Тема урока: Строение и свойства кристаллических тел.

Цели урока: Познакомить учащихся с правильной формой кристаллов и со свойством анизотропии, методом моделирования в изучении свойств кристаллов.

                     Дать школьникам представление о пространственной кристаллической решетке.

                    Показать ученикам на моделях разные типы Кристаллических решеток, взаимосвязь структуры кристалла и его свойств (механических, тепловых, электрических, оптических).

С целью патриотического воспитания познакомить школьников с ролью отечественных ученых в разработке физики твердого тела.

С целью политехнического образования показать значение физики твердого тела для народного хозяйства.

 Методы обучения: Беседа. Рассказ. Демонстрация опытов.  Работа с научно-популярной лите­ратурой. Моделирование. Наблюдения. Выдвижение гипотезы.

 Оборудование. Демонстрационное: образование кристаллов, модель пространственной решетки кристаллов, модель, иллюстрирующая образование кри­сталлов и явление анизотропии, таблица «Кристаллы». Лабораторное: коллекция минералов и горных пород, выпускаемая для кабинета химии. Набор кристаллических и аморфных тел.

 Литература: 1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10 кл. – М.: Просвещение 1992.

2. Тарасов Л. В. Этот удивительно симметричный мир. — М.: Про­свещение, 1982.

3. Школьникам о современной физике: физика сложных систем. — М.1 Просвещение, 1978.

4. Энциклопедический словарь юного физика.

5. В.Г. Разумовский, Л.С. Хижнякова. Современный урок физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1983.

6.  Методика преподавания физики в 8 – 10 классах средней школы. Ч. 2/ Под ред. В.П. Орехова, А.В. Усовой и др. – М.: Просвещение 1980.

Структура урока: 1. Организационный момент………………….….2 мин.

2. Изложение и закрепление нового ма­териала………..40 мин. 

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое, а затем в твердое.

Форма кристаллов. 

Симметрия кристаллов.

Пространственная решетка.

Анизотропия монокристаллов.

   3. Задание на дом………………………………………..3 мин.

Ход урока.

1.    Организационный момент.

 Учитель. Большинство окружающих нас твердых тел представляют собой вещества в кристаллическом состоянии. К ним относятся строительные и конструкционные материалы: раз­личные марки стали, всевозможные металлические сплавы, мине­ралы и т. д. Специальная область физики—физика твердого тела — занимается изучением строения и свойств твердых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследова­ниях. Она составляет фундамент современной техники.

В любой отрасли техники используются свойства твердого те­ла: механические, тепловые, электрические, оптические и т. д. Все большее применение в технике находят кристаллы.  Вы, навер­ное, знаете о заслугах советских ученых — академиков, лауреатов Ленинской и Нобелевской премий А. М. Прохорова и Н Г Басова в создании квантовых генераторов. Действие современных оптиче­ских квантовых генераторов — лазеров — основано на использовании свойств монокристаллов (рубина и др.). Как устроен кри­сталл? Почему многие кристаллы обладают удивительными свой­ствами? Каковы особенности структуры кристаллов, которые отличают их от аморфных тел? Ответы на эти и аналогичные воп­росы вы сможете дать в конце урока. Запишем тему «Строение и свойства кристаллических тел»

Изложение и закрепление нового материала.

Обратимся к материалу прошлых уроков. Как вещество из га­зообразного состояния можно перевести в жидкое?

Ученик А. Чтобы вещество перевести из газообразного со­стояния в жидкое, надо газ охладить и сжать. Если охладить водя­ные пары до 0 °С, то они могут перейти в кристаллическое состоя­ние — лед. При определенной температуре вещество из газообраз­ного состояния переходит в жидкое, а затем при дальнейшем ох­лаждении оно испытывает еще одно превращение: жидкость пере­ходит в твердое тело.

Учитель. Что происходит с веществом при его переходе из газообразного состояния в жидкое?

Ученик Б. Когда газ превращается в жидкость, его моле­кулы сближаются настолько, что среднее расстояние между ними становится в несколько раз меньше, чем в газе. Поэтому плотность жидкости во много раз больше плотности газа.

Учитель. Верно. В жидкости среднее расстояние между молекулами становится на порядок меньше (примерно в 10 раз), чем в газе. Соответственно плотность жидкости на три порядка боль­ше (почти в 1000 раз) плотности газа.

Как вы считаете, не сводится ли отвердевание к такому же процессу? Быть может, при отвердевании молекулы сближаются еще больше?

