高中物理競賽《固體和液體的性質(zhì)》

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1、第四講 《固體和液體的性質(zhì)》 一、晶體和非晶體 固體可以分成晶體和非晶體兩類。在常見的固體中，石英、云母、明礬、食鹽、硫酸銅等都是晶體，玻璃、蜂蠟、松香、瀝青、橡膠等都是非晶體。晶體和非晶體在外形上和物理性質(zhì)上有很大區(qū)別。 圖1 晶體具有天然的規(guī)則的幾何形狀，它的外形是由若干個(gè)平面圍成的多面體。例如食鹽的晶體是立方體如圖1甲，明礬的晶體是八面體如圖l乙，石英的晶體(透明的石英晶體叫水晶，中間是六面棱柱，兩端是六面棱錐如圖1丙。冬季的雪花是水蒸氣在空氣中凍結(jié)時(shí)形成的冰的晶體，它們的形狀雖然不同，但都呈六角形的規(guī)則圖案。非晶體則沒有規(guī)則的外形。 圖2甲 圖2乙 從實(shí)

2、驗(yàn)知道，晶體在不同方向上的物理性質(zhì)(力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等)是不同的。這種現(xiàn)象叫做晶體的各向異性。以導(dǎo)熱性為例，我們來看下面的實(shí)驗(yàn)。在一張?jiān)颇钙贤可虾鼙∫粚邮?，然后用燒熱的鋼針的針尖接觸云母片，接觸點(diǎn)周圍的石蠟就熔化了，而熔化了的石蠟成橢圓形如圖2甲所示。這表明云母晶體在不同方向上的導(dǎo)熱性是不同的。用玻璃板代替云母片重做上面的實(shí)驗(yàn)，熔化了的石蠟則成圓形如圖2乙所示，表明非晶體玻璃在不同方向上的導(dǎo)熱性是相同的，即各向同性。各向異性是晶體區(qū)別于非晶體的一個(gè)基本特征，我們可以借助于物體是否具有各向異性來判斷它是不是晶體。 晶體可以分為單晶體和多晶體。如果整個(gè)物體就是一

3、個(gè)晶體，這樣的物體就叫做單晶體。上面說的晶體就是指單晶體。單晶體是科學(xué)技術(shù)上的重要原材料。制造各種晶體管就要用純度很高的單晶硅或單晶鍺。 如果整個(gè)物體是由許多雜亂無章地排列著的小晶體(晶粒)組成的，這樣的物體就叫做多晶體。平常見到的各種金屬材料就是多晶體。把純鐵做成的樣品放在顯微鏡下觀察，可以看到它是由許許多多晶粒組成的。晶粒有大有小，最小的只有10-5厘米那樣大，最大的也超不過10-3厘米。每個(gè)晶粒都是一個(gè)小單晶體，具有各向異性。由于晶粒在多晶體里雜亂無章地排列著，所以多晶體沒有規(guī)則的幾何形狀，也不顯示各向異性，它在不同方向上的物理性質(zhì)是相同的，即各向同性。 二、空間點(diǎn)陣 十九世紀(jì)中葉

4、，人們根據(jù)晶體外形的規(guī)則性和各向異性提出了一種假說，認(rèn)為晶體內(nèi)部的微粒是有規(guī)則排列著的。從1912年開始的應(yīng)用X射線對(duì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行的研究，證實(shí)了這種假說的正確?，F(xiàn)在，人們用電子顯微鏡對(duì)晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接觀察和照相，進(jìn)一步證實(shí)了這種假說的正確。 組成晶體的物質(zhì)微粒(分子、原子或離子)依照一定的規(guī)律在空間中排成整齊的行列，構(gòu)成所謂空間點(diǎn)陣。如果沿著這些物質(zhì)微粒的行列畫出直線來，可以得到若干組平行線，物質(zhì)微粒就在這些組平行線的交點(diǎn)上。這些交點(diǎn)叫做空間點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)。 圖3 圖4 晶體中物質(zhì)微粒的相互作用是很強(qiáng)的，微粒的熱運(yùn)動(dòng)不足以克服它們的相互作用而遠(yuǎn)離，因而形成了空間點(diǎn)陣的結(jié)

