淺談物理教材中的晶體和非晶體

1、淺談物理教材中的晶體和非晶體我們都知道，物質(zhì)分為三態(tài)，即固體、液體和氣體。而固體又分為晶體和非晶體。在中學(xué)物理教學(xué)中這部分知識(shí)所處的地位雖然不象力學(xué)、電學(xué)那樣顯得重要，而且都是些定性的分析和常識(shí)性的介紹，但是，它對(duì)于學(xué)生將來從事具體的生產(chǎn)實(shí)踐，特別是從事固體物理的研究工作來說，無疑也應(yīng)是一個(gè)基礎(chǔ)。在現(xiàn)行初中課本物理第二冊(cè)熔解和凝固一節(jié)教材中，對(duì)晶體和非晶體這部分知識(shí)的闡述，主要是從宏觀現(xiàn)象出發(fā)，通過晶體萘和非晶體松香熔解和凝固的演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直接觀察到它們?cè)谌劢夂湍踢^程中溫度隨時(shí)間變化這一現(xiàn)象的。同時(shí)，又讓學(xué)生從萘的熔解和凝固圖象的觀察分析中（如圖1）懂得橫坐標(biāo)表示的是時(shí)間，縱坐標(biāo)表示的是

2、溫度。從萘的溫度是55時(shí)開始計(jì)時(shí)，圖象ABCDEFG表示了萘在加熱和冷卻過程中，它的溫度隨時(shí)間而變化的規(guī)律。其中，BC部分表示萘的熔解過程，EF部分表示凝固過程。從圖1中可以看出萘的熔解過程和凝固過程溫度保持不變，它的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)都是80。從圖2中可以看出松香在熔解過程和凝固過程中沒有一定的熔解溫度和凝固溫度，這與萘的熔解過程和凝固過程是不一樣的。鑒于這部分知識(shí)的深度和難度，初中學(xué)生的知識(shí)面較窄，加上學(xué)生的接受能力等方面的局限，教材上把實(shí)驗(yàn)結(jié)果用圖象形式表示出來，直觀地表示出物理量的變化規(guī)律，這對(duì)于初中學(xué)生來說是很有必要的。上面只是從有無一定的熔解溫度來介紹晶體和非晶體的差異點(diǎn)，得出所有晶體都

3、跟萘一樣，在一定的溫度下熔解；所有非晶體都跟松香一樣，沒有一定的熔解溫度。這就把知識(shí)的深度僅僅限制在表面現(xiàn)象的層次上。關(guān)于晶體和非晶體在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的差異，晶體在熔解過程和凝固過程中為什么有一定的溫度，非晶體的熔解過程中為什么沒有一定的溫度，這些問題都是在初中階段不作研究的。但是可以明確地告訴學(xué)生，這些知識(shí)要等將來進(jìn)入高中學(xué)習(xí)后我們?cè)僮餮芯坑懻?。教師可以引?dǎo)有興趣的學(xué)生利用課外時(shí)間，適當(dāng)閱讀一些有關(guān)的書籍，以便開闊眼界，發(fā)展他們的智力，收到較好的效果。在新編高中物理（乙種本）上冊(cè)晶體和非晶體、空間點(diǎn)陣以及熔解和凝固等教材中，利用已講過的分子運(yùn)動(dòng)論的基礎(chǔ)知識(shí)，首先引導(dǎo)學(xué)生回憶初中所學(xué)的晶體和非晶體