Ученик В. Плотность вещества в твердом состоянии очень мало отличается от плотности того же вещества в жидком состоя­нии. В некоторых случаях даже плотность в твердом состоянии меньше, чем в жидком. Например, лед не тонет в воде, так как плотность его меньше плотности воды. Поэтому жидкость превра­щается в твердое тело не в результате сближения молекул.

Учитель. Молодец. Твоя догадка правильная. В твердом теле расстояние между молекулами такое же, как в жидкости. Как объяснить различие свойств твердых тел и жидкостей?

При одном и том же среднее расстоянии частицы в телах могут располагаться относительно друг друга по-разному. Однако сущест­вует такое взаимное расположение частиц, при котором каждая из них будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. В твер­дом кристаллическом теле небольшие группы молекул или атомов (назовем их частицами) объединяются, образуя определенную фигуру. При этом они приходят в устойчивое равновесие. Вспомним ус­ловия, при которых тело (частица) будет находиться в устойчивом состоянии.

Ученик Г. Равновесие тела будет устойчивым, если при небольшом отклонении от этого положения силы, действующие на тело, возвращают его в первоначальное положение.

Учитель. Кто дополнит ответ?

Ученик Б. В положении устойчивого равновесия сумма сил, действующих на тело, равна нулю и потенциальная энергия тела минимальна.

Учитель. Твердое тело отличается от жидкости именно тем, что его частицы находятся в положении устойчивого равновесия. Частицы жидкости тоже могли бы расположиться так, чтобы поло­жение каждой из них стало бы устойчивым. Однако этому мешает беспорядочное тепловое движение. Если понизить температуру, то средние скорости теплового движения уменьшатся и частицы зай­мут устойчивое положение с минимальной потенциальной энергией. Именно это и происходит при отвердевании жидкости.

Перед вами на столах лежат наборы минералов и горных пород. Чем они отличаются по внешнему виду?

Ученик А. Это кристаллические тела. Кристаллы одного и того же вещества имеют разнообразную форму. Углы между отдельными гранями кристаллов одинаковы. Некоторые формы кри­сталлов симметричны. Цвет кристаллов различен, — очевидно, это зависит от примесей.

Учитель. Кристаллы одного и того же вещества имеют разнообразную форму. Вы наблюдательны и правильно подметили свойства кристаллов. Большинство окружающих нас твердых тел — поликристаллы (сталь, чугун и др.). Они состоят из множе­ства кристаллов, беспорядочно ориентированных друг относитель­но друга. Если вы внимательно посмотрите на минералы, то увидите отдельные кристаллы. Крупные одиночные кристаллы, имеющие правильную форму (обращается к таблице «Кристаллы»), в природе встречаются редко. Но такой кристалл можно вырастить в искус­ственных условиях. Посмотрите рост кристаллов. (Учитель де­монстрирует опыт.) Обратите внимание, что для демонстрации роста кристаллов берется насыщенный раствор, например гипо­сульфита. Его охлаждают, и он становится пересыщенным. Доста­точно в него поместить мельчайшие частицы кристалла, и раствор начинает кристаллизоваться. Если бы мы в течение всего времени кристаллизации поддерживали одинаковую температуру и плот­ность раствора во всем объеме, то кристалл в процессе роста при­нял бы правильную форму. В нашем опыте на форму кристалла влияют конвекционные потоки жидкости, наличие примесей и т. д. Поэтому кристаллы растут в виде причудливых совокупностей игл. Яркую и красочную картину вы наблюдаете благодаря приставки, позволяющей видеть рост кристаллов в поляризованном свете (про­екция на потолок).

Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обла­дает симметрией. В кристаллах можно найти различные элементы симметрии (показывает на таблице, где изображены кристаллы). плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии. Например, кристаллы в форме куба (МаС1, КС1 и др.) имеют девять плоскостей симметрии, три из которых проходят параллельно граням куба, а шесть — по диагоналям. Кристаллы алмаза, калиевых квасцов име­ют форму октаэдров. У кристаллов магния форма гексагональной призмы, т е. такой, которая опирается на правильный шестиуголь­ник. Эти кристаллы обладают разной симметрией. На первый взгляд кажется, что число видов симметрии может быть бесконечно боль­шим. В 1867 г. русский инженер А. В. Гадолин впервые доказал, что кристаллы могут обладать лишь 32 видами симметрии.

Симметрия кристаллов и другие их свойства, о которых мы будем говорить далее, привели к важной догадке о закономерностях в расположении частиц, составляющих кристалл. Может кто-нибудь из вас попытается ее сформулировать?

Ученик В. Частицы в кристалле располагаются так, что они образуют определенную правильную форму, решетку.

