«Кристаллические и аморфные тела»

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная

школа п. Садовый» Татищевского района Саратовской области

Методическая разработка урока физики в 10 классе

«Кристаллические и аморфные тела»

Автор: Абашина Ирина Владимировна,

учитель физики МОУ «СОШ п. Садовый»

Татищевского района Саратовской области

2014 г.

Урок по физике в 10 классе

Тема урока: «Кристаллические и аморфные тела».

Цель урока:сформировать понятия «кристаллическое тело» и «аморфное тело», рассмотреть их свойства.

Задачи:1. Дать представление о пространственной кристаллической решётке, показать взаимосвязь структуры кристалла и его свойств.

2. Развивать логическое и абстрактное мышление,познавательный интерес учащихся, умение анализировать и делать выводы.

3. Показать значение физики твёрдого тела для народного хозяйства.

Демонстрации: графики плавления и кристаллизации, таблица «Симметрия в природе», таблица «Природные самоцветы», схема «Установка для промышленного получения рубина», рисунки типов кристаллических решёток, рост кристаллов из раствора.

Оборудование: компьютер, проектор, микроскопы, лупы, кристаллы соли, сахара, кусочки чугуна, слюда, пипетки, предметные стёкла, растворы хлорида аммония и перманганата калия.

Ход урока

1. Организационная часть.

Ребята, наш сегодняшний урок будет посвящён изучению твёрдых тел. Мы ознакомимся со строением, свойствами и применением твёрдых тел, рассмотрим различные кристаллы, а в конце урока проведём небольшой эксперимент – пронаблюдаем процесс роста кристаллов из раствора при испарении.

1. Повторение.

Прежде, чем мы перейдём к изучению нового материала, давайте вспомним:

- В каких агрегатных состояниях могут находиться тела, и чем отличаются эти

состояния друг от друга?

- Каковы свойства газов, жидкостей и твёрдых тел?

- Как называется процесс превращения жидкости в твёрдое тело?

- Как вещество из газообразного состояния можно перевести в жидкое? Что

происходит с веществом при этом переходе?

(Ответ ученика: «Чтобы вещество перевести из газообразного состояния в

жидкое, надо газ охладить и сжать. Когда газ превращается в жидкость, его

молекулы сближаются настолько, что среднее расстояние между ними

становится в несколько раз меньше, чем в газе. Поэтому плотность жидкости

во много раз больше плотности газа»)

- Как вы считаете, не сводится ли отвердевание к такому же процессу? Может

быть, при отвердевании молекулы сближаются ещё больше?

(Ответ ученика: «Плотность вещества в твёрдом состоянии мало отличается от

плотности того же вещества в жидком состоянии. В некоторых случаях,

плотность в твёрдом состоянии меньше, чем в жидком. Например, лёд не

тонет в воде, т.к. его плотность меньше плотности воды. Поэтому жидкость

превращается в твёрдое тело не в результате сближения молекул»)

Верно. Различие свойств твёрдых тел и жидкостей объясняется иначе. При одном и том же среднем расстоянии частицы в телах могут располагаться относительно друг друга по-разному. Однако существует такое взаимное расположение частиц, при котором каждая из них будет находиться в состоянии устойчивого равновесия,

Когда сумма сил, действующих на тело, равна нулю и потенциальная энергия тел минимальна. Твёрдое тело отличается от жидкости именно тем, что его частицы находятся в положении устойчивого равновесия. Частицы жидкости тоже могли бы расположиться так, чтобы положение каждой из них стало бы устойчивым, но 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.

1. Изложение нового материала.

Какие же тела называются твёрдыми? В технике к твёрдым телам относят самые разнообразные конструкционные материалы: металлы, камни, пластмассы, стекло и др. Общим для них является способность сопротивляться изменению формы. В физике твёрдые тела делят на кристаллические и аморфные. Причина такого деления в их внутреннем строении.

Твёрдое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называется поликристаллическим.

Одиночные кристаллы называют монокристаллами.

К кристаллическим телам относят различные минералы, металлы, соль, сахар. К аморфным телам относят стекло, многие пластмассы, смолу, канифоль.

(Демонстрация кристаллических и аморфных тел.) Перед вами на столах стоят лупы и наборы различных кристаллических тел. Давайте рассмотрим кристаллы поваренной соли. Все они имеют форму кубиков с плоскими гранями. У кристаллов медного купороса также плоские грани.

У металлов, которые являются поликристаллическими телами, грани состоят из мелких кристалликов.

А сейчас рассмотрим одно из наиболее распространённых аморфных тел – обычное стекло. Обратите внимание на излом стекла, который, в отличие от металла, имеет гладкую поверхность с острыми краями.

