КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕЛА
методическая разработка (физика, 10 класс) на тему

Методическая разработка урока по физике в 10 классе (профильный уровень)

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕЛА

Автор: Борякина Наталья Викторовна-

учитель физики ГБОУ СОШ с Утевка

Цель урока: знакомство учащихся со строением и свойствами кристаллических тел, обусловленными формой кристаллов, симметрией пространственных кристаллических решёток.

Задачи урока:   

      Учебные  

           Познакомить учащихся: а) с правильной формой кристаллов;

                                                      б) со свойствами анизотропии;

                                                      в) методом моделирования в изучении свойств кристаллов;

                                                      г) с влиянием магнитного поля на рост кристаллов;

                                                      д) с влиянием невесомости на рост кристаллов.  

     Умение строить предположение (гипотезу) и подтверждать его опытом

     Отработка навыков работы с физическими приборами

Развивающие

Развитие речевых навыков

       Развитие способности к анализу и синтезу

       Развитие теоретического мышления

 Развивать творческую активность, творческие способности учащихся.

Воспитательные

Развитие умения работать в группе, развитие сотрудничества

Воспитание умения выслушивать товарища, уважать мнение оппонента

Развитие стремления к познанию

Познакомить с ролью отечественных учённых в разработке физики твёрдого тела

Показать значение физики твёрдого тела для народного хозяйства.

Оборудование к уроку:

Компьютер

Мультимедиопроектор

Экран

 Модель  пространственной решётки кристаллов

Таблица плотностей некоторых веществ

Лабораторное: коллекция минералов и горных пород, лупа, школьный микроскоп, насыщенные растворы поваренной соли и двухромокислого аммония, предметное стекло, пипетка, пробирка, порошок натрия, спиртовка.

Тип урока: комбинированный.

Методы: словесный, практический, наглядный.

  На уроке мотивация учебной деятельности школьников реализуется путём постановки цели – овладеть материалом, чтобы применять его для объяснения свойств кристаллических тел. Привлечение интересного фронтального эксперимента, отрывков из научно-популярной литературы, раскрывающих практическое применение кристаллов, активизирует внимание учащихся.

   Структура урока включает все элементы циклической схемы изучения материала: от наблюдения кристаллических тел к догадке о закономерном расположении частиц в кристаллах, к теоретическому выводу следствий (анизотропия монокристаллов), далее к экспериментальной проверке теоретических выводов.

   Такая структура позволит наиболее полно показать значение моделей пространственных решёток для объяснения физических свойств веществ.

Ожидаемые результаты:

  Учащиеся к концу урока должны знать:

          кристаллы одного и того же вещества имеют разнообразную форму;

          о симметрии кристаллов;

          обладают анизотропией;

          на рост кристаллов влияет внешняя среда (магнитное поле, невесомость…);

                о роли отечественных учённых в разработке физики твёрдого тела;

                о значении физики твёрдого тела для народного хозяйства.

Уметь:

                строить предположение (гипотезу) и подтверждать его опытом;

                работать с физическими приборами.

План урока

Учитель: Большое количество твёрдых веществ на Земле – это вещества в кристаллическом состоянии. К ним относятся всевозможные сплавы, минералы, а так же строительные материалы. Специальная область физики – физика твёрдого тела – занимается изучением строения и свойств твёрдых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях, а  изучение кристаллов, во всех их проявлениях, является наиболее перспективным и востребованным занятием в области физики твёрдого тела на несколько ближайших десятилетий.(Слайд 1)

  Вы, наверное, знаете о заслугах наших учёных – академиков, лауреатов Нобелевской премии А.М. Прохорова и Н.Г. Басова в создании квантовых генераторов (лазеров). Как устроен кристалл? Почему многие кристаллы обладают удивительными свойствами? Каковы особенности структуры кристаллов, которые отличают их от аморфных тел. Ответы на эти вопросы мы с вами получим в ходе урока. (Слайд 2)

  Давайте вспомним материал прошлых уроков. Расскажите, как вещество из газообразного состояния переходит в жидкое?

Ответ ученика: Для того чтобы вещество перешло из газообразного состояния в жидкое, надо газ охладить и сжать. При определённой температуре вещество из газообразного состояния переходит в жидкое, а затем при дальнейшем охлаждении в твёрдое тело.

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

Ответ ученика: Когда  газ превращается в жидкость, его молекулы сближаются. Расстояние между молекулами становится в несколько раз меньше, чем в газе. Поэтому плотность жидкости во много раз больше плотности газа.

