時，測試結(jié)果不同． ②通常所說的物理性質(zhì)包括彈性、硬度、導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能、磁性等． (2)單晶體具有各向異性，并不是說每一種單晶體都能在各種物理性質(zhì)上表現(xiàn)出各向異性，舉例如下： ①云母、石膏晶體在導(dǎo)熱性上表現(xiàn)出顯著的各向異性——沿不同方向傳熱的快慢不同. ②方鉛礦石晶體在導(dǎo)電性上表現(xiàn)出顯著的各向異性——沿不同方向電阻率不同． ③立方體形的銅晶體在彈性上表現(xiàn)出顯著的各向異性——沿不同方向的彈性不同． ④方解石晶體在光的折射上表現(xiàn)出各向異性——沿不同方向的折射率不同． 1．關(guān)于晶體和非晶體，下列說法正確的是(　　) A．可以根據(jù)各向異性或各向同性來鑒別晶體和非晶體 B．一塊均勻薄片，沿各個方向?qū)λ┘永?，發(fā)現(xiàn)其強度一樣，則此薄片一定是非晶體 C．一個固體球，如果沿其各條直線方向的導(dǎo)電性不同，則該球體一定是單晶體 D．一塊晶體，若其各個方向的導(dǎo)熱性相同，則這塊晶體一定是多晶體 E．判斷晶體和非晶體可以根據(jù)有沒有確定的熔點 【解析】　判斷固體是否為晶體的標準是看是否有固定的熔點，多晶體和非晶體都具有各向同性和無規(guī)則的外形，單晶體具有各向異性和規(guī)則的外形，C、D、E正確． 【答案】　CDE 2．(2016大連高二檢測)關(guān)于晶體和非晶體，下列說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：74320042】 A．有規(guī)則的幾何外形的固體一定是晶體 B．只有單晶體才有天然規(guī)則的幾何外形 C．晶體在物理性質(zhì)上一定是各向異性的 D．晶體熔化時具有確定的熔點 E．可以根據(jù)各向異性或各向同性來鑒別單晶體和多晶體 【解析】　單晶體有規(guī)則的幾何外形，多晶體與非晶體都沒有規(guī)則的幾何外形，但如果固體有規(guī)則的幾何外形但不是天然的，而是人為加工的，則其不一定是晶體，A錯誤、B正確；單晶體只在某些物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向異性，并非所有的物理性質(zhì)都表現(xiàn)為各向異性，多晶體在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性，C錯誤；E正確．晶體有確定的熔點，D正確． 【答案】　BDE 3.在圖312甲、乙、丙三種固體薄片上涂蠟，由燒熱的針接觸其上一點，蠟熔化的范圍如圖甲、乙、丙所示，而甲、乙、丙三種固體在熔化過程中溫度隨加熱時間變化的關(guān)系如圖丁所示，以下說法不正確的是(　　) 甲　　　　　　乙　　　　　　丙　　　　　　丁 圖312 A．甲、乙為非晶體，丙是晶體 B．甲、乙為晶體，丙是非晶體 C．甲、丙為非晶體，乙是晶體 D．甲為多晶體，乙為非晶體，丙為單晶體 E．甲、丙有確定的熔點，乙無確定的熔點 【解析】　由圖甲、乙、丙可知：甲、乙各向同性，丙各向異性；由圖丁可知：甲、丙有固定熔點，乙無固定熔點，所以甲、丙為晶體，乙為非晶體，其中甲為多晶體，丙為單晶體，故D、E正確． 【答案】　ABC 判斷晶體與非晶體、單晶體與多晶體的方法 (1)區(qū)分晶體與非晶體的方法：看其有無確定的熔點，晶體具有確定的熔點，而非晶體沒有確定的熔點，僅從各向同性或者幾何形狀不能判斷某一固體是晶體還是非晶體． (2)區(qū)分單晶體和多晶體的方法：看其是否具有各向異性，單晶體表現(xiàn)出各向異性，而多晶體表現(xiàn)出各向同性． 晶體的微觀結(jié)構(gòu)　固體性質(zhì)的微觀解釋 1．晶體的點陣結(jié)構(gòu)：如果用點來表示組成晶體的這些微粒，這些點在晶體內(nèi)部的空間就會形成一個有規(guī)則的、周期排列的結(jié)構(gòu)． 2．固體性質(zhì)的微觀解釋 (1)構(gòu)成固體的微粒排列非常緊密，微粒之間的引力很大，絕大多數(shù)粒子只在各自的平衡位置附近做小范圍的無規(guī)則振動，所以固體具有固定的形狀和體積． (2)方法：在固體界面沿不同方向畫出等長直線． (3)微觀解釋 ①單晶體在不同直線上微粒的個數(shù)不相等，說明沿不同方向微粒的排列及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況不同，在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向異性． ②非晶體在不同直線上微粒的個數(shù)大致相等，說明沿不同方向微粒排列及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況基本相同，在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性． (4)同一種物質(zhì)在不同條件下形成不同的晶體，由于微觀結(jié)構(gòu)不同，物理性質(zhì)有很大差異． 1．晶體的分子(原子、離子)排列是有規(guī)則的．(√) 2．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．(√) 3．同一種物質(zhì)只能生成一種晶體．() 為什么多晶體表現(xiàn)為各向同性？ 【提示】　多晶體是由許多雜亂無章地排列著的小晶體(晶粒)組成的．每個晶粒都是一個小單晶體，具有各向異性．但由于晶粒在多晶體里雜亂無章地排列著，所以它在不同方向的物理性質(zhì)是相同的，即各向同性． 1．