《大学物理》(A)教学大纲

《大学物理》(A)教学大纲

《大学物理》(A)教学大纲适用对象理工科内地本科生(学分：8学时：144)一、课程的性质和任务   物理学是研究物质结构和性质、运动形态及其相互作用基本规律的科学。物理学包括力学、热学、电磁学、光学及近代物理等五个部分，是近代科学技术的基础之一，是高等院校的一门重要必修基础课。本课程的教学任务1通过本课程的教学，使学生系统地掌握物理学的基本原理、基础知识以及各种运动形态的基本规律，为了学习后继课程提供必要的物理基础。2通过本课程和物理实验的配合，使学生在实验能力、运算能力、抽象思维能力等方面受到初步严格的训练，培养和提高他们分析问题与解决问题的能力。3通过教学实践，使学生能正确认识物理理论的建立和发展过程，逐步培养他们科学的思维方法和研究方法。二、课程的教学内容(一)绪论：本课程的目的和任务。物理学的研究对象和研究方法。物理学在高等院校各专业教学中的地位。物理学与近代科学技术的联系。(二)经典物理：1力学(1)质点运动学：参照系与坐标系。质点。位置矢量。位移、速度与加速度。运动方程。运动叠加原理。切向加速度与法向加速度。角位移、角速度、角加速度。角量与线量的关系。(2)质点动力学：牛顿运动定律。惯性、质量、力的概念。力学的单位制和量纲。惯性系。伽利略相对性原理。功、功率。动能定理。保守力与非保守力。势能、势能曲线。功能原理。机械能守恒定律。能量转化与守恒定律。动量与冲量，动量定理。碰撞。动量守恒定律。(3)\n刚体的转动：刚体的平动与转动。力矩、转动惯量、转动定律。力矩的功与转动动能。动量矩与冲量矩。动量矩守恒定律。2分子物理学和热力学(1)气体分子运动论：平衡态，理想气体状态方程。理想气体的压强和温度的统计意义。能量按自由度均分原理。理想气体的内能。麦克斯韦速度分布律。分子平均碰撞次数和平均自由程。气体内迁移现象与规律。(2)热力学的物理基础：系统的内能、功和热量。势力学第一定律及其对理想气体等值过程中的应用。气体的摩尔热容。绝热过程，多方过程。循环过程，卡诺循环。热机的效率。热力学第二定律的两种表述。可逆过程和不可逆过程。卡诺定理。热力学第二定律的统计意义。3电磁学(1)静电场：电荷，电荷量子化，电荷守恒定律。库仑定律。静电场。电场强度，电场强度叠加原理，电场强度的计算。电力线，电通量，真空中的高斯定理。电场力的功。电场强度环流。电势能，电势，电势差及其计算。等势面，电场强度与电势梯度的关系。导体的静电平衡。导体上的电荷分布。静电屏蔽。电介质的极化，电极化强度。电位移矢量。D、E、P三矢量之间的关系。介质中的高斯定理。电容器的电容。简单电容器的电容计算。电场能量，电场能量密度。(2)电流与电场：电流形成的条件。导体内稳恒电场的建立。电源的电动势。电流密度。欧姆定律的微分形式。焦耳一楞茨定律的微分形成。一段含源电路的欧姆定律。(3)\n电流与磁场：基本磁现象。磁场。磁感应强度。磁力线，磁通量。磁场中的高斯定理。毕奥—沙伐尔定律。安培环路定律。运动电荷的磁场。磁场对载流导线的用途力——安培定律。电流强度单位“安培”的定义。磁场对载流线圈的作用力矩。载流线圈的磁矩。磁力的功。洛仑兹力。带电粒子在磁场中的运动。霍耳效应。物质的磁化。磁介质。磁化强度。磁场强度矢量。B、H、M三矢量之间的关系。铁磁质，磁滞现象。电磁感应的基本定律。电磁感应现象和能量转换与守恒定律的关系。动生电动势。用电子理论解释动生电动势。