Конспект урока по физике в 10 классе "Кристаллические и аморфные тела"

Конспект урока.

Тема: Кристаллические и аморфные тела.

Учителя МАОУ «СОШ № 46»

Гильмутдиновой Нурии Ахатовны.

Тема: Кристаллические и аморфные тела.

Цель: Познакомить учащихся с правильной формой кристаллов и со свойством анизотропии, методом моделирования в изучении свойств кристаллов. Показать на моделях разные типы кристалических решеток, взаимосвязь структуры кристалла и его свойства, различные между аморфными и кристаллическими телами.

Оборудование: Модель пространственной решетки кристаллов, таблица объемых изображений элементарных ячеек, элементы симметрии куба.

Лабораторное: Коллекция минералов, микроскоп, предметное стекло, насыщенные растворы хлористого натрия.

ХОД УРОКА

1. НОВАЯ ТЕМА

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 окружающий его вещей - в основном мир твердых тел.

На протяжении многих тысячелетий человек использовал главным образом одну особенность твердых тел - длительное время сохранять неизменным свою форму и размеры. Это свойство определило применение твердых тел в качестве конструкционных материалов в строительстве.

Одним из основных современных твердых конструктивных материалов является сталь. Много ли стали потребляет один человек в нашей стране?

Если посмотреть вокруг себя, то сначала может показаться, что не так уж и много: ложка, вилка, нож, гвозди, шурупы, замки, ручки. Но для полной оценки нужно вспомнить еще и о велосипедах, машинах и т.д. Общая цифра , определяющая потребление стали в нашей стране на одного человека, оказывается довольно внушительной – примерно 0,5т. в год. При таком уровне потребление человек за 70 лет жизни использует около 35т стали. Это количество стали примерно в 500 раз превышает массу человека.

Специальная область физики – физика твердого тела – занимается изучением строения свойств твердых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники. В любой отрасли техники используются свойства твердого тела: механические, тепловые, электрические, оптические и т.д. Все большее применение находят кристаллы.

Действие современных оптических квантовых генераторов основано на использовании свойств монокристаллов(рубина).

Как устроен кристалл? Почему многие кристаллы обладают удивительными свойствами? Каковы особенности структуры кристаллов, которые отличают их от аморфных тел? Ответы на эти и другие вопросы вы сможете дать в конце урока.

Обратимся к материалу прошлых уроков. Как вещество из газообразного состояния можно перевести в жидкое?

ОТВЕТ: Чтобы вещество перевести из газообразного состояния в жидкое, надо газ охладить и сжать. Если охладить водяные пары до 0^оС, то они могут перейти в кристаллическое состояние – лед. При определенной температуре вещество из газообразного состояния переходит в жидкое, а затем при дальнейшем охлаждении оно испытывает еще одно превращение: жидкое переходит в твердое тело.

ВОПРОС: Что происходит с веществом при его переходе из газообразного в жидкое состояние?

ОТВЕТ: Когда газ превращается в жидкость, его молекулы сближаются на столько, что среднее расстояние между молекулами становится на порядок меньше(примерно в 10 раз), чем в газе. Соответственно плотность жидкости больше почти в 1000 раз, чем плотность газа.

ВОПРОС: Не сводится ли отвердевание к такому же процессу? Быть может, при отвердевании молекулы сближаются еще больше?

ОТВЕТ: Плотность вещества в твердом состоянии очень мало отличается от плотности того же вещества в жидком состоянии. В некоторых случаях даже плотность в твердом состоянии меньше, чем в жидком. Например: лед не тонет в воде. Поэтому жидкость превращается в твердое тело не в результате сближения молекул.

УЧИТЕЛЬ: В твердом теле расстояние между молекулами такое же, как в жидком. Как объяснить различие свойств твердых тел и жидкости?

При одном и том же среднем расстоянии частицы в телах могут располагаться относительно друг друга по одному. Однако существует такое взаимное расположение частиц, при котором каждая из них будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. В твердом кристаллическом теле небольшие группы молекул и атомов объединяются, образуя определенную фигуру. При этом они приходят в устойчивое равновесие.

Вспомним условия, при которых тело будет находиться в устойчивом состоянии.

ОТВЕТ: Равновесие тела будет устойчивым, если при небольшом отклонении от этого положения силы, действующие на тело, возрастают его в первоначальном положении. Сумма сил, действующих на тело, равна нулю, потенциальная энергия тела минимальна.

УЧИТЕЛЬ: Твердое тело отличается от жидкости именно тем, что его частицы находятся в положении устойчивого равновесия. Частицы жидкости тоже могли располагаться так, чтобы положение каждой из них стало бы устойчивым. Однако этому мешает беспорядочное тепловое движение. Если понизить температуру, то средние скорости теплового движения уменьшатся и частицы займут устойчивое положение с минимальной потенциальной энергией.

Именно это и происходит при отвердевании жидкости.

Перед вами на столах лежат наборы минералов. Чем они отличаются по внешнему виду?

ОТВЕТ: Разную форму. Углы между отдельными гранями кристаллов одинаковы, формы симметричны, цвет различен из-за примесей.