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

Ответ ученика: Если посмотреть в таблицу плотностей ρв = 1000 кг/м3 ρл = 900 кг/м3 Поэтому можно сказать, что плотность вещества в твёрдом состоянии очень мало отличается от плотности того же вещества в жидком состоянии. Следовательно, жидкость превращается в твёрдое тело не в результате сближения молекул.

Учитель: Итак, в твёрдом теле расстояние между молекулами такое же, как в жидкости. Как объяснить различие свойств твёрдых тел и жидкостей?

  При одном и том же среднем 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 объединяются, образуя определённую фигуру. При этом они приходят в устойчивое равновесие.

   Когда тело находится в устойчивом состоянии?

Ответ ученика: Равновесие тела будет устойчивым, если при небольшом отклонении от этого положения силы, действующие на тело, возвращают его в первоначальное положение. То есть сумма сил, действующих на тело равна нулю и потенциальная энергия тела минимальна.

Учитель: Твёрдое тело отличается от жидкости именно тем, что его частицы находятся в положении устойчивого равновесия. Перед вами на столах лежат наборы минералов и горных пород, среди них есть кристаллы, которые вырастили учащиеся на элективном курсе по физике «Наблюдение. Эксперимент. Моделирование». Предлагаю выполнить практическую работу №1, запишите в тетрадь тему работы «Визуальное изучение кристаллических и аморфных тел». Инструкция по выполнению работы на слайде 3.

 Оборудование: набор кристаллических и аморфных тел (кусочки соли, чугун с изломом, исландский шпат, вар и плексиглас), лупа.

Инструкция:  1. Рассмотрите кристаллы поваренной соли, исландского шпата. Заметна ли их правильная внешняя форма? Найдите плоские грани и углы между гранями. Зарисуйте эти кристаллы.

2. С помощью лупы рассмотрите излом чугуна. Видите ли вы отдельные мелкие кристаллики? Можно ли обнаружить порядок в их расположении? Свои наблюдения запишите в тетрадь.

3. Рассмотрите изломы вара и плексигласа. Как они выглядят? Наблюдения запишите в тетрадь.

4. Посмотрите через кристалл исландского шпата на любой текст. Что вы видите? Какое свойство кристалла вы наблюдаете?

Учитель: давайте обсудим результаты ваших наблюдений. Скажите, чем отличаются ваши образцы по внешнему виду.

Ответ ученика: Кристаллы одного и того же вещества имеют разнообразную форму. Углы между отдельными гранями кристаллов одинаковы. Некоторые формы кристаллов симметричны. Например, кристаллы соли имеют хорошо заметные  плоские грани, чугун на изломе имеет шероховатую поверхность, излом вара и плексигласа гладкий. Цвет кристаллов различен, - очевидно, это зависит от примесей.

Учитель: Вы наблюдательны и правильно подметили свойства кристаллов. Большинство окружающих нас твёрдых 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 – монокристаллы – имеющие правильную форму в природе встречаются редко (табл. Кристаллы). Но такой кристалл можно вырастить в искусственных условиях. Посмотрим на рост кристаллов. (выполняются практические работы)

Практическая работа №2 «Выращивание кристаллов под микроскопом» (тема в тетрадь)

Оборудование: школьный микроскоп, насыщенные растворы поваренной соли и двухромокислого аммония, предметное стекло, пипетка.

Инструкция: Микроскоп установите на столе, тубус опустите. На предметное стекло нанесите пипеткой каплю раствора двухромикислого аммония и поместите предметное стекло под микроскоп. Поворотом ручки наведите на резкость. Через 2 мин после нанесения раствора начнётся кристаллизация. Зарисуйте картину, сделайте вывод о форме кристаллов. То же проделайте с раствором поваренной соли. (в проведении практической работы помогает лаборант). (слайд 4,5)

Практическая работа №3 «Получение кристаллов из паров» (слайд 6)

Оборудование: пробирка, порошок натрия (нашатыря), спиртовка, лупа.

Инструкция: 1. Насыпьте в пробирку немного порошка натрия (нашатыря) и осторожно введите пробирку в пламя спиртовки, пробирку держите наклонно, открытым концом от себя. Через некоторое время прекратите нагревание.

2. Рассмотрите внимательно с помощью лупы, что образуется на стенках пробирки.