磁场中转动线圈的电动势。感生电动势，涡旋电场。涡电流。自感与互感。磁场能量，磁场能量密度。(4)电磁理论的基本概念：位移电流。麦克斯韦电磁理论的基本概念。麦克斯韦方程组的积分形式。麦克斯韦方程的微分形式。4振动与波动(1)振动学基础：谐振动。谐振动动力学及运动学方程。频率、周期、振幅和位相。谐振动旋转矢量表示法。谐振动的能量。阻尼振动、受迫振动、共振。同方向谐振动的合成，拍。互相垂直的谐振动的合成。(2)波动学基础：机械波的产生与传播，简谐波。波速、波频与波长的关系。平面简谐波波动方程。波的能量，能流，能流密度。波的吸收。惠更斯原理。波的反射与折射。波的叠加原理。波的干涉。驻波。波的衍射与散射。5波动光学(1)法的干涉：光波。光矢量。光的单色性和相干性。相干光的获得。杨氏双缝干涉。光程。等厚干涉(劈尖、牛顿环)。等倾干涉。迈克耳孙干涉仪。时间相干性和空间的相干性。(2)光的衍射：光的衍射现象。惠更斯一菲涅耳原理。单缝衍射。光栅，光栅光谱。小圆孔衍射。光学仪器的分辨率。(3)光的偏振：自然光和偏振光。反射光和折射光的偏振。布懦斯特定律。单轴晶体中光的双折射。偏振片。马吕斯定律。偏振光的干涉。偏振面的旋转。(三)近代物理：1狭义相对论基础经典力学的时空观。狭义相对论基本原理。洛仑兹变换。狭义相对论的时空观(同时性、运动物体长度缩短，时间膨胀)。相对论力学的基本方程。质量和速度的关系。质量和能量的关系。2\n光的量子性光电效应，光的波粒二象性。三、课程的教学要求本课程是一门基础理论课，与其他基础课、技术基础课有密切的联系，因此在教学中与大学、中学有关课程既要避免不必要的重复，也要避免脱节。为此应注意：1根据本课程的目的和任务，正确处理好经典物理与近代物理的关系。经典物理是基础，应切实加强；但应避免过分强调经典物理部分，而把近代物理作为可有可无。若因学时不够，要精选与近代科技有密切联系的近代物理内容教学，使学生眼界放宽，思路活跃。2在理论讲授中，应精讲基本内容，注意教学方法，充分利用多媒体教学手段，阐明基本概念及基本规律，分清主次，突出重点，并应注意逐步培养学生自学能力及科学思维能力。3应切实保证大学物理科学系统性和基本内容的完整性，不宜过分强调结合专业。4注意与中学物理的衔接，尽量利用学生已掌握的物理知识，力求避免与中学物理的不必要的重复。随着中学物理教学水平的提高，应在系统归纳、综合阐述基本内容的基础上，进一步提高。5应充分利用高等数学表述物理规律和分析问题。高等数学的运用也要有一个循序渐进过程。例如，力学部分着重矢量代数、导数和微分及简单积分的运用；电学部分则着重线积分和面积分及矢量积分及矢量分析的运用，振动和波动着重微分方程的运用。6具体要求(1)〔力学〕力学是大学物理学中最基本而又十分重要的部分，它是物理学其他部分的基础，与其他学科有着密切联系。鉴于力学在中学物理中已有一定的基础，应特别注意和中学物理及后续课程之间的衔接和配合，避免不必要的重复。大学物理的力学部分应在中学基础上适当提高。初步运用微积分及矢量代数高等数学，巩固和加深力、动量、功、动能、势能等基本概念，牛顿运动定律及动量定理、功能原理、动量守恒和机械能守恒等基本定律。(2)〔气体分子运动论和热力学基础〕分子运动论和热力学是从不同的观点、用不同的方法来研究物质热运动的规律。分子运动论是微观理论，热力学是宏观理论。进行这部分教学时，要求学生初步领会微观理论和宏观理论各自的特点，以及两者之间相辅相成的关系。