“大学物理”课程教学大纲
“大学物理”课程教学大纲
英文名称：University Physics
课程编号：PHYS1009
课程类型：必修
学时：128 学分：8
适用对象：理工科各专业学生
先修课程：高等数学高中物理
使用教材及参考书：
教材：大学物理（吴百诗主编）科学出版社
参考书：吴锡珑主编“大学物理教程”高教出版社
程守洙主编“普通物理学”高教出版社
张三慧主编“大学物理学”清华大学出版社
一、课程的性质、目的及任务
物理学是研究物质的基本结构﹑相互作用和物质最基础最普遍运动形式(机械运动,热运动,电磁运动,微观粒子运动等)及其相互转化规律的学科。
物理学的研究对象具有极大普遍性,它的基本理论渗透在自然科学的一切领域、应用于生产技术的各个部门,它是自然科学许多领域和工程技术发展的基础。
以物理学基础知识为内容的大学物理课程,它所包括的经典物理、近代物理和物理学在科学技术上应用的初步知识等都是一个高级工程技术人员必备的。因此，大学物理课是我校理工科各专业学生的一门重要必修基础课。
开设大学物理课程的目的,一方面在于为学生较系统地打好必要的物理基础；另一方面使学生初步学习科学的思想方法和研究问题的方法，这对开阔思路、激发探索和创新精神、增强适应能力、提高人才素质等,都会起到重要作用。学好物理课,不仅对学生在校的学习十分重要,而且对学生毕业后的工作和进一步学习新理论﹑新技术﹑不断更新知识等,都将
发挥深远影响。
二、课程的基本要求
1.使学生对物理学所研究的各种物质运动形式以及它们之间的联系有比较全面和系统的认识;对大学物理课中的基本理论、基本知识能够正确地理解,并且有初步应用的能力。
2.通过教学环节,培养学生严肃的科学态度和求实的科学作风。根据本课程的特点,在传授知识的同时加强对学生进行能力培养,如通过对自然现象和演示实验的观察等途径,培养学生从复杂的现象中抽象出带有物理本质的内容和建立物理模型的能力、运用理想模型和适当的数学工具定性分析研究和定量计算问题的能力以及独立获取知识与进行知识更新的能力,联系工程实际应用的能力等。
3.在理论教学中,要根据学生情况精讲基本内容,有些内容可安排学生自学或讨论,并要安排适当课时的习题课;要充分利用演示实验、录像等形象化教学手段,应尽量发挥计算机多媒体在物理教学中的作用,以提高教学效果。在教学过程中,还要处理好与中学物理的衔接与过渡,一方面要充分利用学生已掌握的物理知识,另一方面要特别注意避免和中学物理不必要的重复。在与后继有关课程的关系上,考虑到本课程的性质,应着重全面系统地讲
授物理学的基本概念、基本规律和分析解决问题的基本方法,不宜过分强调结合专业。
三、教学内容及要求
(一)力学
1.质点运动学
2.质点动力学
3.刚体的运动
要求:力学是大学物理教学内容中最基本、最重要的部分,它是学习大学物理其它部分以及许多后继课程所必须具备的基础知识。教学中要充分利用学生已有的力学基础,避免简单重复;要应用高等数学工具,在新的高度讲授力学概念和规律。通过力学部分的学习,使学生初步了解科学地研究问题的基本思想和方法;通过指导学生听课、阅读教材(参考书)、答(质)疑、以及做习题的规范训练和对作业的严格要求,培养学生科学的学习方法和严肃认真的学习态度,使学生尽快适应大学阶段的学习规律。
(1)理解质点、刚体等模型和参照系、惯性系等概念。
(2)掌握位置矢量、位移、速度、加速度等物理量。
能籍助直角坐标系熟练地计算质点在平面内运动时的速度和加速度;能熟练地计算质点作圆周运动时的角速度、角加速度、速度、切向加速度和法向加速度;会用自然坐标计算一般平面曲线运动中的速度、切向加速度和法向加速度。
