大学物理 课程教学大纲.docx

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大学物理课程教学大纲

大学物理课程教学大纲

一、 课程名称：

大学物理学universityphysics

二、 学时与学分：

180学时9学分

三、 适用专业：

电子信息专业、数学系、化学系、生物系等专业

四、课程教材：

程守诛、江之永主编《普通物理学》，高等教育出版社，2000

五、参考教材：

张三惠编《大学物理学》，清华大学出版社，2000

五、 开课单位：

数理学院

七、 课程的目的、性质和任务

1.物理学描述物质世界运动的最基本的概念、原理及应用前景。

物理学属基础科学，物理学是所有技术科学及工程科学的理论基础。

2.工科大学物理学向工科专业本科生介绍物理学的基本思想、理论框架及研究方法。

工科大学物理学服从高等工程教育的总体目标：

为培养高等工程技术人才服务。

3.工科大学物理学要为后续技术基础课及专业基础课奠定必要的物理基础。

物理教学的主要目的是要为学生进入社会准备一个合理的物理的知识能力结构，使之构成继续学习和开拓创新的良好起点。

4.物理教学为人才的综合素质培养服务，特别是培养学生的唯物主义思想和科学的方法论，以及在科学进步中不断探索的献生精神。

八、课程的主要内容

绪论

物理学的发展史

物理学在现代科学技术中的基础地位和重要意义

一力学（22学时）

1.质点运动学（3学时）

（1）质点运动的描述位置矢量运动方程位移速度加速度运动学量的微积分关系

（2）自然坐标描述路程速率切向加速度和法向加速度

（3）极坐标描述△园运动的角位置角速度角加速度角量和线量的关系

（4）相对运动△相对位置*相对位移*相对速度*相对加速度*

说明：

质点运动学的应用主要要求直线及平面运动。

2.质点动力学（8学时）

（1）牛顿运动定律运动微分方程惯性系非惯性系力学定律*

（2）机械能功质点动能定理保守力势能质点系功能原理及机械能守恒定律守恒的思想°

（3）动量冲量质点动量定理质点系动量定理及动量守恒定律质心*质心运动定理*

（4）角动量力矩冲量矩质点角动量定理质点系角动量定理及角动量守恒定律

说明：

质点动力学的应用主要要求直线及平面运动。

3.刚体定轴转动（5学时）

（1）刚体定轴转动刚体定轴转动的描述建模的思想°

（2）刚体角动量转动惯量刚体角动量转动定律角动量守恒定律对刚体的应用

（3）刚体机械能力矩的功转动动能转动的动能定理机械能守恒定律对刚体的应用

二、热学（14学时）

1.气体动理论（7学时）

（1）理想气体物态方程热力学系统*平衡态及准静态过程理想气体物态方程

（2）压强公式统计平均值理想气体模型理想气体压强公式和温度公式统计观点°

（3）气体内能能量按自由度均分原理理想气体内能

（4）分子的速率分布统计分布速率分布特征速率麦克斯韦速率分布*玻尔兹曼能量分布**

（5）分子碰撞气体分子平均碰撞频率分子平均自由程

（6）输运过程△内摩擦*扩散*热传导*

2.热力学（7学时）

（1）热力学第一定律内能、功和热热力学第一定律等值过程绝热过程

（2）循环循环过程热机致冷机卡诺循环

（3）热力学第二定律热力学第二定律的两种表述可逆与不可逆过程热力学过程的方向性热力学第二定律的统计意义熵熵增加原理信息熵

三电磁学（46学时）

1.静电学（14学时）

（1）电场库伦定律电场电场强度场模型°

（2）场强迭加原理场强迭加原理用迭加原理计算场强电矩迭加的方法°

（3）电场高斯定理矢量场*电场线电通量静电场高斯定理及其应用对称性°

（4）介质中的高斯定理电介质的极化*电位移矢量静电场的散度介质中的高斯定理及其应用

（5）压电效应△压电效应**逆压电效应**传感原理*

（6）电势静电力作功静电场环流定理静电场的旋度电势能电势电势迭加原理电势计算

（7）电势梯度标量场等势面电势的方向导数电势梯度

（8）电势的微分方程和边值条件静电场的唯一性定理导体静电屏蔽

（9）一定边值条件下的静电场的解

（10）电容电容器电容及其计算等效电容等效方法°

（11）电能电容器贮能电场能量电能密度

2.稳恒磁场（14学时）

（1）电流电流强度电流密度欧姆定律的微分形式电流的稳恒条件连续性方程*自由电荷漂移速度*

（2）磁场磁感应强度磁场线磁通量磁场高斯定理稳恒磁场的散度

（3）磁场迭加原理运动电荷的磁场毕奥-萨线尔定律磁场迭加原理及其应用磁矩电磁类比°

（4）安培环路定理磁场环流稳恒磁场的旋度安培环路定理及其应用

（5）介质中的安培环路定理磁介质*介质的磁化*磁场强度介质中的安培环路定律及其应用

（6）铁磁性△铁磁质特性*磁滞回线*铁磁材料**磁畴**磁致伸缩效应**

