Кристаллические и аморфные тела. Физика. 10 класс.

Комментарии преподавателя

Кристаллические тела

Сей­час мы впер­вые при­сту­па­ем к рас­смот­ре­нию твёр­дых тел с точки зре­ния мо­ле­ку­ляр­но ки­не­ти­че­ской тео­рии. Ко­неч­но же, твёр­дые тела ра­зи­тель­ным об­ра­зом от­ли­ча­ют­ся от газов, а тем более иде­аль­ных газов, по своей струк­ту­ре и свой­ствам, од­на­ко мы всё равно можем, поль­зу­ясь уже име­ю­щи­ми­ся зна­ни­я­ми, опи­сать их.

Во-пер­вых, вспом­ним, какое опре­де­ле­ние твёр­дым телам вво­ди­лось в млад­ших клас­сах:

Опре­де­ле­ние. Твёр­дые тела – тела, ко­то­рые со вре­ме­нем не ме­ня­ют своей формы и объ­ё­ма. Те­перь же для рас­ши­ре­ния тео­рии о твёр­дых телах мы вве­дём клас­си­фи­ка­цию твёр­дых тел. Твёр­дые тела де­лят­ся на…

1. Кри­стал­лы (кри­стал­ли­че­ские тела)
2. Аморф­ные тела
3. Ком­по­зи­ты (ком­по­зит­ные тела) (рис. 1)

Рис. 1. При­ме­ры кри­стал­ли­че­ских (соль) и аморф­ных (воск) твёр­дых тел со­от­вет­ствен­но

Рас­смот­ри кри­стал­ли­че­ские тела:

Опре­де­ле­ние.Кри­стал­лы – твёр­дые тела, у ко­то­рых на­блю­да­ет­ся упо­ря­до­чен­ное рас­по­ло­же­ние ато­мов или мо­ле­кул (см. рис. 2).

Рис. 2. При­мер кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­ки (ка­мен­ная соль)

Кри­стал­лы, в свою оче­редь, также де­лят­ся на два клас­са:

1. Мо­но­кри­стал­лы, то есть вся струк­ту­ра тела пред­став­ле­на еди­ным кри­стал­лом (алмаз, рубин, сап­фир…)

2. По­ли­кри­стал­лы, то есть струк­ту­ра тела пред­став­ля­ет собой объ­ё­ди­не­ние боль­шо­го ко­ли­че­ства малых кри­стал­лов (гра­нит, боль­шин­ство ме­тал­лов…)

Сле­ду­ет также знать, что кри­стал­ли­че­ская струк­ту­ра не яв­ля­ет­ся свой­ством, ха­рак­тер­ным для одних хи­ми­че­ских эле­мен­тов или со­еди­не­ний, а для дру­гих неха­рак­тер­ным. Дело в том, что мно­гие твёр­дые тела об­ла­да­ют так на­зы­ва­е­мым свой­ством по­ли­мор­физ­ма.

Опре­де­ле­ние. По­ли­мор­физм – свой­ство твёр­дых тел су­ще­ство­вать в со­сто­я­нии с раз­лич­ной кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­кой. На­при­мер, уже при­во­ди­мые на одном из про­шлых уро­ков в ка­че­стве при­ме­ра алмаз и гра­фит оба со­сто­ят из уг­ле­ро­да, од­на­ко с раз­лич­ным рас­по­ло­же­ни­ем его ато­мов.

Кри­стал­лы могут быть рас­пре­де­ле­ны на две груп­пы также и по сле­ду­ю­щим свой­ствам: изо­тро­пия и ани­зо­тро­пия.

Опре­де­ле­ние. Ани­зо­тро­пия – за­ви­си­мость фи­зи­че­ских свойств кри­стал­ла от на­прав­ле­ния. То есть кри­стал­ли­че­ская струк­ту­ра не сим­мет­рич­на, и су­ще­ству­ет несколь­ко осей, вдоль ко­то­рых у кри­стал­ла про­яв­ля­ют­ся раз­лич­ные свой­ства (ме­ха­ни­че­ские, элек­три­че­ские, оп­ти­че­ские). Ани­зо­тро­пия свой­ствен­на мо­но­кри­стал­лам.

Изо­тро­пия – неза­ви­си­мость фи­зи­че­ских свойств кри­стал­ла от на­прав­ле­ния. Свой­ствен­на по­ли­кри­стал­лам, по­то­му как несим­мет­ри­че­ские мо­но­кри­стал­лы ори­ен­ти­ру­ют­ся ха­о­ти­че­ски, сводя на нет несим­мет­рич­ность.