(3)掌握牛顿运动定律及其适用条件,会用牛顿第二定律的投影式处理力学问题,掌握力学量的单位和量纲。
(4)掌握功的概念,能熟练地计算变力的功,会计算力矩的功,掌握保守力作功的特点及势能的概念,会计算势能和势能差,能熟练计算重力势能、弹性势能和万有引力势能。
(5)掌握质点系的动能定理和动量定理,会用它们分析解决质点在平面内运动时的简单力学问题,了解质心和质心运动定理。 * 了解空间均匀性与动量守恒律的关系。
掌握机械能守恒定律、动量守恒定律及它们的适用条件,掌握运用守恒定律分析问题的思想和方法,能分析简单系统在平面内运动的力学问题。
(6)理解转动惯量概念,能用积分方法计算几何形状简单、质量分布均匀的物体对轴的转动惯量。掌握刚体绕定轴的转动定律。
会计算定轴转动刚体的动能;能运用定轴转动刚体的动能定理分析、计算简单力学问题。
(7)理解动量矩(角动量)概念;通过质点在平面内运动和刚体绕定轴转动情况,理解动量矩守恒定律及其适用条件,能应用该定律分析、计算简单力学问题,了解进动产生的原因和进动方向。
(8)理解牛顿力学的相对性原理,理解两个相互作平动的坐标系间适用的速度和加速度变换定理,能分析与平动有关的相对运动问题。
(二)气体动理论及热力学
1.热力学
2.气体动理论
要求:气体动理论和热力学从不同的观点、用不同的方法研究物质热运动的基本规律,气体动理论是微观理论,热力学是宏观理论。在气体动理论教学中,要突出“系统的宏观性质是系统中分子微观热运动的统计表现”这个图象,突出统计概念和统计平均方法,在热力学教学中,要突出“从能量观点,运用逻辑推理研究问题”的思想和方法。要引导学生领会两种理论的特点以及二者间相辅相成的关系。
(1)掌握功和热量的概念,理解准静态过程,掌握热力学第一定律,能熟练地分析、计算理想气体各等值和绝热过程中的功、热量、内能的改变量及热机循环效率,了解卡诺定理,了解致冷系数的定义。
(2)理解可逆过程与不可逆过程，理解热力学第二定律的两种表述。
(3)了解气体分子热运动的图象,掌握理想气体的压强公式和温度公式,能从宏观和统计意义两个方面理解压强、温度、内能等概念,理解系统宏观性质是微观运动的统计表现,了解从建立模型、进行统计平均、建立宏观量和微观量的联系到阐明宏观量微观本质的思想和方法。了解气体分子平均碰撞频率及平均自由程。
(4)了解玻尔兹曼能量分布定律,理解麦克斯韦速率分布定律、速率分布函数及速率分布曲线的物理意义,理解气体分子热运动的算术平均速率、方均根速率和最概然速率的求法和意义,了解重力场中粒子按高度的分布规律。
(5)理解气体分子平均能量按自由度均分定理,能用该定理计算理想气体的定容热容、定压热容和内能。
(6)理解热力学第二定律的统计意义,理解无序性和熵的概念,了解熵的玻尔兹曼表达式及其物理意义。
(7)了解阿伏伽德罗常数、玻尔兹曼常数的数值和单位,了解常温常压下气体分子数密度、算术平均速率、平均自由程及分子有效直径等的数量级。
(三)电磁学
1.静电场库仑定律电偶极矩
2.稳恒电流的磁场
3.电磁感应
4.电磁场理论的基本概念
要求:在电磁学部分的教学中,应以库仑定律、毕奥—萨伐尔定律和法拉弟电磁感应定律为基础,突出场的概念,着重阐述电磁场的基本规律,最后给出麦克斯韦方程组的积分形式。教学中,还应适当介绍电磁学在现代科学及工程技术中的应用,要积极组织学生参观电磁学系列演示陈列实验。
(1)掌握静电场电场强度和电势的概念以及场的叠加原理,掌握电势与电场强度的积分关系,了解电场强度与电势的微分关系,能计算一些简单问题中的电场强度和电势。
(2)理解静电场的规律:高斯定理和环路定理,掌握用高斯定理计算电场强度的条件和方法,并能熟练应用。