Учитель. Частицы в кристалле образуют правильную про­странственную решетку. Пространственные решетки различных кристаллов различны. Перед вами модель пространственной решет­ки поваренной соли. (Демонстрирует модель.) Шарики одного цвета имитируют ионы натрия, шарики другого цвета — ионы хлора. Если соединить эти узлы прямыми линиями, то образуется про­странственная решетка, аналогичная представленной модели. В каждой пространственной решетке можно выделить некоторые по­вторяющиеся элементы ее структуры, иначе говоря элементарную ячейку.

К наиболее простым элементарным ячейкам относятся куб, объемоцентрированный куб, гранецентрированный куб, гексагональная призма. (Показывает на таблице.) Понятие о пространственной решетке позволило объяснить свойства кристаллов. Предсказание о структуре кристаллов было высказано Е. С. Федоровым в 1890 г. В это время не существовало доказательств этой гипотезы, даже существование молекул и атомов вещества многими ставилось под сомнение. Такое предвидение строения кристаллов оставалось гипотезой до 1912 г., пока не стали использовать рентгеновские лучи для исследования строения кристаллов. Перед вами рентге­нограмма кристалла. По ее виду можно догадаться, что в расположе­нии частиц в кристалле есть определенная закономерность. Эти ис­следования подтвердили структуру пространственных решеток кристаллов.

Посмотрите на лист слюды. Он легко расщепляется по плоскости (демонстрирует) и в то же время обладает высокой прочностью в направлении, перпендикулярном плоскости листа. И еще. Вспомните причудливые ледяные узоры на окнах. Форма снежинок свидетельствует о том, что кристаллизация паров воды в переохлажденном воздухе идет быстрее в определенных направлениях. Опыт со слю­дой, наблюдение роста снежинок показывают, что свойства моно­кристаллов в разных направлениях неодинаковы. Можно указать и другие свойства, например теплопроводность, сопротивление, которые тоже зависят от направления по отношению к прямым, соединяющим узлы решеток. Эго свойство монокристаллов назы­вают анизотропией. Перед вами гипс и стекло, гипс— кристалличе­ское тело, стекло — аморфное, в обычном состоянии оно не имеет кристаллической структуры, Подогреем их и покроем тонким слоем парафина, слегка проводя им по нагретым поверхностям гипса и стекла. (демонстрирую опыт.) Теперь раскаленной иглой прикоснемся к поверхности гипса. Аналогичный опыт проделаем с пластинкой стекла. (демонстрируется опыт с помощью проекционного аппарата). Что мы видим? Парафин расплавился. В опытах с гипсом на экране мы видим эллипс, а со стеклом — круг. Какой вывод можно сделать из этого опыта?

Ученик Б. Кристаллический гипс обладает свойством ани­зотропии теплопроводности, поэтому парафин на пластинке гипса плавится по различным направлениям неодинаково. Здесь про­является различие между кристаллическими и аморфными телами.

Учитель. Как, исходя из кристаллической структуры твер­дых тел, объяснить свойство анизотропии?

Ученик Г. На модели пространственной решетки хлористого натрия видно, что каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора. Если по грани решетки выбрать одно из вертикальных или горизонтальных направлений, то можно заметить, что чередуются черные и белые шарики — ионы натрия и хлора. Если провести пря­мую линию по диагонали, то на ней окажутся только белые или только черные шарики. Значит, не все направления в кристалле рав­ноправны по строению. Это и является причиной анизотропии.

Учитель. Правильно. За активное участие в работе на уро­ке, оригинальные ответы ставлю ученикам А., Б., В., Г. оценку 5.

Посмотрите опыт, иллюстрирующий образование анизотропии. Вы видите в проекции на стекле стальные шарики, моделирующие ионы в кристаллах. Если провести через центр прямые линии, то можно убедиться, как первая из них пройдет через 9 шариков, вто­рая — через 5, третья — через 3. На единицу длины прямых, при­надлежащих к различным семействам, приходится неодинаковое ко­личество атомов, но свойства кристаллов зависят от плотности раз­мещения образующих их частиц. Поэтому анизотропия является следствием правильного чередования атомов в монокристаллах.

О применении кристаллов и некоторых интересных физических явлениях, связанных с кристаллами, можно прочитать в научно-популярных книгах и журналах. На ваших столах лежат книги с закладками на определенных страницах. Прочитай те отрывки из этих книг, а потом я выборочно опрошу вас. (После 12-минутного чтения проводится опрос.)