А сейчас посмотрите на таблицу, где изображены природные самоцветы. Мы видим, что все они имеют правильную форму, т. е. обладают свойством симметрии.

(Таблица «Симметрия в природе»)

Явление симметрии вам знакомо из многих примеров окружающей жизни. Симметрична бабочка. Форма и окраска правого крыла повторяют очертания и рисунок левого. Когда бабочка сложит крылья , эти рисунки совмещаются. Симметричны снежинки, симметричен каждый предмет своему изображению в зеркале. Если тело симметрично, то оно должно иметь плоскость симметрии, ось симметрии и центр симметрии. Относительно этих элементов симметрии повторяются одинаковые части фигуры или тела.

Итак, первое свойство, которым обладают кристаллы и не обладают аморфные тела, свойство симметрии.

- Как вы думаете, чем объясняется это свойство кристаллических тел?

Ещё в восьмом веке правильность внешней формы кристаллов привела учёных к предположению о правильности и упорядоченности их внутреннего строения. Однако это предположение нуждалось ещё в экспериментальном доказательстве, которое было получено в опытах по дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. В настоящее время имеются прямые доказательства упорядоченности расположения атомов в кристаллах. Например, с помощью ионного проектора было получено изображение расположения атомов в вольфраме.

Внешняя правильность кристалла является отражением того факта, что внутри его атомы (ионы, молекулы) расположены правильными рядами. В зависимости от физической природы сил, действующих между частицами кристаллов, различают несколько типов кристаллических решёток и соответственно кристаллов.

- Какие типы кристаллических решёток вы знаете из курса химии?

Правильно. Это ионная, атомная, молекулярная, металлическая кристаллические решётки. Соответственно различают четыре типа кристаллов: ионные, атомные, металлические и молекулярные.

В узлах кристаллической решётки ионного кристалла находятся ионы противоположных знаков. Ионы располагаются так, что силы электрического притяжения между ионами, имеющими заряды противоположных знаков, оказываются большими, чем силы отталкивания между ионами одного знака. Поэтому конфигурация кристаллической решётки оказывается устойчивой и может сохраняться неограниченно долго.

В узлах кристаллической решётки атомного кристалла находятся нейтральные атомы, связанные между собой ковалентной связью. Такие кристаллы слабо электропроводны.

В случае металлических кристаллов в узлах решётки располагаются положительные ионы металла, а между ними хаотически движутся освободившиеся от связи с атомами свободные электроны. Эти электроны играют роль своеобразного цемента, скрепляющего положительные ионы.

В узлах молекулярных кристаллов находятся нейтральные молекулы, которые удерживаются силами молекулярного притяжения. Эти силы невелики. Поэтому твёрдые вещества с молекулярной решёткой легко разрушаются. Молекулярные кристаллы характеризуются низкой температурой плавления.

Частицы в кристалле образуют правильную пространственную решётку. Пространственные решётки различных кристаллов различны. Перед вами модель пространственной решётки поваренной соли.

(Демонстрация модели решётки поваренной соли)

Шарики одного цвета имитируют ионы натрия, шарики другого цвета – ионы хлора. Если соединить эти узлы прямыми линиями. То образуется пространственная решётка. В каждой пространственной решётке можно выделить некоторые повторяющиеся элементы её структуры, т. е. элементарную ячейку.

- Как вы думаете, какую элементарную ячейку имеет соль?

(Демонстрация моделей решёток на экране через проектор)

К наиболее простым элементарным ячейкам относятся куб (каменная и поваренная соль, сернистый свинец), объёмноцентрированный куб (натрий, хром, вольфрам), гранецентрированный куб (медь, алюминий, свинец), гексагональная призма (магний, цинк).

У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы – соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой повторяемости по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет.

Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц SiO₂может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезём).

(Демонстрация моделей решёток кварца на экране через проектор)

Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решётки из правильных шестиугольников. Аморфная структура кварца также имеет вид решётки, но неправильной формы.

Однако правильная внешняя форма не единственное следствие упорядоченного строения кристалла. Главное – это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления, т. е. анизотропия. От выбранного в кристалле направления зависят механические, электрические, тепловые, оптические свойства кристалла.

(Демонстрация механических свойств слюды)

Например, кусок слюды хорошо расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее.

В отличие от кристаллов, все аморфные тела изотропны, т. е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям.

Второе свойство, отличающее кристаллы от аморфных тел, анизотропия.

- Вспомните, как можно превратить твёрдое тело в жидкость, а жидкость – в твёрдое тело?