對外形及物理性質(zhì)表現(xiàn)各向異性還是各向同性的解釋 單晶體 多晶體 非晶體 外形 規(guī)則 不規(guī)則 不規(guī)則 物理 性質(zhì) 各向異性 各向同性 各向同性 微觀 解釋 單晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒的排列有一定規(guī)律，因此宏觀上有規(guī)則的幾何外形．在不同方向上的微粒排列及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況不一樣，在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向異性. 多晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒的排列沒有一定規(guī)律．因此宏觀上沒有規(guī)則的幾何外形．在多晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒的排列是雜亂無章的，從統(tǒng)計的觀點來看，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，因此在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性. 非晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒的排列沒有一定規(guī)律，在宏觀上沒有規(guī)則的幾何外形．在非晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒的排列是雜亂無章的，從統(tǒng)計觀點來看，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，因此在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性. 2.對同素異形體的解釋 有的物質(zhì)有幾種晶體，是因為它們的物質(zhì)微粒能形成不同的晶體結(jié)構(gòu)．例如碳原子按不同的結(jié)構(gòu)排列可形成石墨和金剛石，二者在物理性質(zhì)上有很大差別．白磷和紅磷的化學(xué)成分相同，但白磷具有立方體結(jié)構(gòu)，而紅磷具有與石墨一樣的層狀結(jié)構(gòu)，二者在物理性質(zhì)上也有很大差別． 3．對晶體具有一定熔點的解釋 給晶體加熱到一定溫度時，一部分微粒有足夠的動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，熔化時晶體吸收的熱量全部用來破壞規(guī)則的排列，溫度不發(fā)生變化． 4．下列哪些屬于晶體的結(jié)合類型(　　) A．金屬晶體 B．離子晶體 C．多晶體 D．原子晶體 E．單晶體 【解析】　晶體的結(jié)合類型有：離子晶體、原子晶體和金屬晶體，故選A、B、D. 【答案】　ABD 5．下列敘述中正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：74320043】 A．晶體的各向異性是由于它的微粒按空間點陣排列 B．單晶體具有規(guī)則的幾何外形是由于它的微粒按一定規(guī)律排列 C．非晶體有規(guī)則的幾何形狀和確定的熔點 D．石墨的硬度比金剛石的差很多，是由于它的微粒沒有按空間點陣分布 E．非晶體沒有規(guī)則幾何形狀，也沒有確定的熔點 【解析】　晶體內(nèi)部微粒排列的空間結(jié)構(gòu)決定著晶體的物理性質(zhì)是否相同；也正是由于它的微粒按一定規(guī)律排列，使單晶體具有規(guī)則的幾何形狀．石墨與金剛石的硬度相差甚遠是由于它們內(nèi)部微粒的排列結(jié)構(gòu)不同，石墨的層狀結(jié)構(gòu)決定了它的質(zhì)地柔軟，而金剛石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)決定了其中碳原子間的作用力很強，所以金剛石有很大的硬度，故A、B、E正確． 【答案】　ABE 6．關(guān)于晶體和非晶體，以下說法中正確的是(　　) A．同種物質(zhì)在不同的條件下可表現(xiàn)為晶體或非晶體 B．晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒排列是有規(guī)則的，而非晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒排列是不規(guī)則的 C．晶體內(nèi)部的微粒是靜止的，而非晶體內(nèi)部的物質(zhì)微粒在不停地運動著 D．在物質(zhì)內(nèi)部的各個層面上，微粒數(shù)相等的是晶體，微粒數(shù)不等的是非晶體 E．非晶體在不同直線上微粒的個數(shù)大致相等，所以在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性 【解析】　同種物質(zhì)也可能以晶體或非晶體兩種不同形式出現(xiàn)，所以A正確；晶體和非晶體在微觀結(jié)構(gòu)上的區(qū)別決定了它們在宏觀性質(zhì)上的不同，所以B正確；不管是晶體還是非晶體，組成物體的微粒永遠在做熱運動，所以C是錯的；非晶體沒有層面，也就談不到什么層面的問題，即使是晶體各個層面的微粒數(shù)也不一定相等，所以D也是錯的，E正確． 【答案】　ABE 1．單晶體具有各向異性是因為沿不同方向微粒的排列及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況不同． 2．晶體具有確定的熔點是因為晶體具有規(guī)則的排列結(jié)構(gòu)． 3．同種物質(zhì)有幾種不同的晶體是因為物質(zhì)微粒排列的空間結(jié)構(gòu)不同． 半導(dǎo)體 1．半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)． 