Ученик Д. Я расскажу о жидких кристаллах. Некоторые органические материалы при переходе из жидкого состояния в твердое имеют промежуточную структуру. Вещество в таком со­стоянии называют жидким кристаллом. Для жидких кристаллов характерна вытянутая структура молекул, которая приводит к анизотропии свойств. Жидкие кристаллы обладают важными опти­ческими свойствами, которые в широких пределах изменяются внеш­ними воздействиями. Это и определяет большие возможности управ­ления световыми потоками с помощью жидких кристаллов.

Учитель. Молодец. За работу с книгой ставлю оценку 5.

Ученик Е. Я расскажу о роли некоторых добавок в сплавы для увеличения прочности материалов, т. е. для упрочнения.

Правильное расположение атомов в кристаллах далеко не всегда идеально. Размещение атомов в пространстве часто нарушается. Эти области разупорядочения атомов кристаллической решетки называют дефектами. Иногда нарушается правильная структура пространственной решетки вдоль некоторых линий. Эти дефекты называются дислокациями. Обычно примеси в металлах оседают на дислокации. Большое число примесей может полностью блоки­ровать дислокации. Сталь представляет собой сплав на основе же­леза, содержит значительные примеси углерода, а также различные легирующие добавки (примеси некоторых металлов). Регулируемое упрочнение стали, происходит за счет взаимодействия атомов при­меси, в том числе и углерода, с дислокациями и за счет выпадения микроскопических включений карбида железа. В настоящее время это основной путь упрочнения конструкционных материалов.

Учитель. Молодец. Вы усвоили материал урока и приме­нили его к объяснению интересного технического явления, связан­ного с повышением прочности материалов. Оценка за ответ 5.

Ученик Ж. Я покажу на примере графита и алмаза, что свойства кристаллических веществ определяются структурой кри­сталлических решеток.

Между алмазом и графитом оказывается много общего, хотя на первый взгляд это общее трудно увидеть. Алмаз необычно тверд, прозрачен, не проводит электрический ток (диэлектрик), обработан­ные алмазы — драгоценность, известны в быту как бриллианты.

Графит мягок, легко расслаивается, непрозрачен, электропроводен и не похож на драгоценный камень. А между тем и алмаз, и графит — это чистый углерод. Различие свойств алмаза и графита связано только с различием кристаллических решеток. (Ученик показывает рисунок с изображением кристаллических решеток алмаза и графита.)

При определенных условиях возможен переход вещества из одной кристаллической модификации в другую. Если нагреть графит до температуры 2000—2500 К под давлением 10¹⁰ Па, то произойдет перестройка кристаллической решетки, в результате чего графит превратится в алмаз. Так получают искусствен­ные алмазы.

Учитель. Вы сегодня хорошо работали на уроке, помогали проводить опыты. Ставлю вам оценку 5.

Ученик 3. Я расскажу о загадке воды: почему вода ведет себя иначе, чем другие жидкости при нагревании от 0 до 4 °С.

Известно, что плотность жидкостей, как правило, уменьшается при нагревании; их вязкость возрастает при увеличении внешнего давления. Вода является исключением. При нагревании от 0 до 4 °С плотность воды возрастает, ее вязкость с повышением давления уменьшается. Благодаря этому в водоеме подо льдом устанавлива­ется температура 4 °С. Уплотнение воды при повышении температу­ры от 0 до 4 °С связано с тем, что при нагревании все чаще проис­ходит разрыв межмолекулярных связей, в результате чего взаимное расположение молекул все больше напоминает плотную упаковку шаров. Уменьшение плотности воды при нагревании выше 4 °С объясняется тем, что этот эффект начинает подавляться другим, а именно эффектом теплового увеличения расстояний между ато­мами кислорода и водорода внутри молекул воды. Существование ажурной молекулярной структуры воды (при температуре, близкой к О °С) объясняется и уменьшением ее вязкости с увеличением внешнего давления. При повышении давления происходит разрыв межмолекулярных связей, что приводит к уменьшению вязкости.

Учитель. За обоснованный ответ и активную работу на уроке ставлю оценку 5.

Откройте дневники и запишите задание на дом: § 18; повторить § 29 («Физика-8»). Задание для желающих: вырастить кристаллы из раствора медного купороса или квасцов. Советую вам прочитать книги, отрывки из которых мы сегодня обсуждали.

Напишите мне: demkin-nik@yandex.ru      ICQ: 276-807-301       E-mail  школы:  stshkola1@mail.ru 

[Главная] [Новости] [О себе] [Фото] [Методика] [Уроки] [Мероприятия] [Планирование] [Олимпиады] [Карта сайта] [Гостевая] [Ссылки] [Разное] [Юмор]