浅谈物理教材中的晶体和非晶体

1、浅谈物理教材中的晶体和非晶体我们都知道，物质分为三态，即固体、液体和气体。而固体又分为晶体和非晶体。在中学物理教学中这部分知识所处的地位虽然不象力学、电学那样显得重要，而且都是些定性的分析和常识性的介绍，但是，它对于学生将来从事具体的生产实践，特别是从事固体物理的研究工作来说，无疑也应是一个基础。在现行初中课本物理第二册熔解和凝固一节教材中，对晶体和非晶体这部分知识的阐述，主要是从宏观现象出发，通过晶体萘和非晶体松香熔解和凝固的演示实验，让学生直接观察到它们在熔解和凝固过程中温度随时间变化这一现象的。同时，又让学生从萘的熔解和凝固图象的观察分析中（如图1）懂得横坐标表示的是时间，纵坐标表示的是

2、温度。从萘的温度是55时开始计时，图象ABCDEFG表示了萘在加热和冷却过程中，它的温度随时间而变化的规律。其中，BC部分表示萘的熔解过程，EF部分表示凝固过程。从图1中可以看出萘的熔解过程和凝固过程温度保持不变，它的熔点和凝固点都是80。从图2中可以看出松香在熔解过程和凝固过程中没有一定的熔解温度和凝固温度，这与萘的熔解过程和凝固过程是不一样的。鉴于这部分知识的深度和难度，初中学生的知识面较窄，加上学生的接受能力等方面的局限，教材上把实验结果用图象形式表示出来，直观地表示出物理量的变化规律，这对于初中学生来说是很有必要的。上面只是从有无一定的熔解温度来介绍晶体和非晶体的差异点，得出所有晶体都

3、跟萘一样，在一定的温度下熔解；所有非晶体都跟松香一样，没有一定的熔解温度。这就把知识的深度仅仅限制在表面现象的层次上。关于晶体和非晶体在内部结构上的差异，晶体在熔解过程和凝固过程中为什么有一定的温度，非晶体的熔解过程中为什么没有一定的温度，这些问题都是在初中阶段不作研究的。但是可以明确地告诉学生，这些知识要等将来进入高中学习后我们再作研究讨论。教师可以引导有兴趣的学生利用课外时间，适当阅读一些有关的书籍，以便开阔眼界，发展他们的智力，收到较好的效果。在新编高中物理（乙种本）上册晶体和非晶体、空间点阵以及熔解和凝固等教材中，利用已讲过的分子运动论的基础知识，首先引导学生回忆初中所学的晶体和非晶体

4、这部分知识，具体回忆一下萘和松香的熔解和凝固过程。再由宏观现象深入到微观结构上进一步研究其实质，把知识的触角指向较深的层次，从物质的微观结构方面揭示其存在差异的本质。教材首先以出示实物从外形上直接观察食盐、明矾、石英等具有规则的几何形状，使学生通过建立立体概念来加深对晶体的认识。接着从物理性质上让学生直接观察烧热的钢针去接触涂有石蜡的云母片的反面，熔化了的石蜡呈椭圆形（图3）。而用玻璃片去做同样实验，就会看到熔化了的石蜡却呈圆形（图4）。这就用实验验证了晶体的导热性能是备向异性，非晶体的导热性能是各向同性，并使学生明白“各向异性”的含义是：一均匀物体在不同的方向上有不同的性质。然后，教材就深入

5、到微观结构进行较详细的分析。从十七世纪初开普勒提出雪是由许多球体紧密堆积而成的假设；到十七世纪末惠更斯提出方解石晶体是由微小的椭球形粒子组成的假设；再到十九世纪中叶，晶体微观结构模型空间点阵假设的提出：组成晶体的物质微粒（原子、分子或离子），依照一定的规律在空间中排成整齐的行列。直到二十世纪初用x射线窥探晶体的内部结构，才证实了空间点阵理论的正确性。教材以食盐的空间点阵示意图为例，说明了钠离子和氯离子在空间中三个互相垂直的方向上，都是等距离地交错排列的。这就解释了食盐具有正立方体的外形（图5）。最后，教材以表示在一个平面上晶体物质微粒的排列情况（图6），说明了沿不同方向所画的等长直线AB、AC

6、、AD的物质微粒数不同，解释了晶体在不同方向上的物理性质不同的原因。晶体外形的有规则和它的各向异性都是由于晶体内部结构有规则的缘故。非晶体内部的物质微粒的排列是不规则的，由于微粒数目繁多，从统计的观点看，各个方向的物理性质就相同了。对于熔解过程和凝固过程，在复习初中物理知识的基础上，依据螺旋上升的认识原则，把问题提到微观结构的高度上，揭示出本质的规律。在这里乙种本阐述了晶体的熔解过程就是晶体从外界获得的能量，完全用来破坏空间点阵结构，克服微粒引力做功，增大微粒间的势能。晶体的凝固过程则是建立空间点阵，减小微粒间势能，向外界放出能量的过程，所以晶体在熔解和凝固过程中温度保持不变。而非晶体由于本身

7、就没有空间点阵的结构，所以熔解时并不需要破坏空间点阵结构而消耗能量。在这个过程中从外界获得的能量主要转变为微粒的平均动能，因此温度不断上升。非晶体在凝固过程中也没有形成空间点阵的过程，由于它在凝固时不断向外界放出能量，微粒的平均动能就减小，因此温度不断下降。这与初中物理关于熔解过程和凝固过程的阐述相比较，当然深刻得多。如今，对固体的研究，是物理学家最感兴趣的课题之一，它已经发展成为一门独立的学科固体物理学。研究固体的性质，可以帮助我们按照预先确定的物理性质来设计新的固体，提纯单晶体和处理金属产品。在中学阶段的物理教材中，这部分知识主要是从宏观现象到微观结构的定性分析编排而成的。作为一个物理教师，要出色地完成教学