Строение и свойства твёрдых тел

Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования Луганской Народной Республики

Открытый урок по физике

Тема: «Строение и свойства твёрдых тел»

Подготовил: Крючков В.В.

Луганск 2019

Цели и задачи урока:

• Дать представление о твердых телах, их физических свойствах, особенностях внутреннего строения, различиях в свойствах кристаллических и аморфных тел.

• Развивать у учащихся наблюдательность, способность анализировать и делать выводы из наблюдаемых явлений, способность обобщать полученные результаты.

Оборудование:

модели кристаллических решеток; компьютер, мультимедийный проектор

ХОД УРОКА

I. Организационный момент (2 минуты).

II. Мотивация учебной деятельности учеников. Объявление темы и цели урока (5 минут).

Сегодня на уроке мы начинаем путешествие в мир твердых тел. Известно, что в зависимости от температуры и давления каждое простое или сложное химическое вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Человек живет на твердой поверхности Земли, и мир окружающих его вещей - в основном мир твердых тел. В течение многих тысячелетий человек использовал твердые тела в качестве конструкционных материалов в строительных сооружениях. Свойства твердых тел и материалов, которыми располагает общество, во многом определяет уровень его технического развития. Физика твердого тела служит основой современного материаловедения. Она указывает пути создания твердых тел и материалов с требуемыми свойствами, которые важны в технике. Твердые тела чрезвычайно разнообразны как по типам своего внутреннего строения, так и физическим свойствам. Практическая потребность в тщательном изучении физических свойств твердых тел привела к тому, что примерно половина всех физиков на Земле занимается исследованиями твердых тел, созданием материалов с заданными свойствами и разработкой их практического применения.

III. Восприятие и усвоение учениками учебного материала (35 минут).

В технике к твердым телам относят самые разнообразные конструкционные материалы: металлы, камни, пластмассы, стекло и т.д. Общим для них является способность сопротивляться изменению формы, или, как говорят, упругость формы. В физике твердые тела делят на аморфные и кристаллические. Причина такого деления - различия в их внутреннем строении, а следовательно, и в свойствах.

1. Кристаллические тела
   
   

Кристаллические тела (кристаллы) - это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают упорядоченные положения в пространстве. 

Частицы кристаллических тел образуют в пространстве правильную кристаллическую пространственную решетку.

Каждому химическому веществу, находящемуся в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая решетка, которая

задает физические свойства кристалла.

Много лет назад в Петербурге на одном из неотапливаемых складов лежали большие запасы белых оловянных блестящих пуговиц. И вдруг они начали темнеть, терять блеск и рассыпаться в порошок. За несколько дней горы пуговиц превратились в груду серого порошка. "Оловянная чума" - так и прозвали эту «болезнь» белого олова. 

А это была всего лишь перестройка порядка атомов в кристаллах олова. Олово, переходя из белой разновидности в серую, рассыпается в порошок. 

И белое и серое олово — это кристаллы олова, но при низкой температуре изменяется их кристаллическая структура, а в результате меняются физические свойства вещества. 

Кристаллы могут иметь различную форму и ограничены плоскими гранями.

Формы кристаллов: поваренной соли (1); берилла (2); турмалина (3); изумруда (4); гранита (5); кварца (6): алмаза (7); кальцита (8)

В природе существуют:
а) монокристаллы - это одиночные однородные кристаллы, имеющие форму правильных многоугольников и обладающие непрерывной кристаллической решеткой

б) поликристаллы - это кристаллические тела, сросшиеся из мелких, хаотически расположенных кристаллов

Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру (металлы, камни, песок, сахар).

Анизотропия кристаллов

В кристаллах наблюдается анизотропия - зависимость физических свойств ( механической прочности, электропроводности, теплопроводности, преломления и поглощения света, дифракции и др.) от направления внутри кристалла.

Анизотропия наблюдается в основном в монокристаллах.

В поликристаллах (например, в большом куске металла) анизотропия в обычном состоянии не проявляется.
Поликристаллы состоят из большого количества мелких кристаллических зерен. Хотя каждый из них обладает анизотропией, но за счет беспорядочности их расположения поликристаллическое тело в целом утрачивает анизотропию.

Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо — при 1530°,олово — при 232°, кварц — при 1713°, ртуть— при минус 38°.

Нарушить порядок расположения в кристалле частицы могут, только если он начал плавиться.

Пока есть порядок частиц, есть кристаллическая решетка - существует кристалл. Нарушился строй частиц - значит, кристалл расплавился - превратился в жидкость, или испарился - перешел в пар.

1. Аморфные тела
   
   Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении атомов и молекул (стекло, смола, янтарь, канифоль).

В аморфных телах наблюдается изотропия - их физические свойства одинаковы по всем направлениям. 

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства (при ударах раскалываются на куски как твердые тела) и текучесть (при длительном воздействии текут как жидкости). 

При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела, а при высоких температурах - подобны очень вязким жидкостям. 

Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления, а значит, и температуры кристаллизации. 
При нагревании они постепенно размягчаются.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. 

Интересно!
Одно и то же вещество может встречаться и в кристаллическом и в некристаллическом виде.

В жидком расплаве вещества частицы движутся совершенно беспорядочно.
Если, например, расплавить сахар: 

Если расплав застывает медленно, спокойно, то частицы собираются в ровные ряды и образуются кристаллы. Так получается сахарный песок или кусковой сахар.

Если остывание происходит очень быстро, то частицы не успевают построиться правильными рядами и расплав затвердевает некристаллическим. Так, если вылить расплавленный сахар в холодную воду или на очень холодное блюдце, образуется сахарный леденец, некристаллический сахар.

Удивительно!
С течением времени некристаллическое вещество может «переродиться», или, точнее, закристаллизоваться, частицы в них собираются в правильные ряды.

Только срок для разных веществ различен: для сахара это несколько месяцев, а для камня — миллионы лет. 

Пусть леденец полежит спокойно месяца два-три. Он покроется рыхлой корочкой. Посмотрите на нее в лупу: это мелкие кристаллики сахара. В некристаллическом сахаре начался рост кристаллов. Подождите еще несколько месяцев — и уже не только корочка, но и весь леденец закристаллизуется.

Даже наше обыкновенное оконное стекло может закристаллизоваться. Очень старое стекло становится иногда совершенно мутным, потому что в нем образуется масса мелких непрозрачных кристаллов. 

На стекольных заводах иногда в печи образуется «козел», то есть глыба кристаллического стекла. Это кристаллическое стекло очень прочное. Легче разрушить печь, чем выбить из нее упрямого «козла».
Исследовав его, ученые создали новый очень прочный материал из стекла - ситалл. Это стеклокристаллический материал, полученный в результате объёмной кристаллизации стекла. 

Любопытно!
Могут существовать разные кристаллические формы одного и того же вещества.
Например, углерод.

Графит - это кристаллический углерод. Из графита сделаны стержни карандашей, которые оставляют след на бумаге при легком надавливании. Структура графита слоиста. Слои графита легко сдвигаются, поэтому чешуйки графита пристают к бумаге при письме. 

Но существует и другая форма кристаллического углерода — алмаз.

Так расположены атомы углерода в кристалле графита (справа) и алмаза (слева).

Алмаз — самый твердый на земле минерал.

Алмазом режут стекло и распиливают камни, применяют для бурения глубинных скважинах, полируют сверхтвердые сплавы, алмазы необходимы для производства тончайшей металлической проволоки диаметром до тысячных долей миллиметра, например, вольфрамовых нитей для электроламп.

IV. Подведение итогов (3 минуты).