5、構(gòu)。微粒的熱運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為以結(jié)點(diǎn)為平衡位置不停地做微小的振動(dòng)。 圖3是食鹽的空間點(diǎn)陣示意圖。食鹽的晶體是由鈉離子Na+和氯離子Cl–組成的，它們等距離地交錯(cuò)地排列在三組相互垂直的平行線上，每個(gè)Na+的周圍有六個(gè)Cl–，每個(gè)Cl–的周圍有六個(gè)Na+。 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。 圖5 圖6 圖4表示在一個(gè)平面上品體物質(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上物質(zhì)微粒較多，直線AD上較少，直線AC上更少。正因?yàn)樵诓煌较蛏衔镔|(zhì)微粒

6、的排列情況不同，才引起晶體在不同方向上物理性質(zhì)的不同。 有的物質(zhì)能夠生成種類不同的幾種晶體，是因?yàn)樗鼈兊奈镔|(zhì)微粒能夠形成不同的空間點(diǎn)陣。例如，碳原子如果按圖5那樣排列就成為石墨，按圖6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(gè)方向容易把石墨一層層地剝下。金剛石中碳原子間的作用力很強(qiáng)，所以金剛石有很大的硬度。 三、液體的微觀結(jié)構(gòu) 液體的性質(zhì)介于氣體和固體之間。液體一方面象固體，具有一定的體積，不易壓縮；另一方面又象氣體，沒有一定的形狀，具有流動(dòng)性。液體汽化時(shí)體積改變上千倍，凝固時(shí)體積改變不過百分之十。液體更接近于固體。 跟固體一樣，液體

7、中的分子也是密集在一起，因而液體具有一定的體積，不易壓縮。液體分子在很小的區(qū)域內(nèi)作有規(guī)則的排列，這種區(qū)域是由分子暫時(shí)形成，邊界和大小隨時(shí)改變，有時(shí)瓦解，有時(shí)又重新形成。液體由大量這種小區(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。 液體分子間的距離小，相互作用力還很大，因此液體分子的熱運(yùn)動(dòng)與固體類似，主要表現(xiàn)為在平衡位置附近做微小的振動(dòng)。跟固體不同的是，液體分子沒有長期固定的平衡位置，在一個(gè)平衡位置附近振動(dòng)一小段時(shí)間以后，又轉(zhuǎn)到另一個(gè)平衡位置附近去振動(dòng)，即液體分子可以在液體中移動(dòng)。這就是液體具有流動(dòng)性的原因。 非晶體的微觀結(jié)構(gòu)跟液體非常類似，可以看作是粘滯性

8、極大的液體。所以嚴(yán)格說來只有晶體才能叫做真正的固體。 閱讀材料：液晶 某些有機(jī)化合物(現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有幾千種)具有一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)，叫做液晶。液晶一方面象液體，具有流動(dòng)性；另一方面又象晶體，光學(xué)性質(zhì)具有各向異性。液晶是介于液體和固體之間的過渡狀態(tài)，微觀結(jié)構(gòu)也介于固液之間。 液晶是不穩(wěn)定的，外界影響的微小變動(dòng)都會(huì)引起液晶分子排列的變化，改變它的光學(xué)性質(zhì)。有一種液晶，在外加電壓的影響下，會(huì)由透明狀態(tài)變成混濁狀態(tài)，不再透明。去掉電壓，又恢復(fù)透明。利用這一性質(zhì)，可以制成顯示元件。在兩電極間將液晶涂成文字或數(shù)碼，加上適當(dāng)電壓，透明的液晶變得混濁了，文字或數(shù)碼就顯示出來了。這種顯示元件用

9、于電子手表、電子計(jì)算器、微電腦以及其他儀器中。 還有一種液晶，具有靈敏的溫度效應(yīng)，溫度改變時(shí)會(huì)改變顏色。只要溫度升高1℃，液晶就會(huì)按紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫的順序改變顏色；溫度降低，又按相反順序改變顏色。液晶的這種性質(zhì)，可以用來探測溫度。例如在醫(yī)學(xué)上可用來檢查腫瘤。在皮膚表面涂上一層液晶，由于腫瘤部分的溫度與周圍正常組織的溫度不一樣，液晶會(huì)顯示出不同的顏色。電路中的短路點(diǎn)溫度高，用同樣的辦法可檢查出短路點(diǎn)。 液晶早在十九世紀(jì)八十年代就被發(fā)現(xiàn)，直到電子技術(shù)和其他一些技術(shù)迅速發(fā)展起來以后，近二十幾年來，人們對(duì)液晶的研究才有了重要的進(jìn)展，使它獲得了廣泛的應(yīng)用。 四、液體的表面現(xiàn)象 圖7