3. Объясните наблюдаемое явление. Зарисуйте результаты наблюдений в тетради.(слайд7)

Учитель: Итак, вы наблюдали за ростом кристаллов. Какие же условия могут повлиять на форму и скорость роста кристаллов. Сейчас мы послушаем отчёт ваших одноклассников, которые выращивали кристаллы медного купороса на занятиях элективного курса в  обычных условиях и под действием постоянного магнитного поля. (Слайд 8)

 (Сообщение учащегося: Для исследования было приготовлено два одинаковых стаканчика с одинаковым количеством раствора медного купороса. Один стаканчик с медным купоросам мы помещаем   на приготовленную установку из магнитов, образующих магнитное поле. Второй стаканчик с раствором  медного купороса помещаем вдали от магнитов. С этого дня начинаем вести наблюдение.  Работа проводилась в  течение 25 дней.   Условия, в которых находились два стаканчика с раствором, были одинаковы (температурный, световой режим), отличие было в том, что один стаканчик находился под воздействием магнитного поля, а другой  был вне его воздействия. С момента приготовления раствора и появлением первых кристалликов прошло 20 дней. Первые кристаллы были обнаружены в стаканчике,  находившемся под воздействием магнитного поля. Через 3 дня кристаллы появились и во втором стакане. Было явное различие в двух стаканчиках, которое показано в таблице (слайд 9, 10) По результатам проведенных исследований мы видим, что магнитное поле влияет на рост кристаллов и на их физические свойства.

Из прочитанной литературы нам стало известно, что физические свойства  веществ зависят от внутреннего расположения молекул. Как  же магнитное поле повлияло на расположение молекул медного купороса при образовании кристаллов?                                       

   Под микроскопом было замечено, что у одного из кристаллов имеются своеобразные скопления частичек виде круговых линий (кристаллы, находившиеся под воздействием магнитного поля) это может быть объяснено тем, что медь, входящая с состав медного купороса хоть и  обладает очень плохим свойством намагничивания, все же взаимодействует с магнитным полем как и   опилки,  подтверждая его существование,  а так же круговые  пятна(магнитные замкнутые линии) являются доказательством существования  магнитного поля, влияющего  на строение  кристалла. Рассматривая кристалл, находившейся вне поля  видим, равномерное правильное  расположение частиц меди. (слайд 11)

   Таким образом, мы видим, что процесс  роста кристалла  и его физические свойства  очень чувствителен к воздействию магнитного поля. Под воздействием магнитного поля не только ускоряется процесс роста кристаллов, но и улучшаются его физические свойства ).

Учитель: Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми рёбрами и обладает симметрией. В кристаллах можно найти различные элементы симметрии (слайд 12). 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 привели к важной догадке о закономерностях в расположении частиц, составляющих кристалл. Давайте попробуем сформулировать эти закономерности.

Ответ ученика: Частицы в кристалле располагаются так, что они образуют определённую правильную форму, решётку.

Учитель: Перед вами модель пространственной решётки поваренной соли. Шарики одного цвета имитируют ионы натрия, шарики другого цвета – ионы хлора. В каждой пространственной решётке можно выделить некоторые повторяющиеся элементы её структуры, иначе говоря, элементарную ячейку. (слайд 13)

   К наиболее простым элементарным ячейкам относятся куб, призма (слайд 14) Понятие о пространственной решётке позволило объяснить свойства кристаллов. Предсказание о структуре кристаллов было высказано Е.С. Фёдоровым в 1890 г. В это время не существовало доказательств этой гипотезы. Такое предвидение строения кристаллов оставалось гипотезой до 1912 г., пока не стали использовать рентгеновские лучи для изучения кристаллов.

   Посмотрите на лист слюды. Он легко расщепляется по плоскости (демонстрирую)

и в то же время обладает высокой прочностью в направлении, перпендикулярном плоскости листа. И ещё. Вспомните причудливые ледяные узоры на окнах. Форма снежинок свидетельствует о том, что кристаллизация паров воды в переохлаждённом воздухе идёт быстрее в определённых направлениях. Снежные узоры мы можем получить и в комнатных условиях.

(Сообщение учащегося: При резком похолодании температура окон становится ниже температуры воздуха в помещении. На них и оседают молекулы пара, находящиеся во влажном воздухе в комнате, образуя красивые узоры. При этом тоже очень важно, чтобы воздух в комнате был не очень влажным. В противном случае пар сначала сконденсируется на стекле и затем замерзает, образуя слой льда.   Узоры не появляются на окне, если открыта форточка. В этом случае температура воздуха в комнате у стекла понижается, став такой же, как и температура самого стекла. В ледяных узорах, можно увидеть большинство форм, которые могут принимать снежные кристаллы.          

