高中物理固體和液體講義

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1、固體和液體我們知道，分子不停地做無規(guī)則運動，它們之間又存在相互作用力．分子力的作用使分子聚集在一起，分子的無規(guī)則運動又使它們分散開來．這兩種作用相反的因素決定了分子的三種不同的聚集狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)．物理學又把固態(tài)和液態(tài)統(tǒng)稱為凝聚態(tài)．凝聚態(tài)物理學是當前物理學發(fā)展最迅速的分支學科之一．固體和液體都呈凝聚態(tài)．它們有一個共同的特點：它們的分子間的距離跟分子本身的大小具有相同的數(shù)量級，因而分子間有較強的相互作用．這使得固體和液體都不易壓縮，在微觀結(jié)構(gòu)上不像氣體那樣無序．固體可以分成晶體和非晶體兩類．晶體都具有規(guī)則的幾何形狀．例

2、如，食鹽的晶體呈立方體形，明礬的晶體呈八面體形，石英的晶體中間是一個六面棱柱，兩端是六棱錐．冬季的雪花，是水蒸氣在空氣中凝華時形成的冰的晶體，它們的形狀雖然不同，但一般是六角形的規(guī)則圖案．非晶體則沒有規(guī)則的幾何形狀．晶體和非晶體除了外形上的差異外，在物理性質(zhì)上也有所不同．實驗：取一張云母薄片，在上面涂一層很薄的石蠟，然后用燒熱的鋼針去接觸云母片．觀察接觸點周圍的石蠟熔化后所成的形狀．然后再在玻璃片上做同樣的實驗.從實驗中我們看到，熔化了的石蠟在云母片上呈橢圓形，而在玻璃片上呈圓形．實驗現(xiàn)象表明，云母晶體在各個方向上的導熱性

3、能不同，而非晶體玻璃在各個方向上的導熱性能相同．晶體在不同的方向上不僅導熱性能不同，而且機械強度和導電性能等其他物理性質(zhì)也不一樣．也就是說，晶體的物理性質(zhì)與方向有關(guān)，這種特性叫做各向異性．而非晶體的各種物理性質(zhì)、在各個方向上都是相同的，所以是各向同性的．總之，晶體在外觀上有規(guī)則的幾何形狀，有確定的熔點，一些物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；非晶體在外觀上沒有規(guī)則的幾何形狀，沒有確定的熔點，一些物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性．實際上，一種物質(zhì)可能以晶體和非晶體兩種不同的形態(tài)出現(xiàn)，也就是一種物質(zhì)是晶體還是非晶體，并不是絕對的．例如，天然水晶是晶

4、體，而熔化以后再凝結(jié)的水晶（即石英玻璃）就是非晶體．許多非晶體在一定的條件下可以轉(zhuǎn)化為晶體．固體的微觀結(jié)構(gòu)組成晶體的物質(zhì)微粒（分子或原子、離子）依照一定的規(guī)律在空間中整齊地排列、晶體中物質(zhì)微粒的相互作用很強．微粒的熱運動不足以克服它們的相互作用而遠離．微粒的熱運動表現(xiàn)為在一定的平衡位置附近不停地做微小的振動．從1912年開始，人們應(yīng)用X射線對晶體結(jié)構(gòu)進行研究，證實了這種假說是正確的．現(xiàn)在，人們用電子顯微鏡對晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行直接觀察和照相，進一步證實了這種假說的正確性．3食鹽的晶體結(jié)構(gòu)示意圖，說明食鹽的晶體是由鈉離子Na+和

5、氯離子CI－組成的，它們等距離、交錯地排列在三組相互垂直的平行線上，因而食鹽具有正立方體的外形．晶體外形的規(guī)則性可以用物質(zhì)微粒的規(guī)則排列來解釋．同樣，晶體的各向異性也是由晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的．左圖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，在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)微粒的排列情況不同，才引起晶體的不同方向上物理性質(zhì)的不同．有的物質(zhì)能夠生成種類不同的幾種晶體，是因為它們的物質(zhì)微粒能夠形成不同的晶體

6、結(jié)構(gòu)．例如，碳原子如果按圖甲那樣排列就成為石墨，按圖乙那樣排列就成為金剛石．石墨是層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間距離較大，作用力較弱，沿著這個方向容易把石墨一層層地剝下．石墨的層狀結(jié)構(gòu)決定了它的質(zhì)地松軟，可以用來制作粉狀潤滑劑，也可以用來制作鉛筆心．金剛石中碳原子間的作用力很強，所以金剛石有很大的硬度，可以用來切割玻璃．如果把它裝在鉆探機的鉆頭上，能夠鉆入堅硬的巖石內(nèi)．石墨和金剛石，除了力學性質(zhì)不同外，其他物理性質(zhì)也有很大差異，例如石墨的密度小，金剛石的密度大；石墨能導電，金剛石不能導電．不只是碳元素能組成不同的晶體，其他元素也有這

7、種情況．例如黃磷和紅磷的化學成分相同，但是黃磷具有立方體結(jié)構(gòu)，而紅磷具有與石墨一樣的層狀結(jié)構(gòu)．液體的微觀結(jié)構(gòu)液體的性質(zhì)介于氣體和固體之間．它一方面像固體，具有一定的體積，不易壓縮；另一方面又像氣體，沒有一定的形狀，具有流動性．液體的這些性質(zhì)是由它的微觀結(jié)構(gòu)決定的．液體在汽化時，體積改變可達上千倍；而在凝固時，體積大約減小10％．這表明，液體分子的排列更接近于固體．跟固體一樣，液體中的分子也是密集在一起的，因而液體具有一定的體積，不易壓縮．但是，液體分子之間的相互作用不像固體中的微粒那樣強，液體分子只在很小的區(qū)域內(nèi)作有規(guī)則的

8、排列，這種區(qū)域是暫時形成的，邊界和大小隨時改變，有時瓦解，有時又重新形成．液體由大量這種暫時形成的小區(qū)域構(gòu)成，這種小區(qū)域雜亂無章地分布著，因而液體表現(xiàn)出各向同性．3液體分子間的距離小，相互作用力很大，液體分子的熱運動與固體類似，主要表現(xiàn)為在平衡位置附近做微小的振動．跟固體不同的是，液體分子沒有長期固定的