单晶体各向异性实验验证

汪路斌 李红莲

宁夏回族自治区银川一中(750001)

人教版物理选修3教材“固体”一节中，安排了均匀的石蜡涂层在云母片、玻璃片上熔化后分别呈现椭圆形和圆形的实验，证明了单晶体导热性能的各向异性。该实验采用将缝衣针烧热，然后用针尖接触蜡层背面的方法。针尖提供的热量有限，在实际操作中有一定难度。改进的方法有：用电阻丝穿过云母片接在电源上以持续供热或在电烙铁上缠上铜丝通电持续加热。笔者对导热性实验稍作改动，去掉了电烙铁上缠绕的铜丝，并且用双解石的双折射现象验证了单晶体光学性质各向异性，用方铅矿各个方向电阻率不同验证了单晶体电学性质各向异性，多角度证明了晶体的各向异性。

1 单晶体导热性能的各向异性

1.1 实验器材：

1块4 cm×4 cm×2 mm的玻璃板、1块12 cm×12 cm的双层云母片、1把25 W的电烙铁、1根蜡烛(最好用红蜡烛)。

1.2 实验步骤

(1)用电烙铁将石蜡熔化，均匀涂抹在玻璃板和云母片上，涂层要薄且匀。

(2)电烙铁插上电源加热到较高温度，将玻璃板和云母片持平，用电烙铁的尖端分别给玻璃板、云母片背面加热，加热过程中尖端不能移动。

1.3 实验现象

玻璃片上石蜡熔化后呈圆形，云母片上石蜡熔化后呈椭圆形。

1.4 实验分析

云母片上石蜡熔化后呈椭圆形，表明云母片各个方向导热性能不同，椭圆的长轴方向传热快，短轴方向传热慢；玻璃板上石蜡熔化后呈圆形，表明玻璃片各个方向导热性能相同。

1.5 实验结论

单晶体云母片在导热性能方面有显著的各向异性，非晶体玻璃导热性能各向同性。

2 单晶体光学性能的各向异性

2.1 实验器材

1块梯形玻璃砖、1块边长2 cm的方解石(方解石每个面都是菱形)、1支激光笔。

2.2 实验步骤

(1)将方解石和玻璃砖放在有字或有线条的纸上，观察方解石和玻璃砖成像的异同。

(2)激光笔光束分别穿过玻璃和方解石，观察在白墙上成像的异同。

2.3 实验现象

(1)字或线透过方解石成2个像，透过玻璃砖成1个像。

(2)激光笔光束穿过方解石有2个光点，穿过玻璃砖只有1个光点。

2.4 实验分析

两个现象的实质是相同的，光经过方解石后发生显著的双折射现象，而经过玻璃砖无双折射现象。双折射的实质是一束光可以分解到2个方向，不同方向的偏振光经过方解石折射率不同，就会有双折射光束。

2.5 实验结论

单晶体方解石在光学性质方面有显著的各向异性。

3 单晶体电学性能的各向异性

3.1 实验器材

1块4 mm×4 mm×1 mm的方铅矿(见图1)、1块15 mm×15 mm×10 mm的铁块、1套演示用欧姆表(见图2)。

图1 方铅矿示意图

图2 欧姆表示意图

3.2 实验步骤

(1)先将欧姆表机械调零，再将多用电表旋钮转到欧姆×1档，然后将红黑表笔短接进行欧姆调零。

(2)将欧姆表红黑表笔分别接触方铅矿的AEHD、BFGC面的中点，读出阻值。再将红黑表笔分别接触方铅矿的ABFE、CGHD面的中点，读出阻值。

(3)重复步骤(2)，测出铁块2个方向的电阻大小。

3.3 实验现象

方铅矿2个方向的电阻约为25 Ω、45 Ω；铁块2个方向的电阻均约为0 Ω。

3.4 实验分析

3.5 实验结论

单晶体方铅矿在电学性质方面有显著的各向异性。

4 结语

本文通过3个实验，石蜡在云母片上呈椭圆形验证了单晶体导热性各向异性，双解石的双折射现象验证了单晶体光学性质各向异性，方铅矿各个方向电阻率不同验证了单晶体电学性质各向异性，多角度证明了单晶体的各向异性。