由于学生对微观理论中的统计平均概念，以及宏观理论中的逻辑推理方法还不熟悉、不习惯，因此在教学中应多加诱导，使学生逐步掌握这两种问题的处理方法。(3)〔电磁学〕电磁运动是物质一种基本运动形式。电磁运动的规律和理论在工程技术中有广泛应用，因此电磁学在大学物理占有很重要的地位。\n在教学中，电磁学部分应以场为主。重点介绍静电场和稳定磁场的基本概念和基本规律，以及随时间变化的磁场与电场间的互相关系。利用微积分矢量分析等来表达电场、磁场所遵循的规律并进行简单的运算。关于电流部分，主要用场的观点阐明稳恒电流中基本概念和基本规律。(4)〔振动、波动和波动光学〕振动和波动是一种普遍而又重要的运动形式。机械振动、机械波和电磁振荡、电磁波虽然机理不同但其运动规律和基本特征却是相同的。在自然界和工程技术中振动和波动是很普遍的。振动和波动的重点内容是谐振动的基本特征和规律，同方向同频率振动的合成，平面简谐波方程，波传播能量的概念和波的叠加原理，教学中应着重抓住这些重点，讲清与这些内容有关的物理概念和物理规律。在波动光学的教学中，应着重通过光的干涉、衍射和偏振现象认识光的波动性，以及干涉、衍射和偏振的基本定律和应用。(5)〔近代物理〕近代物理在科学技术的发展与应用日趋重要，现代高科技中不少课题是与近代物理有关的。因而在工科物理中它占有一定地位。但是近代物理部分涉及的内容很广泛，在课时日益减少的情况下，不可能在本课程有限时间内讲述详细，所以在内容选择上应有所侧重。在这部分中应以狭义相对论及量子理论为重点。量子理论中则以经典量子论为主。四、课程的重点和难点1力学(1)质点运动学：位置矢量、位移的矢量性。速度、加速度的瞬时性、矢量性。运动的相对性和独立性。曲线运动中的切向加速度与法向加速度。从已知运动方程求导得到速度和加速度。从已知的加速度通过积分求得运动方程。描述质点运动规律时直角坐标系与自然坐标系的建立。圆周运动的角量描述，角量与线量的关系。(2)质点动力学：牛顿运动定律。用牛顿运动定律解题的基本思路和方法。惯性系与伽利略相对性原理。力学量的国际单位制。变力做功的计算。保守力做功特征。势能，重力势能、弹性势能的计算式。功能原理，机械能守恒定律的条件及其应用。动能定理，动量定理的物理意义、表达式及其应用。(3)刚体的转动：力矩、转动惯量、角动量物理概念。刚体定轴转动的转动定律的物理意义及其应用。平动物体与转动物体所组成系统简单综合性问题的解题思路和方法。2气体分子运动论和热力学基础(4)\n气体分子运动论：平衡态。理想气体状态方程及其应用。压强与温度的微观意义。能量按自由度均分原理。平均平运动能与温度的关系。气体分子平均动量的计算。理想气体内能的计算及它与温度之间的关系。宏观量与微观量之间的关系。气体分子速率的统计分布规律。气体分子三种速率的统计意义，公式及其用途。气体分子平均碰撞次数及平均自由程的计算。气体内迁移的实验定律及其定性的微观解释。(5)热力学的物理基础：功、热量、内能的物理意义。做功与传递热量对系统内能改变的等效性。热力学第一定律的物理意义及它在理想气体等值过程中的应用。气体的摩尔热容公式及计算。理想气体等值过程的特点及过程方程。循环过程的定义。循环效率的计算。卡诺循环的特点及效率的计算。可逆过程与不可逆过程。卡诺定理的意义。热力学第二定律的两种表术及其物理意义及它在判定自然过程进行的方向性所发挥的作用。3电学(6)静电场：电场强度、电势、电势差、电力线、电位移、电通量等物理概念的意义。