УЧИТЕЛЬ: Кристаллы – это твердые вещества, тела, атомы и молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве.

Перед вами решетки различных кристаллов. Модель поваренной соли. Если соединить эти узлы прямыми линиями, то образуется пространственная решетка. В каждой пространственной решетке можно выделить некоторые повторяющиеся элементы ее структуры, иначе говоря элементарную ячейку.

К наиболее простым элементарным ячейкам относятся куб, объемноценрированная решетка, гранеценрированный куб(показываю таблицу). Понятие о пространственной решетке позволило объяснить свойства кристаллов. Предсказание о структуре кристаллов было высказано Е.С.Федоровым в 1890г. В это время не существовало доказательств этой гипотезы, даже существование молекул и атомов вещества многими становилось под сомнением. Такое предвидение оставалось гипотезой до 1912г., пока не стали использоваться рентгеновские лучи.

Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обладает симметрией.

Используя таблицу:

Классификация кристаллов и объяснение их физических свойств оказывается возможным только на основе изучения их симметрии.

Для количественной оценки степени симметричности служат элементы симметрии – оси, плоскости и центр симметрии.

Осью симметрии называют воображаемую прямую, при повороте которой на 30^о кристалл несколько раз совмещается сам с собой. Число этих совмещений называют порядком оси.

Плоскостью симметрии называют плоскость, рассекающую кристалл на две части, каждая из которых является зеркальным отображение одна другой.

Плоскость симметрии как бы выполняет роль двустороннего зеркала. Число плоскостей симметрии может быть различным. Например: в кубе их 9, а в снежинках любой формы 6.

Центром симметрии называют точку внутри кристалла, в которой пересекаются все очи симметрии.

Основное свойство кристаллов – анизотропность.

Зависимость физических свойств кристалла от направления внутри кристалла называют анизотропностью.

ПРИМЕР: Лист слюды. Он легко расщепляется по плоскости и в то же время обладает высокой прочностью в направлении, перпендикулярном плоскости листа.

Форма снежинок свидетельствует о том, что кристаллизация паров воды в переохлажденном состоянии идет быстрее в определенных направлениях.

Также теплопроводность, сопротивление зависят от направления внутри кристалла.

На модели пространственной решетки хлористого натрия видно, что каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора. Если по грани решетки выбрать одно из вертикальных или горизонтальных направлений, то можно заметить, что чередуются черные и белые шарики – ионы натрия и ионы хлора. Если провести прямую по диагонали, то на ней окажутся только белые или только черные шарики. Значит не все направления в кристалле равноправны по строению. Это и является причиной анизотропии.

Кристаллические тела могут быть поликристаллическими и моно- кристаллами.

Монокристалл – одиночный кристалл.

Твердые тела состоящие из большого числа маленьких кристалликов, называют поликристаллическими. В отличии от монокристаллов поликристаллы изотропны, т.е. их свойства одинаковы во всех направлениях.

Очень многие кристаллические вещества могут существовать в двух или более фазовых разновидностях, отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Каждая модификация устойчива в определенном интервале температур и давлений.

Из 9 кристаллических фаз воды только одна устойчива при атмосферном давлении. Остальные 8 фазовых состояний существуют при высоких давлениях и имеют плотность больше чем вода.

Одна из них при Р=2*10⁹Па имеет температуру +80^оС

Не все твердые тела – кристаллы. Существует множество аморфных тел.

Отличия от кристаллических:

1. Нет строго порядка в расположении атомов. Только ближние соседи располагаются в некотором порядке.

2. Все аморфные тела изотропны, т.е. физические свойства одинаковы во всех направлениях.

3. Обладают свойством текучести, нет определенной температуры плавления.

Примеры аморфных тел: стекло, смола, канифоль.

Лабораторная работа «Наблюдение роста кристалла из раствора»

Раствором называется однородная смесь, в которой молекулы одного вещества равномерно распределены между молекулами другого. Взаимное растворение двух веществ имеет некоторые пределы.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре уже не растворяется, называется насыщенным.

Если насыщенный раствор вещества, растворяемость которого возрастает с повышением температуры, охладить, то раствор становится перенасыщенным. Избыток растворимого вещества выпадает в осадок в виде кристаллов.

ЦЕЛЬ: наблюдение процесса роста кристаллов в перенасыщенном растворе.

Порядок выполнения работы.

1. Поместите на столик микроскопа предметное стекло, отрегулируйте освещение и вращением микроскопического винта добейтесь четкого изображения поверхности предметного стекла. Наводку на резкость можно облегчить нанесением на поверхность стекла метки карандашом

2. Выньте предметное стекло из зажимов и поместите на него с помощью стеклянной палочки каплю насыщенного раствора хлористого натрия.

3. Поместите стекло с каплей под объектив микроскопа так, чтобы в поле зрения был виден край капли, т.к. первые кристаллы образуются обычно на краю капли.

4. Пронаблюдайте процесс зарождения и роста кристалла.

Результаты наблюдений занесите в отчет, который должен содержать описание процесса роста кристаллов и зарисовку картины в микроскопе.