  Наблюдать за ростом снежных кристаллов на окнах мы можем и у себя дома. Однако, к сожалению, узоры на окнах недолговечны, да и трудно менять условия их роста. Но можно «выращивать» узоры, очень похожие на ледяные, пользуясь не водой, а раствором гипосульфита (он продается в магазинах в отделах фототоваров) или карловарской соли (ее можно купить в аптеке). Эти узоры долговечны, по внешнему виду не отличаются от ледяных. Получить узор можно так. Сначала приготовим насыщенный раствор вещества, с которым мы будем работать. Протрём этим раствором стекло и поставим его под вентилятор. Примерно через 5 минут вода испарится, а на стекле получится узор. Самое трудное здесь - это хорошо смочить стекло. Дело в том, что обычно вода не смачивает поверхность стекла и не растекается по ней, а образует капельки. Тогда вместо узоров получатся пятна, в которых останется просто высохший осадок.

   Если не обдувать стекло или налить на него много раствора, то вместо узора мы получим куски кристаллов, они вырастут «снизу» (от поверхности стекла) и будут возвышаться над стеклом. Нам же надо, чтобы кристаллы выросли   небольшие и сразу на всей поверхности стекла. Чтобы раствор смачивал стекло, надо поверхность стекла тщательно очистить бензином или спиртом (можно взять и одеколон). Еще лучше пользоваться не водным, а спиртовым раствором соли. Конечно, с первого раза узор может и  не получиться.) (слайд 15)

Учитель: 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 решёток. Это свойство кристаллов называют анизотропией.

  Как, исходя из кристаллической структуры твёрдых тел, объяснить свойство анизотропии?

Ответ ученика: На модели пространственной решётки хлористого натрия видно, что каждый ион натрия окружён шестью ионами хлора. Если выбрать одно из вертикальных или горизонтальных направлений, то можно заметить, что чередуются чёрные и белые шарики – ионы натрия и хлора. По диагонали же располагаются или белые или чёрные шарики. Значит, не все направления в кристалле равноправны по строению.  Это и является причиной анизотропии.

Учитель: О применении кристаллов и некоторых интересных физических явлениях, связанных с кристаллами, можно прочитать в научно-популярной литературе. На ваших столах лежат  книги с закладками на определённых страницах, прочитайте отрывки, а я потом выборочно вас спрошу.

Ученик: Я расскажу о жидких кристаллах. Большинство веществ может находиться в трех состояниях – твёрдом, жидком и газообразном. Однако некоторые органические вещества, молекулы которых имеют нитевидную форму или форму плоских пластин, могут находиться в особом: состоянии, обладая одновременно свойством анизотропии и текучести. Это состояние, сочетающее свойства кристалла и жидкости, называют жидкокристаллическим состоянием.  В зависимости от внутреннего строения жидкие кристаллы разделяют на три класса: нематический, смектический, холестерический.

     Одновременное сочетание свойства кристаллов – анизотропии  и свойства жидкости – текучести объясняется тем, что вытянутые или плоские, как дощечки, молекулы, как и в «настоящих» кристаллах, расположены упорядочение. 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. Жидкие кристаллы  можно увидеть везде – это экраны телевизоров и мониторы компьютеров, электронные часы и микрокалькуляторы, экраны мобильных телефонов цифровых фотоаппаратов.(слайд 16)

Ученик:  Я расскажу о росте кристаллов в условиях невесомости. Важнейший процесс получения материалов в космических условиях – это их кристаллизация. Монокристаллы можно получать из растворов, расплавов или из паровой фазы. На станции «Салют-5» исследовались особенности роста кристаллов из водных растворов. Главной отличительной чертой подобных экспериментов в космосе является отсутствие конвекции в жидкости, которая приводит к колебаниям скорости роста и состава кристалла. С этой точки зрения качество кристаллов, получаемых в космосе, должно быть более высоким. Но с другой стороны, в космических условиях на пузырьки газа в жидкости не действует сила Архимеда, и эти пузырьки могут захватываться растущими гранями кристалла.

