高中物理競賽教材(超詳細(xì)) 第十四講 固體及液體

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1、第三講固體和液體§3．1固體的有關(guān)性質(zhì)固體可以分為晶體和非晶體兩大類。巖鹽、水晶、明礬、云母、冰、金屬等都是晶體；玻璃、瀝清、橡膠、塑料等都是非晶體。(1)晶體和非晶體晶體又要分為單晶體和多晶體兩種。單晶體具有天然規(guī)則的幾何外形，如雪花的形狀總是六角形的。并且，單晶體在各個不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)，即各向?qū)?。如力學(xué)性質(zhì)(硬度、彈性模量等)、熱性性質(zhì)(熱脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等)、電學(xué)性質(zhì)(介電常數(shù)、電阻率等)、光學(xué)性質(zhì)(吸收系數(shù)、折射率等)。如云母結(jié)晶薄片，在外力作用下很容易沿平行于薄片的平面

2、裂開，但在薄片上裂開則要困難得多；在云母片上涂一層薄薄的石蠟，然后用燒熱的鋼針去接觸云母片的反面，則石蠟將以接觸點為中心、逐漸向四周熔化，熔化了的石蠟成橢圓形，如果用玻璃片做同樣的實驗，熔化了的石蠟成圓形，這說明非晶體玻璃在各方向的導(dǎo)熱系數(shù)相同，而晶體云母沿各方向的導(dǎo)熱系數(shù)不同。因多晶體是由大量粒(小晶體)無規(guī)則地排列組合而成，所以，多晶體不但沒有規(guī)則的外形，而且各方向的物理性質(zhì)也各向同性。常見的各種金屬材料就是多晶體。但不論是單晶體還是多晶體，都具有確定的熔點，例如不同的金屬存在著不同的熔點。

3、非晶體沒有天然規(guī)則的幾何外形，各個方向的物理性質(zhì)也相同，即各向同性。非晶體在加熱時，先逐漸變軟，接著由稠變稀，最后成為液體，因此，非晶體沒有一定的熔點。晶體在加熱時，溫度升高到熔點，晶體開始逐漸熔解直到全部融化，溫度保持不變，其后溫度才繼續(xù)上升。因此，晶體有一定的熔點。(2)空間點陣圖3-1-1晶體與非晶體性質(zhì)的諸多不同，是由于晶體內(nèi)部的物質(zhì)微粒(分子、原子或離子)依照一定的規(guī)律在空間中排列成整齊的后列，構(gòu)成所謂的空間點陣的結(jié)果。圖3-1-1是食鹽的空間點陣示意圖，在相互垂直的三個空間方向上，每

4、一行都相間的排列著正離子(鈉離子)和負(fù)離子(氯離子)。晶體外觀的天然規(guī)則形狀和各向異性特點都可以用物質(zhì)微粒的規(guī)則來排列來解釋。在圖3-1-2中表示在一個平面上晶體物質(zhì)微粒的排列情況。從圖上可以看出，沿不同方向所畫的等長直線AB、AC、AD上，物質(zhì)微粒的數(shù)目不同，直線AB上物ABCD圖3-1-2質(zhì)微粒較多，直線AD上較少，直線AC上更少。正因為在不同方向上物質(zhì)微粒排列情況不同，才引起晶體在不同方向上物理性質(zhì)的不同。組成晶體的粒子之所以能在空間構(gòu)成穩(wěn)定、周期性的空間點陣，是由于晶體微粒之間存在著很強

5、的相互作用力，晶體中粒子的熱運動不能破壞粒子之間的結(jié)合，粒子僅能在其平衡位置(結(jié)點處)附近做微小的熱振動。晶體熔解過程中達(dá)熔點時，它吸收的熱量都用來克服有規(guī)則排列的空間點陣結(jié)構(gòu)，所以，這段時間內(nèi)溫度就不會升高。例題:NaCl的單位晶胞是棱長a=5.610m的立方體，如圖7-1-3。黑點表示Na位置，圖3-1-3圓圈表示Cl位置，食鹽的整體就是由這些單位晶胞重復(fù)而得到的。Na原子量23，Cl原子量35.5，食鹽密度g/m。我們來確定氫原子的質(zhì)量。在一個單位晶胞里，中心有一個Na，還有12個Na位于

6、大立方體的棱上，棱上的每一個Na同時為另外三個晶胞共有，于是屬于一個晶胞的Na數(shù)n=1+=4，Cl數(shù)n=4。晶胞的質(zhì)量m=4(m+m)原子質(zhì)量單位。a=4(23+35.5)m，得m=1.6710kg。?§3．2固體的熱膨脹幾乎所有的固體受熱溫度升高時，都要膨脹。在鋪設(shè)鐵路軌時，兩節(jié)鋼軌之間要留有少許空隙，給鋼軌留出體脹的余地。一個物體受熱膨脹時，它會沿三個方向各自獨立地膨脹，我們先討論線膨脹。固體的溫度升高時，它的各個線度(如長、寬、高、半徑、周長等)都要增大，這種現(xiàn)象叫固體的線膨脹。我們把溫度

7、升高1℃所引起的線度增長跟它在0℃時線度之比，稱為該物體的線脹系數(shù)。設(shè)一物體在某個方向的線度的長度為，由于溫度的變化△T所引起的長度的變化△。由實驗得知，如果△T足夠小，則長度的變化△與溫度的變化成正比，并且也與原來的長度成正比。即△=△T．式中的比例常數(shù)稱作線膨脹系數(shù)。對于不同的物質(zhì)，具有不同的數(shù)值。將上式改寫為.。所以，線膨脹系數(shù)α的意義是溫度每改變1K時，其線度的相對變化。即：式中的單位是1/℃，為0℃時固體的長度，為℃時固體的長度，一般金屬的線脹系數(shù)大約在/℃的數(shù)量級。上述線脹系數(shù)公式，

8、也可以寫成下面形式如果不知道0℃時的固體長度，但已知℃時固體的長度，則℃時的固體長度為于是，這是線膨脹有用的近似計算公式。對于各向同性的固體，當(dāng)溫度升高時，其體積的膨脹可由其線膨脹很容易推導(dǎo)出。為簡單起見，我們研究一個邊長為l的正方體，在每一個線度上均有：。因固體的α值很小，則相比非常小，可忽略不計，則式中的3α稱為固體的體膨脹系數(shù)。隨著每一個線度的膨脹，固體的表面積和體積也發(fā)生膨脹，其面膨脹和體膨脹規(guī)律分別是考慮各向同性的固體，其面脹系數(shù)γ、體脹系數(shù)β跟線脹系數(shù)α的關(guān)系為γ=2α，β=3α。例