10、 荷葉上的小水滴、草葉上的露珠、玻璃板上的小水銀滴都是近于球形的。大液滴呈扁平形狀，是因?yàn)樗旧淼闹亓枯^大，它的形狀受到重力的影響也比較大。如果設(shè)法消除重力的影響，大液滴也會(huì)呈球形。配制水和酒精的混合液，使它的密度跟橄欖油的密度相等。把橄欖油引入這種混合液里，可以看到橄欖油呈球形，如圖7所示。 我們知道，在體積相同的各種形狀的物體中，球形物體的表面積最小。上述實(shí)驗(yàn)表明，液體表面有收縮到最小面積的趨勢。 圖8 我們還可以用肥皂水做實(shí)驗(yàn)來證明液面具有收縮趨勢。把一根棉線拴在鐵絲環(huán)上(棉線不要張緊)，把環(huán)在肥皂水里浸一下，使環(huán)上布滿肥皂水的薄膜如圖8甲所示。如果用熱針刺破棉線左邊的薄膜，

11、棉線就被右邊的薄膜拉成弧形如圖8乙所示；如果刺破右邊的薄膜，棉線就被左邊的薄膜拉成弧形如圖8丙所示。 把一個(gè)棉線圈拴在鐵絲環(huán)上，使環(huán)上布滿肥皂水的薄膜如圖9甲所示。如果用熱針刺破棉線圈里那部分薄膜，外邊的薄膜就把棉線圈張緊成圓形如圖9乙所示。 圖9 這些實(shí)驗(yàn)表明：液體的表面就好像張緊的橡皮膜一樣，具有收縮的趨勢。 為什么液體表面具有收縮的趨勢呢?原來液體跟氣體接觸的表面形成一個(gè)薄層，叫做表面層，表面層里的情況跟液體內(nèi)部有所不同。研究表明，表面層里的分子要比液體內(nèi)部稀疏些，也就是分子間的距離要比液體內(nèi)部大些。在液體內(nèi)部分子間既存在著引力，又存在著斥力。引力和斥力的數(shù)量級(jí)相

12、同，在通常的條件下可以認(rèn)為它們的大小是相等的。在表面層里分子間的距離大，引力和斥力都減小，但斥力減小得更快，所以分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。如果在液面上劃一條分界線MN，如圖10所示，把液面分為(1)和(2)兩部分，那么，由于表面層中分子間的引力，液面(1)對(duì)液面(2)有引力f1的作用，液面(2)對(duì)液面(1)有引力f2的作用，f1和f2大小相等，方向相反。象這種液面各部分間相互吸引的力，叫做表面張力。液體的表面張力使液面具有收縮的趨勢。 圖10 表面張力是跟液面相切的。如果液面是平面，表面張力就在這個(gè)平面上；如果液面是曲面，表面張力就在這個(gè)曲面的切面上。作用在任何一部分液面上的表面

13、張力，總是跟這部分液面的分界線垂直。 作用在液體表面單位長度分界線上的表面張力，叫做表面張力系數(shù)。不同液體的表面張力系數(shù)不同。分子間作用力大的液體，表面張力系數(shù)大。液態(tài)金屬的表面張力系數(shù)很大，液態(tài)氣體的很小。 練習(xí)一 1、把玻璃管的裂斷口放在火焰上燒熔，它的尖端就變圓。這是什么緣故？ 2、在處于失重狀態(tài)的宇宙飛船中，一大滴水銀會(huì)呈什么形狀？ 3、把熔化的鉛一滴一滴地滴入水中，凝固后可以得到球形的小鉛彈，為什么？ 五、浸潤和不浸潤 在潔凈的玻璃板上放一滴水銀，它能夠在玻璃板上滾來滾去，而不附著在上面。把一塊潔凈的玻璃片浸入水銀里再取出來，玻璃上也不附