Исследование этих процессов на станции «Салют-5» проводилось с помощью прибора «Кристалл». Эксперимент с кристаллизатором № 1 продолжался в течение 24 суток . Первая экспедиция на станцию «Салют-5» – космонавты Б. В. Волынов и В. М. Жолобов – доставила на Землю кристаллы из этого кристаллизатора, которые выросли не только на «затравке», но и в объеме кристаллизатора (массовая, или объемная, кристаллизация). Эксперимент с кристаллизатором № 2 продолжался 185 суток . Большая часть этого эксперимента происходила в то время, когда станция «Салют-5» находилась в беспилотном управляемом режиме. Вторая экспедиция – космонавты В. В. Горбатко и Ю. Н. Глазков – доставила на Землю большое количество кристаллов, полученных при массовой кристаллизации. Было отмечено интересное явление – срастание отдельных кристаллов в цепочки («ожерелья»). Изучение кристаллов, выросших в кристаллизаторе, показало, что «космические» кристаллы отличаются от выращенных на Земле как по внешней огранке кристаллов (хорошо развиты те грани кристалла, которые обычно слабо развиты в земных образцах), так и во внутренней структуре (космические образцы содержат повышенное количество газово-жидких включений). Исследования доставленных из космоса кристаллов показали также, что в них не наблюдается полосатости, характерной для земных условий и свидетельствующей о колебаниях скорости роста. Этот результат может быть следствием отсутствия конвекции в растворе в космических условиях. В эксперименте, который был осуществлен также в рамках программы «Союз» – «Аполлон», изучался рост кристаллов из паровой фазы. Кристаллы типа германий – селен – теллур росли в запаянных ампулах, которые устанавливались в зону с перепадом температуры электронагревной печи. Эксперимент показал, что доставленные из космоса кристаллы более совершенны, чем контрольные образцы, полученные на Земле (более высокая однородность, меньше дефектов кристаллической решетки и т. д.). Одновременно было установлено, что вопреки теоретическим ожиданиям скорость переноса массы превышает величину, рассчитанную в чисто диффузионном приближении, но меньше значения, полученного в контрольных экспериментах на Земле, где значительную роль играла конвекция. Этот результат еще требует теоретического объяснения.

Таким образом, выполненные в космосе эксперименты по выращиванию кристаллов из растворов, расплавов и из паровой фазы показали, что в космических условиях можно получить кристаллические материалы, обладающие более высоким совершенством и однородностью. Вместе с тем установлено, что ряд экспериментально наблюдаемых особенностей роста кристаллов в невесомости не получил пока необходимого теоретического освещения и нуждается в дальнейшем исследовании.

Ученик:  Я расскажу о бесконтейнерном затвердевании в невесомости. Процессы формообразования жидких тел и их затвердевания в условиях, когда на них не действует сила веса, имеют свои особенности. Во-первых, предоставленная в этих условиях самой себе жидкость стремится, как известно, принять форму шара. Однако в действительности при затвердевании жидкости возникает ряд эффектов, усложняющих процесс сфероидизации: свободные колебания объема жидкости, различная скорость остывания жидкости на поверхности и в объеме и т. д. Во-вторых, сами процессы затвердевания и кристаллизации такой жидкости в невесомости также могут протекать по-иному. Прежде всего это касается конвекции, которая в земных условиях сглаживает колебания температуры в расплаве и способствует устойчивости процесса кристаллизации. В-третьих, в случае многокомпонентных сплавов отсутствие тяжести может повлиять на перераспределение компонентов внутри жидкости, а тем самым и на однородность образца.

Совокупность этих вопросов исследовалась в экспериментах на станции «Скайлэб», а также в эксперименте с прибором «Сфера» на станции «Салют-5». Выполненные  к настоящему времени исследования в области физических основ космического производства, включая опыты, проведенные на различных космических аппаратах, подтвердили правильность общих представлений об особенностях физических процессов в невесомости и дали непосредственные экспериментальные доказательства возможности получения в космосе материалов с улучшенными характеристиками. Вместе с тем эксперименты показали недостаточность существующих количественных теорий этих процессов и выявили необходимость проведения специальных исследований, направленных на развитие теоретических основ производства в космосе новых материалов. 

Учитель: Спасибо за активную работу на уроке. Оценки за урок…

Откройте дневники и запишите задание на дом: § 75. Задание для желающих: выяснить, как влияют ПАВы на форму и скорость роста кристаллов. (Результаты этого задания озвучиваются через некоторое время). Советую прочитать книги, отрывки из которых мы с вами обсуждали.

Литература

Учебник физики для общеобразовательных школ 10 класс Г.Я. Мякишев,

Б.Б Буховцев  М.: Просвещение 2006г.

         2. Беляков И.Г. Борисов Ю.Д. Космическая технология и производство

             М.: Машиностроение       2000г

         2. Тарасов Л.В. Это удивительно симметричный мир М.: Просвещение 1982г.

         3. Школьникам о современной физике М.: Просвещение 2000г.

         4. Шафрановский И. И., Симметрия в природе, 2 изд. Л., 1985.

          5. Журнал «Квант» №8 1981г