(3)了解静电平衡条件及导体处于静电平衡时的基本特征。
(4)掌握磁感应强度的概念及毕奥—萨伐尔定律,能计算一些简单问题中的磁感应强度。
(5)理解稳恒磁场的规律:磁场高斯定理和安培环路定理,掌握用安培环路定理计算磁感应强度的条件和方法。
(6)理解安培定律和洛仑兹力公式,理解电偶极矩和磁矩的概念,能计算电偶极子在均匀电场中、简单几何形状载流导体和载流平面线圈在磁场中所受力和力矩,能分析和计算电荷在正交的均匀电磁场中的受力和运动。理解霍尔效应。
(7)了解介质的极化、磁化现象及其微观解释,了解铁磁质的特性,了解各向同性介质中D和
E、H和B之间的关系和区别,理解介质中的高斯定理和安培环路定理,会用介质中的高斯定理和安培环路定理计算介质中的电位移矢量和磁场强度,能由已知的电位移和磁场强度求相应的电场强度和磁感应强度。
(8)理解电动势的概念,掌握法拉弟电磁感应定律,理解动生电动势和感生电动势的概念和规律。
(9)理解电容、自感系数和互感系数的定义及其物理意义。
(10)了解电磁场的物质性,理解电能密度、磁能密度的概念,能计算简单对称的电磁场中贮存的场能。
(11)理解有旋电场和位移电流,会计算对称分布场中有旋电场的场强和位移电流,了解麦克
斯韦积分方程组的物理意义。
(四)振动和机械波
1.机械振动
2.机械波
要求:在机械振动和机械波的教学中,要着重阐明建立谐振动微分方程和平面简谐波波动方程的方法以及方程的物理意义,要突出“相位”和“相位差”的概念,要强调同方向同频率谐振动合在成的规律,强调波的相干条件和产生驻波的原因及其规律。教学中应注意通过振动与波动部分的教学,为学习波动光学打基础。
(1)掌握描述谐振动和简谐波的各物理量(特别是相位)的物理意义及其相互关系,会计算同一谐振动在不同时刻或同频不同谐振动的相位差。
(2)掌握谐振动的基本特征,能建立简单振动系统的谐振动微分方程,能根据给定的初始条件定出一维谐振动的运动方程、并理解其物理意义,理解谐振动的能量转换过程和振动能量与振幅的关系。
(3)掌握旋转矢量法。
(4)掌握两个同方向同频率谐振动的合成规律以及合振动振幅取极大和极小值的条件。了解两个同方向不同频率谐振动的合成规律。了解拍的概念,会计算拍频。了解两个相互垂直振动的合成规律。
(5)理解产生机械波的条件,掌握根据已知质点的谐振动方程建立平面简谐波的波函数的方法,掌握波函数的物理意义,理解波形曲线。理解波的能量传播特征及能流、能流密度等概念。
(6)理解惠更斯原理和波的叠加原理,理解波的相干条件,能应用相位差或波程差概念分析和确定相干波叠加的振幅加强和减弱条件,了解惠更斯原理在波的反射、折射和衍射现象中的应用。
(7)理解驻波的概念及其形成条件,了解驻波和行波的区别,能确定波腹和波节位置;了解驻波的相位分布特点。
(8)了解机械的多普勒效应及其产生原因。
(五)波动光学
1.光的干涉
2.光的衍射
3.光的偏振
要求:波动光学包括光的干涉、衍射和偏振等内容。在光的干涉部分教学中,要充分利用机械波的干涉知识,突出光程差的计算方法以及由光程差确定条纹位置和分布规律的方法等,避免单纯记公式的倾向;在光的衍射部分教学中,要强调菲涅耳的相干子波概念,突出用菲涅耳半波带分析问题的思想和方法;在光的偏振部分教学中,要强调自然光和线偏振光的概念,强调晶体中o光和e光的偏振特性及其在晶体中的传播规律。要利用课外时间组织学生参观光学系列演示陈列实验、观看录像,以加深对理论的理解、扩大知识面。
(1)了解普通光源的发光机理,理解获得相干光的方法。
(2)掌握光程概念以及光程差和相位差的关系,能分析和确定杨氏双缝实验、劈尖干涉实验和牛顿环实验等干涉条纹位置的分布规律,通过洛埃镜实验了解半波损失问题。了解迈克逊干涉仪的原理。