4、這部分知識(shí)，具體回憶一下萘和松香的熔解和凝固過程。再由宏觀現(xiàn)象深入到微觀結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步研究其實(shí)質(zhì)，把知識(shí)的觸角指向較深的層次，從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)方面揭示其存在差異的本質(zhì)。教材首先以出示實(shí)物從外形上直接觀察食鹽、明礬、石英等具有規(guī)則的幾何形狀，使學(xué)生通過建立立體概念來加深對(duì)晶體的認(rèn)識(shí)。接著從物理性質(zhì)上讓學(xué)生直接觀察燒熱的鋼針去接觸涂有石蠟的云母片的反面，熔化了的石蠟呈橢圓形（圖3）。而用玻璃片去做同樣實(shí)驗(yàn)，就會(huì)看到熔化了的石蠟卻呈圓形（圖4）。這就用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了晶體的導(dǎo)熱性能是備向異性，非晶體的導(dǎo)熱性能是各向同性，并使學(xué)生明白“各向異性”的含義是：一均勻物體在不同的方向上有不同的性質(zhì)。然后，教材就深入

5、到微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行較詳細(xì)的分析。從十七世紀(jì)初開普勒提出雪是由許多球體緊密堆積而成的假設(shè)；到十七世紀(jì)末惠更斯提出方解石晶體是由微小的橢球形粒子組成的假設(shè)；再到十九世紀(jì)中葉，晶體微觀結(jié)構(gòu)模型空間點(diǎn)陣假設(shè)的提出：組成晶體的物質(zhì)微粒（原子、分子或離子），依照一定的規(guī)律在空間中排成整齊的行列。直到二十世紀(jì)初用x射線窺探晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，才證實(shí)了空間點(diǎn)陣?yán)碚摰恼_性。教材以食鹽的空間點(diǎn)陣示意圖為例，說明了鈉離子和氯離子在空間中三個(gè)互相垂直的方向上，都是等距離地交錯(cuò)排列的。這就解釋了食鹽具有正立方體的外形（圖5）。最后，教材以表示在一個(gè)平面上晶體物質(zhì)微粒的排列情況（圖6），說明了沿不同方向所畫的等長(zhǎng)直線AB、AC

6、、AD的物質(zhì)微粒數(shù)不同，解釋了晶體在不同方向上的物理性質(zhì)不同的原因。晶體外形的有規(guī)則和它的各向異性都是由于晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)有規(guī)則的緣故。非晶體內(nèi)部的物質(zhì)微粒的排列是不規(guī)則的，由于微粒數(shù)目繁多，從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)看，各個(gè)方向的物理性質(zhì)就相同了。對(duì)于熔解過程和凝固過程，在復(fù)習(xí)初中物理知識(shí)的基礎(chǔ)上，依據(jù)螺旋上升的認(rèn)識(shí)原則，把問題提到微觀結(jié)構(gòu)的高度上，揭示出本質(zhì)的規(guī)律。在這里乙種本闡述了晶體的熔解過程就是晶體從外界獲得的能量，完全用來破壞空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，克服微粒引力做功，增大微粒間的勢(shì)能。晶體的凝固過程則是建立空間點(diǎn)陣，減小微粒間勢(shì)能，向外界放出能量的過程，所以晶體在熔解和凝固過程中溫度保持不變。而非晶體由于本身

7、就沒有空間點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)，所以熔解時(shí)并不需要破壞空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)而消耗能量。在這個(gè)過程中從外界獲得的能量主要轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘５钠骄鶆?dòng)能，因此溫度不斷上升。非晶體在凝固過程中也沒有形成空間點(diǎn)陣的過程，由于它在凝固時(shí)不斷向外界放出能量，微粒的平均動(dòng)能就減小，因此溫度不斷下降。這與初中物理關(guān)于熔解過程和凝固過程的闡述相比較，當(dāng)然深刻得多。如今，對(duì)固體的研究，是物理學(xué)家最感興趣的課題之一，它已經(jīng)發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科固體物理學(xué)。研究固體的性質(zhì)，可以幫助我們按照預(yù)先確定的物理性質(zhì)來設(shè)計(jì)新的固體，提純單晶體和處理金屬產(chǎn)品。在中學(xué)階段的物理教材中，這部分知識(shí)主要是從宏觀現(xiàn)象到微觀結(jié)構(gòu)的定性分析編排而成的。作為一個(gè)物理教師，要出色地完成教學(xué)