Обращение кристаллических тел в жидкость – плавление и, обратно, образование твёрдого кристаллического тела из жидкости – отвердевание происходит при определённой температуре. Температура остаётся неизменной , несмотря на приток или отток теплоты. Вещества отвердевают при той же температуре, при которой плавятся.

Для аморфных тел нельзя указать определённую температуру плавления. Вещество в аморфном состоянии при нагревании постепенно размягчается и постепенно переходит в жидкость. В связи с отсутствием определённой температуры плавления аморфные тела обладают и другой особенностью: многие из них подобно жидкостям текучи, т. е. при длительном действии сравнительно небольших сил постепенно изменяют свою форму (текут).

Третье основное свойство, отличающее кристаллические тела от аморфных - это наличие постоянной температуры плавления.

- Я хочу предложить вашему вниманию два графика. Укажите, на каком из них изображено плавление льда и отвердевание воды, а на каком плавление стекла? Почему?

(Демонстрация графиков плавления льда и плавления стекла)

Кристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами, благодаря которым они нашли очень широкое применение.

- Какой самый твёрдый материал, встречающийся на Земле и имеющий очень широкое применение , вы знаете?

Правильно - это алмаз. Кристаллы кварца и слюды, германия и кремния обладают электрическими свойствами , обеспечивающими им широкое применение в электротехнике и электронике. Кристаллы турмалина находят широкое применение при изготовлении оптических приборов.

В природе монокристаллы большинства веществ без трещин , загрязнений и других дефектов встречаются очень редко, поэтому такие кристаллы с древнейших времён люди называют драгоценными камнями. Алмаз, рубин. Сапфир и другие драгоценные камни ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические или другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости и красоты.

Развитие науки и техники привело к тому, что многие, редко встречающиеся в природе, кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов, машин, для выполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить её за счёт расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможным. Возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов многих элементов и химических соединений.

Большинство драгоценных камней являются кристаллами широко распространённых в природе химических элементов и соединений. Так, алмаз – это кристалл углерода, рубин и сапфир – кристаллы оксида алюминия с различными примесями. Поэтому разработка сравнительно простого способа изготовления «драгоценного» камня приводит к тому, что он перестаёт быть драгоценным.

Наиболее распространённые способы выращивания монокристаллов – кристаллизация из расплава и кристаллизация из раствора. Трудности выращивания монокристаллов многих веществ связаны с тем, что эти вещества плохо растворимы и имеют высокую температуру плавления. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а его температура плавления 2030⁰С. (Демонстрация схемы«Установка для промышленного получения рубина»)

Порошок оксида алюминия высыпается тонкой струёй в кислородно-водородное пламя, плавится и в виде капель попадает на стержень из тугоплавкого материала. На стержне постепенно вырастает кристалл рубина.

Кристаллы из раствора выращивают при медленном испарении растворителя из насыщенного раствора или при медленном понижении температуры раствора.

Применения кристаллов в науке и технике очень разнообразны. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности.

- Для чего используются алмазы?

Алмазные инструменты применяются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, используются в буровых инструментах при разведке и добыче полезных ископаемых. Алмазы служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25000000 оборотов.

Широко используется в промышленности рубин. Из 1 кг синтетического рубина удаётся изготовить около 40000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению химического волокна. Нитеводителииз самого твёрдого стекла при протяжении через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней, рубиновые нитеводители практически не изнашиваются.

Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера – прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого светового пучка.

Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.

Поликристаллическими телами являются все металлические изделия – стальные каркасы зданий и мостов, рельсы железных дорог, линии электропередач, станки, машины, поезда, самолёты. Одной из важнейших задач науки и техники является создание прочных и надёжных машин, станков и зданий с минимальными затратами металлов и других материалов. Получение материалов с заданными механическими, магнитными, электрическими и другими свойствами – одно из основных направлений современной физики твёрдого тела.

4. Закрепление (фронтальный опрос)

- Чем отличаются аморфные тела от кристаллических?

- Какая разница в строении крупинки сахарного песка и куска сахара рафинада?

- Исчезла бы профессия стеклодува, если бы стекло было кристаллическим телом, а не аморфным?

- Шар, выточенный из монокристалла, при нагревании может изменить не только свой объём, но и форму. Почему?

- Почему углерод встречается в природе чаще в виде графита, а не алмаза?

1. Фронтальный эксперимент «Наблюдение процесса роста кристаллов из

раствора при испарении»

6. Итог урока.

7. Задание на дом: вырастить кристалл из насыщенного раствора соли или раствора медного купороса в домашних условиях; 1 ученику подготовить доклад «Жидкие кристаллы и их применение».