14、著水銀。這種現(xiàn)象叫做不浸潤。對(duì)玻璃來說，水銀是不浸潤液體。 在潔凈的玻璃板上放一滴水，它要附著在玻璃板上形成薄層。把一塊潔凈的玻璃片浸入水里再取出來，玻璃片的表面是帶有一層水的。這種現(xiàn)象叫做浸潤。對(duì)玻璃來說，水是浸潤液體。 圖11 圖12 同一種液體，對(duì)一些固體來說是浸潤的，對(duì)另一些固體來說是不浸潤的。水能浸潤玻璃，但不能浸潤石蠟。水銀不能浸潤玻璃，但能浸潤鋅。 把浸潤液體裝在容器里，例如把水裝在玻璃容器里，由于水浸潤玻璃，器壁附近的液面向上彎曲如圖11所示。把不浸潤液體裝在容器里，例如把水銀裝在玻璃容器里，由于水銀不浸潤玻璃，器壁附近的液面向下彎曲如圖12所

15、示。在內(nèi)徑較小的容器里，這種現(xiàn)象更顯著，液面形成凹形或凸形的彎月面。 浸潤和不浸潤現(xiàn)象也是分子力作用的表現(xiàn)。當(dāng)液體與固體接觸時(shí)，在接觸處形成一個(gè)液體薄層，叫做附著層。附著層里的分子既受到固體分子的吸引，又受到液體內(nèi)部分子的吸引。如果受到的固體分子的吸引比較弱，附著層里的分子就比液體內(nèi)部稀疏，在附著層里就出現(xiàn)跟表面張力相似的收縮力，這時(shí)跟固體接觸的液體表面有縮小的趨勢，形成不浸潤現(xiàn)象，相反，如果受到的固體分子的吸引相當(dāng)強(qiáng)，附著層里的分子就比液體內(nèi)部更密，在附著層里就出現(xiàn)液體相互推斥的力，這時(shí)跟固體接觸的液體表面有擴(kuò)展的趨勢，形成浸潤現(xiàn)象。 練習(xí)二 1、把一根縫衣針小心地放在

16、水面上，針可以把水面壓彎而不沉沒(試試看)。解釋這個(gè)現(xiàn)象。 2、布的雨傘雖然紗線間有可以看得出來的孔隙，卻仍然不漏雨水。解釋這個(gè)現(xiàn)象。 六、毛細(xì)現(xiàn)象 把幾根內(nèi)徑不同的細(xì)玻璃管插入水中，可以看到管里的水面比容器里的水面高。管的內(nèi)徑越小，管里的水面越高如圖13所示。如果把這些細(xì)玻璃管插入水銀中，發(fā)生的現(xiàn)象正好相反，管里的水銀面比容器里的水銀面低。管的內(nèi)徑越小，管里的水銀面越低如圖14所示。 象這樣浸潤液體在細(xì)管里上升的現(xiàn)象和不浸潤液體在細(xì)管里下降的現(xiàn)象，叫做毛細(xì)現(xiàn)象。發(fā)生毛細(xì)現(xiàn)象的管叫做毛細(xì)管。 浸潤液體為什么能在毛細(xì)管里上升呢?原來，浸潤液體跟毛細(xì)管內(nèi)壁接觸時(shí)，引

17、起液面的彎曲，使液面變大。而表面張力的收縮作用使液面減小，于是管內(nèi)液體隨著上升，以減小液面。直到表面張力向上的拉引作用和管內(nèi)升高的液柱的重量達(dá)到平衡時(shí)，管內(nèi)液體停止上升，穩(wěn)定在一定的高度。利用類似的分析，也可以解釋不浸潤液體在毛細(xì)管里下降的現(xiàn)象。 紙張、棉花、毛巾、粉筆、木材、土壤、磚塊等物體，內(nèi)部有許多細(xì)小的孔道，起著毛細(xì)管作用，所以它們能夠吸水，這就是用毛巾擦汗、燈芯吸油、粉筆吸墨水的道理。 毛細(xì)現(xiàn)象在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有非常重要的意義。土壤里有很多毛細(xì)管，地下的水分可以沿著它們上升到地面。如果要保存地下的水分來供植物的根吸收，就要把地面的土壤鋤松，破壞這些土壤里的毛細(xì)管。相反，如果想把地下的水分引上來，就不僅要保持土壤里的毛細(xì)管，而且還要使它們變得更細(xì)，達(dá)時(shí)就要用滾子壓緊土壤。 練習(xí)三 1、要想把凝在衣料上面的蠟或油脂去掉，只要把兩層吸墨紙分別放在這部分衣料的上面和下面，然后用熨斗來熨就可以了。為什么這樣做可以去掉衣料上的蠟或油脂? 2、建筑樓房的時(shí)候，在砌磚的地基上鋪一層油氈防潮層。如果不鋪這層油氈，樓房就容易受潮。為什么？