(3)理解惠更斯——菲涅耳原理,掌握用半波带法分析单缝夫琅费衍射暗纹分布规律的方法,会分析缝宽及波长对衍射条纹分布的影响,了解单缝衍射条纹的亮度分布规律。
(4)了解圆孔夫琅禾费衍射,了解光学仪器的分辨本领。
(5)掌握光栅衍射公式,会确定光栅衍射谱线的位置,会分析光栅常数和波长对光栅衍射条纹分布的影响。
(6)理解自然光和线偏振光,了解偏振光的获得方法和检验方法,理解马吕斯定律和布儒斯特定律。
(7)了解双折射现象及偏振光的干涉。
(六)近代物理
1.狭义相对论力学基础
2.量子物理基础
3.固体、激光、核物理与粒子物理简介
产生的基本原理激光的特性与应用
要求:狭义相对论和量子力学是近代物理学的两大理论支柱,狭义相对论建立在与牛顿力学完成不同的时空观基础上，量子力学是研究微观粒子运动规律的基础理论。通过近代物理的教学,一方面要使学生了解当原有理论无法解释新实验现象或实验规律的情况下,只有摆脱原有概念的束缚,才能从根本上提出新概念、建立新理论;另一方面要使学生了解任何科学理论都有一定的适用范围,检验其适用范围的唯一标准就是科学实践,从而自觉培养辩证唯物主义世界观。教学中还应介绍一些从经典物理理论发展到近代物理理论过程中的典型历史背景和某些杰出物理学家的科学活动,培养学生热爱科学、追求真理和为科学事业献身的精神。
(1)理解爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设,理解洛仑兹坐标变换。
(2)理解狭义相对论同时性的概念、长度收缩概念和时间膨胀概念,了解牛顿力学时空观和狭义相对论时空观以及二者的差异。
(3)理论狭义相对论中质量和速度的关系、质量和能量的关系、并能用以分析计算有关的简单问题。
了解总能量、动能和静止能量三者的关系,了解能量和动量的关系。
(4)了解普朗克的能量子假设,理解光电效应和康普顿效应的实验规律以及爱因斯坦的光子理论对这两个效应的解释,理解光的波粒二象性。
(5)理解氢原子光谱的实验规律,理解玻尔氢原子理论,了解玻尔氢原子理论的意义和局限性。
(6)了解德布罗意物质波假设和电子衍射实验,理解实物粒子的二象性,理解描述物质波动性物理量和粒子性物理量之间的关系。
(7)了解波函数及其统计解释,了解一维坐标动量不确定关系。
(8)了解能量量子化、角动量量子化及空间量子化,了解斯特恩——盖拉赫实验及微观粒子的自旋,了解描述原子中电子运动状态的四个量子数,了解泡利不相容原理和原子的电子壳层结构。
(9)了解一维定态薛定谔方程以及在一维无限深势井情况下薛定谔方程的解。
(10)了解固体能带的形成、并用能带观点区别导体、半导体和绝缘体,了解本征半导体、n 型半导体和p型半导体。
(11)了解激光的形成、特性及其主要应用。
(12)了解原子核的构造和性质,了解核力与结合能。了解基本粒子的组成和特性等。
几点说明
1.为了提高本课程的教学质量,保证必要的实践性教学环节,习题课、讨论课等教学环节一般不少于教学时数的10%。
2.在大学物理课程的教学过程中应充分利用现代教育技术和教学手段,应充分利用课堂演示实验,并组织学生利用课外时间参观集中陈列的电磁学和波动光学系列演示实验,应积极使用物理多媒体电子教案、CAI软件组织教学,使用录像片观看热学、波动及近代物理等部分有关内容。
3.星号“*”内容及部分近代物理内容为选讲内容,是否讲授由教师根据教学情况自定。
四、实践环节
电磁学系列展示实验2学时
波动光学系列展示实验2学时
五、学时分配表
大纲制定者：徐忠锋执笔
大纲审定者：李宏荣
大纲批准者：高宏
大纲校对者：田蓬勃