2．電阻率：表示材料的導(dǎo)電性能；電阻率ρ由材料的自身性質(zhì)決定，而與形狀無關(guān)；ρ＝R. 3．分類：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體． 4．二極管：把N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體通過一定的技術(shù)手段結(jié)合在一起，形成PN結(jié)；二極管具有單向?qū)щ姷奶匦裕? 5．三極管具有放大信號或開關(guān)電流的作用． 6．各種特殊性能的半導(dǎo)體器件 (1)光敏電阻：是利用半導(dǎo)體材料在光照條件下，其電阻率迅速下降的半導(dǎo)體器件． (2)熱敏電阻：是利用半導(dǎo)體材料在溫度變化時，其電阻率迅速改變的半導(dǎo)體器件；電阻值隨溫度升高而減小的叫負溫度系數(shù)熱敏電阻，電阻值隨溫度升高而增大的叫正溫度系數(shù)熱敏電阻． (3)發(fā)光二極管：是通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，簡稱LED. 1．在極低的溫度下，純凈的半導(dǎo)體仍能很好地導(dǎo)電．() 2．在有光照射時，有的半導(dǎo)體可以導(dǎo)電．(√) 3．摻入一定雜質(zhì)后，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能一定會變差．() 在高分子合成材料，新型無機非金屬材料、復(fù)合材料、光電子材料及金屬材料中，能用作半導(dǎo)體的材料的有哪些？ 【提示】　新型無機非金屬材料和光電子材料． 1．影響半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的因素：溫度、光照、摻入雜質(zhì)． 2．半導(dǎo)體的單向?qū)щ娦缘奈⒂^機理(以硅為例) (1)N型半導(dǎo)體：以自由電子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)后形成的半導(dǎo)體． (2)P型半導(dǎo)體：以空穴參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)后形成的半導(dǎo)體． (3)PN結(jié)：P型半導(dǎo)體端為晶體二極管的正極，N型半導(dǎo)體端為晶體二極管的負極． 3．二極管的單向?qū)щ娦? (1)二極管的符號是，接入電路時“＋”與電源正極相連，表示加正向電壓，此時二極管導(dǎo)通，正向電阻很?。? (2)二極管加反向電壓時，電阻很大，但通常仍會有很小的電流，叫做漂移電流． 7．半導(dǎo)體就是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，以下關(guān)于其導(dǎo)電性能的說法中正確的是(　　) A．半導(dǎo)體導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，性能穩(wěn)定 B．在極低的溫度下，純凈的半導(dǎo)體像絕緣體一樣不導(dǎo)電 C．在較高溫度時，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能會大大增強，甚至接近金屬的導(dǎo)電性能 D．半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)后，其導(dǎo)電性能會減弱 E．半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)后，其導(dǎo)電性能會增強 【解析】　半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能受溫度、光照及摻入雜質(zhì)的影響，故A錯誤，B、C正確；摻入雜質(zhì)后半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能會大大增強，故D錯誤，E正確． 【答案】　BCE 8．閱讀下面的短文，回答下列問題． 導(dǎo)體容易導(dǎo)電，絕緣體不容易導(dǎo)電．有一些材料，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱作半導(dǎo)體，除了導(dǎo)電能力外，半導(dǎo)體有許多特殊的電學(xué)性能，使它獲得了多方面的重要應(yīng)用． 有的半導(dǎo)體，在受熱后電阻迅速減??；反之，電阻隨著溫度的降低而迅速增大．利用這種半導(dǎo)體可以做成體積很小的熱敏電阻．熱敏電阻可以用來測量很小范圍內(nèi)的溫度變化，反應(yīng)快，而且精度高． (1)如果將熱敏電阻與電源、電流表和其他元件串聯(lián)成一個電路，其他因素不變，只要熱敏電阻所在區(qū)域的溫度降低，電路中電流將變________(選填“大”或“小”)． (2)上述電路中，我們將電流表中的電流刻度換成相應(yīng)的溫度刻度，就能直接顯示出熱敏電阻附近的溫度．如果刻度盤正中的溫度刻度值為20 ℃(如圖313甲所示)，則25 ℃的刻度值應(yīng)在20 ℃的________邊(選填“左”或“右”)． (3)為了將熱敏電阻放置在某蔬菜大棚內(nèi)檢測大棚內(nèi)溫度的變化，請用圖313乙中的器材(可增加元件)設(shè)計一個電路． 圖313 【解析】　溫度升高，熱敏電阻阻值變小，電流變大，指針右偏；很顯然，熱敏電阻與電流表應(yīng)是相互影響，所以它們之間應(yīng)串聯(lián)． 【答案】　(1)小　(2)右　(3)如圖所示 熱敏電阻在溫度變化時，其電阻能迅速改變，故可以用它來測量很小范圍內(nèi)的溫度變化.