Ещё одним прин­ци­пом, по ко­то­ро­му можно клас­си­фи­ци­ро­вать кри­стал­лы, яв­ля­ет­ся при­ро­да свя­зей, ко­то­рые удер­жи­ва­ют узлы кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­ки вме­сте:

1. Мо­ле­ку­ляр­ные связи ха­рак­тер­ны для кри­стал­лов с очень низ­кой ме­ха­ни­че­ской твёр­до­стью (кри­стал­лы на ос­но­ве во­до­ро­да и гелия)
2. Ко­ва­лент­ные связи ха­рак­тер­ны, на­про­тив, для кри­стал­лов с вы­со­кой проч­но­стью (алмаз)
3. Ион­ные связи (соли)
4. Ме­тал­ли­че­ские связи (ме­тал­лы)

Аморфные тела

Пе­рей­дём к рас­смот­ре­нию аморф­ных тел:

Опре­де­ле­ние. Аморф­ные тела – тела, не име­ю­щие стро­гой кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­ки, бес­фор­мен­ные тела (смола, стек­ло, гра­фит…). Аморф­ные тела ещё на­зы­ва­ют пе­ре­охла­ждён­ны­ми вяз­ки­ми жид­ко­стя­ми в связи с тем, что у них нет стро­гой тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния, по­то­му как нет яв­но­го пе­ре­хо­да от твёр­до­го со­сто­я­ния до жид­ко­го: с уве­ли­че­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры аморф­ные тела стают толь­ко более те­ку­чи­ми, а свой­ство те­ку­че­сти со­хра­ня­ет­ся у них даже при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах.

Пе­рей­дём к рас­смот­ре­нию ком­по­зит­ных тел:

Композитные тела

Опре­де­ле­ние. Ком­по­зит­ные тела – ис­кус­ствен­но со­здан­ные твёр­дые тела, со­сто­я­щие из жёст­кой мат­ри­цы и ни­те­вид­но­го кри­стал­ли­че­ско­го на­пол­ни­те­ля. Бла­го­да­ря раз­но­об­раз­ным ком­би­ни­ро­ва­ни­ям этих двух со­став­ля­ю­щих, можно по­лу­чать же­ла­е­мую проч­ность, гиб­кость, упру­гость и т. д. ма­те­ри­а­ла.

Рас­смот­рим те­перь такой фи­зи­че­ский про­цесс, как де­фор­ма­ция, и опи­шем раз­лич­ные её раз­но­вид­но­сти.

Деформация

Опре­де­ле­ние. Де­фор­ма­ция – из­ме­не­ние формы или объ­ё­ма твёр­до­го тела. Раз­ли­ча­ют пять видов де­фор­ма­ций:

1. Рас­тя­же­ние – уве­ли­че­ние рас­сто­я­ния между мо­ле­ку­ляр­ны­ми ря­да­ми
2. Сжа­тие – умень­ше­ние рас­сто­я­ния между мо­ле­ку­ляр­ны­ми ря­да­ми
3. Сдвиг – сме­ще­ние мо­ле­ку­ляр­ных рядов друг от­но­си­тель­но друга без из­ме­не­ния рас­сто­я­ния между ними
4. Кру­че­ние – по­во­рот мо­ле­ку­ляр­ных рядов друг от­но­си­тель­но друга
5. Изгиб – ком­би­на­ция де­фор­ма­ций сжа­тия и рас­тя­же­ния

Закон Гука

Со­вер­шен­но оче­вид­но, что для того, чтобы про­из­ве­сти де­фор­ма­цию тела, необ­хо­ди­мо при­ло­жить силу.  Но, по тре­тье­му за­ко­ну Нью­то­на, со сто­ро­ны тела будет дей­ство­вать сила про­ти­во­дей­ствия, или, как её на­зва­ли, сила упру­го­сти. Су­ще­ству­ет закон, поз­во­ля­ю­щий опре­де­лить ве­ли­чи­ну этой силы в за­ви­си­мо­сти от ве­ли­чи­ны де­фор­ма­ции. Этот закон носит имя Ро­бер­та Гука – ан­глий­ско­го учё­но­го (рис. 3). Но пре­жде, чем вы­ве­сти его, сфор­му­ли­ру­ем неко­то­рые па­ра­мет­ры ма­те­ри­а­ла и де­фор­ма­ции.

Опре­де­ле­ние. Аб­со­лют­ная де­фор­ма­ция (сдви­га) - :

Здесь:  - ко­неч­ная длина тела;  - на­чаль­ная длина тела.

От­но­си­тель­ная де­фор­ма­ция – :

Ме­ха­ни­че­ское на­пря­же­ние – :

Здесь:  - сила упру­го­сти, дей­ству­ю­щая внут­ри тела;  - пло­щадь се­че­ния тела, пер­пен­ди­ку­ляр­но­го к на­прав­ле­нию век­то­ра силы.

Закон Ро­бер­та Гука в общем виде вы­гля­дит сле­ду­ю­щим об­ра­зом:

Здесь:  - мо­дуль Юнга или мо­дуль упру­го­сти, таб­лич­ная ве­ли­чи­на, ха­рак­те­ри­зу­ю­щая упру­гие ка­че­ства ве­ще­ства.