库仑定律、场强叠加原理、高斯定理的物理意义及其应用。场强与电势梯度的关系。运用高等数学工具计算较有规则的几何形态带电体附近空间的场强、电势。(7)静电场中的导体和电介质：导体静电平衡的条件与特征。静电场中电介质的极化现象及其微观解释。有导体和电介质存在的静电场中，场强及电势的计算。有电介质存在的静电场中，利用高斯定理求解场强的条件和方法。电容值的定义。导体及电容器电容的计算。电场的能量密度公式及电场能量的计算。(8)稳恒电流：维持稳恒电流的条件。电源电动势的概念。闭合回路及一段含源电路欧姆定律的意义，实质及其应用。欧姆定律微分形式的物理意义。焦耳一愣茨定律微分形式的物理意义。基尔霍夫定律的物理意义及其应用，用它解题时应注意之点。(9)电流的磁场：磁场的物质性。磁感应强度的定义。磁力线与磁通量的定义及磁通量的计算。毕奥—沙伐尔定律的应用。用安培环路定律求解磁感应强度的条件和方法。运动电荷的磁感应强度公式。(10)磁场对电流的作用：安培定律及其应用。磁矩的定义。磁矩的功。洛仑磁力的计算。带电粒子在均匀的电场和磁场中的运动规律。霍耳效应的产生及其应用。(11)\n电磁感应：动生电动势的产生、微观解释及其计算。感生电动势的产生、微观解释及其计算。涡旋电场的产生及其计算。自感与互感现象的产生原因及其应用。互感系数与自感系数的计算。互感电动势与自感电动势的计算。磁场能量密度公式。磁场能量的计算。(12)物质的磁性：磁介质概念。磁介质磁化现象的定性解释。磁场强度的定义。铁磁质磁化的特点及其应用。(13)电磁理论的基本概念、电磁振荡、电磁波：位移电流概念。变化电场引起变化磁场；变化磁场引起变化电场的规律。麦克斯韦方程组主积分形式的物理意义。4机械振动与机械波(14)机械振动：谐振动微分运动方程的建立。谐振动的基本特征。振幅、周期、频率、位相的物理概念。利用初始条件计算谐振动的初相和振幅。简谐振动方程的建立。谐振动的动能，势能及系统的能量特征、系统能量与振幅的关系。同方向同频率谐振动合成的计算。合振动大小与分振动位相差的关系。(15)机械波：振幅、周期、频率、波速等物理概念。平面简谐波动方程的建立及方程各物理量的意义。波的叠加原理，波的相干条件、波干涉现象及干涉加强和削弱的条件。波干涉加强与削弱的计算。波的能量特征。能流密度公式。波能量与振动能量的异同。驻波的形成条件及特征，它与行波的区别。5波动光学(16)光的干涉：光的相干性及相干光的获得方法。光程、光程差的概念。光干涉加强与削弱的条件。光干涉静态与动态分布特征及其光干涉强弱分布的计算。等倾及等厚干涉的计算及应用。(17)光的衍射：光的衍射现象。惠更斯—菲涅耳原理。半波带法，单缝夫琅和费衍射的特征及强弱分布的计算。光栅衍射光谱。光栅衍射主极大的计算方法。光学仪器的分辨率。(18)光的偏振：自然光与偏振光的概念。偏振光的产生与检验方法。马吕斯定律及布懦斯特定律的应用。光的双折射现象。偏振光干涉的应用。6近代物理(19)狭义相对论基础：爱因斯坦相对论的基本假设及相对论的时空观。洛仑兹的坐标变换及速度变换。同时性的相对性。时间的膨胀与长度缩短效应。质量与速度的关系。能量与质量的关系。(20)\n光的量子性：光电效应的实验定律。爱因斯坦的光子说。爱因斯坦方程。光电效应的应用。光的二象性。五、课程的学时分配   略六、教材和主要参考书教材：《物理学》马文蔚高等教育出版社参考书：《大学物理学》程守洙高等教育出版社