          Уви­дим те­перь, как можно свя­зать вы­ше­при­ве­дён­ную фор­му­ли­ров­ку за­ко­на Гука со зна­ко­мой нам ещё из курса ди­на­ми­ки:

Очень важ­ным яв­ля­ет­ся тот факт, что, во-пер­вых, закон Гука, сфор­му­ли­ро­ван­ный на этом уроке, яв­ля­ет­ся более общим, неже­ли из­вест­ный нам ранее, а во-вто­рых, закон Гука вы­пол­ним толь­ко при неболь­ших де­фор­ма­ци­ях.

Рис. 3. Ро­берт Гук

Диаграмма растяжений

Для ил­лю­стра­ции де­фор­ма­ци­он­ных ка­честв твёр­до­го тела очень хо­ро­шо под­хо­дит диа­грам­ма рас­тя­же­ний, то есть гра­фик за­ви­си­мо­сти ме­ха­ни­че­ско­го на­пря­же­ния от от­но­си­тель­ной де­фор­ма­ции (см рис. 4).

Рис. 4. Диа­грам­ма рас­тя­же­ний

Уча­сток ОА на­зы­ва­ет­ся участ­ком упру­го­сти, то есть при рас­тя­же­ни­ях, по­па­да­ю­щих в этот уча­сток, после сня­тия на­пря­же­ния с об­раз­ца тело при­ни­ма­ет свою пер­во­на­чаль­ную форму и объём. Зна­че­ние ме­ха­ни­че­ско­го на­пря­же­ния в точке А на­зы­ва­ет­ся ме­ха­ни­че­ским на­пря­же­ни­ем про­пор­ци­о­наль­но­сти. Уча­сток СD, на­про­тив, на­зы­ва­ет­ся об­ла­стью те­ку­че­сти, и при де­фор­ма­ции боль­шей, чем зна­че­ние в точке C, де­фор­ма­ция ста­но­вит­ся эла­стич­ной, то есть тело не воз­вра­ща­ет­ся в на­чаль­ное со­сто­я­ние после сня­тия на­пря­же­ния. Имен­но по ве­ли­чине этой зоны опре­де­ля­ет­ся устой­чи­вость об­раз­ца к раз­ры­ву. Зна­че­ние ме­ха­ни­че­ско­го на­пря­же­ния в точке E на­зы­ва­ет­ся пре­де­лом проч­но­сти и со­от­вет­ству­ет той гра­ни­це, при пе­ре­хо­де ко­то­рой об­ра­зец раз­ру­ша­ет­ся.

В тех­ни­ке часто ис­поль­зу­ет­ся по­ня­тие «ко­эф­фи­ци­ент без­опас­но­сти».

Опре­де­ле­ние. Ко­эф­фи­ци­ент без­опас­но­сти – от­но­ше­ние ме­ха­ни­че­ско­го на­пря­же­ния про­пор­ци­о­наль­но­сти к мак­си­маль­но­му ме­ха­ни­че­ско­му на­пря­же­нию, ко­то­рое ис­пы­ты­ва­ет де­таль, стро­е­ние.

Жидкие кристаллы

Осо­бен­ный ин­те­рес пред­став­ля­ют собой тела, на­зы­ва­ю­щи­е­ся жид­ки­ми кри­стал­ла­ми.

Опре­де­ле­ние. Жид­кие кри­стал­лы – тела, од­но­вре­мен­но об­ла­да­ю­щие свой­ства­ми кри­стал­лов (упо­ря­до­чен­ное стро­е­ние мо­ле­кул и ато­мов) и жид­ко­стей (те­ку­честь). Важ­ней­шее свой­ство жид­ких кри­стал­лов – оп­ти­че­ская ани­зо­тро­пия, то есть неоди­на­ко­вое про­хож­де­ние света по раз­ным на­прав­ле­ни­ям.

Все жид­кие кри­стал­лы раз­де­ле­ны на три типа (рис. 5):

1. Нема­ти­ки – кри­стал­лы имеют ни­те­вид­ную струк­ту­ру
2. Смек­ти­ки – пред­став­ля­ют собой некие мыль­ные рас­тво­ры
3. Хо­ле­сте­ри­ки – со­дер­жат в своём со­ста­ве хо­ле­сте­рин

Рис. 5. Схема ори­ен­та­ции мо­ле­кул раз­лич­ных типов жид­ких кри­стал­лов

К занятию прикреплен файл  «Это интересно!». Вы можете скачать файл  в любое удобное для вас время.

Использованные источники: 
http://interneturok.ru/ru/school/physics/10-klass/

http://www.youtube.com/watch?v=SbTzPITAavY

http://www.youtube.com/watch?v=EkNJNTb06GU&spfreload=10

http://www.youtube.com/watch?v=Wu9AuRtCLV4

Файлы