（7）洛伦兹力运动电荷在磁场中受力霍耳效应*

（8）安培力电流元在磁场中受力电流在磁场中受力计算

（9）磁力矩磁矩在磁场中受力矩的计算

3.电磁感应（8学时）

（1）电动势电源*非静电场*电动势

（2）电磁感应法拉第电磁感应定律及其应用

（3）动生电动势动生电动势的解释动生电动势的计算

（4）感生电动势感生电动势与有旋电场有旋电场的环流感生电动势的计算

（5）自感与互感自感自感电动势互感互感电动势

（6）磁能自感器贮能磁场能量磁能密度

4.电磁场（4学时）

（1）位移电流位移电流全电流全电流定律

（2）麦克斯韦方程组麦克斯韦方程的积分形式麦克斯韦方程的微分形式

（3）电磁场的边界关系

5．电磁波的传播理论（6学时）

（1）      电磁波的能量△电磁波的能量密度玻印亭矢量

（2）      平面电磁波

（3）      电磁波在介质界面的反射和折射

（4）      在导体存在时的电磁波

（5）      谐振腔与波导管

四波动学（32学时）

1.振动（6学时）

（1）简谐振动谐振方程谐振曲线旋转矢量两个同频谐振的相差谐振速度和加速度

（2）谐振动力学谐振微分方程谐振的动力学特征谐振的能量

（3）振动的合成同方向同频率谐振的合成同方向不同频率谐振的合成拍现象振动的分解*振动的谱**

（4）电磁振荡△LC电路振荡*力电类比°

2.波动（12学时）

（1）机械波机械波的产生及传播波的描述

（2）谐波方程简谐波的波动方程及其物理意义波的微分方程

（3）机械波的能量机械波的能量密度机械波的能流密度

（4）波的迭加波的迭加原理惠更斯-菲涅尔原理*波的分解*频谱分析**

（5）波的干涉相干条件波干涉的计算干涉强弱条件

（6）驻波驻波方程驻波特性半波损失稳定驻波条件*

（7）多普勒效应源的频率波的频率*接收频率*

（8）超声波△超声*声强级*超声的传播*超声的衰减*超声的物理作用**超声的应用**

3.波动光学（14学时）

（1）光的干涉光的相干性光程光的半波损失薄透镜的等光程性相干长度*

（2）双缝干涉双缝干涉劳埃德镜干涉

（3）薄膜干涉薄膜干涉等厚干涉劈尖牛顿环迈克尔逊干涉仪

（4）单缝衍射单缝夫琅和费衍射半波带

（5）光栅衍射光栅方程光栅衍射光强分布特点光栅光谱*缺级现象

（6）园孔衍射△园孔衍射*光学仪器分辨本领*

（7）X射线衍射劳厄实验*布拉格公式*假说°

（8）光学全息△光全息概念*全息记录和全息再现**全息的应用**

（9）偏振光自然光和偏振光偏振片马吕斯定律

（10）反、折射偏振反射和折射时光的偏振布儒斯特定律

（11）光的双折射双折射现象*双折射时光的偏振*惠更斯原理对双折射的解释*

五近代物理（42学时）

1.狭义相对论（8学时）

（1）经典力学相对性经典时空观*伽里略变换*伽里略相对性原理*

（2）狭义相对论爱因斯坦狭义相对性原理洛伦兹变换相对论速度变换

（3）相对论时空观长度收缩时间膨胀同时性的相对性光的多普勒效应*因果律°

（4）相对论质量和动量质速关系相对论动量相对论动力学方程相对论动量守恒定律

（5）相对论能量质能关系动能和静能相对论能量动量关系质能守恒定律

附录：

洛伦兹变换的证明

2.光量子理论（10学时）

（1）黑体辐射和量子假设热辐射基尔霍夫定律黑体辐射普朗克量子假设

（2）光电效应和光子理论光电效应光子理论光压光电效应微观模型爱因斯坦光电效应方程

（3）康普顿效应康普顿散射康普顿散射微观模型康普顿散射公式

（4）氢原子光谱与玻尔理论

3．量子力学初步（16）

（1）波粒二象性光的波粒二象性*德布罗意假设*物质波的波长戴维逊-革末实验类比方法°

（2）波函数物质波的波函数*波函数的统计意义波函数的标准化、归一化条件

（3）不确定性关系位置与动量不确定性关系能量与时间不确定性关系能级宽度与能级寿命

（4）薛定谔方程薛定谔方程**一维定态薛定谔方程*

（5）势阱自由电子气*势阱一维无限深势阱的量子力学求解能量量子化驻波模型*

（6）势垒和谐振子△势垒**隧道效应**扫瞄隧道显微镜**谐振子**振动能级**

（7）氢原子氢原子的量子力学求解思路**塞曼效应*斯特恩-盖拉赫实验*电子自旋*氢原子的四个量子数*氢原子能量、角动量及自旋角动量量子化*氢光谱的规律

（8）多电子原子原子的壳层结构*泡利不相容原理*能量最小原理*原子的电子组态*

（9）量子力学中的力学量力学量平均值微扰理论跃迁几率光的受激辐射

（10）原子核原子核的结构*核力*核的结合能*核的衰变规律*半衰期*平均寿命*核磁共振*穆斯堡尔效应*共振的概念°

4.固体物理（5学时）

（1）晶体晶格**晶格振动**光散射*声子**

（2）能带结构能带*导体、绝缘体和半导体

（3）半导体本征半导体*杂质半导体*PN结*

（4）半导体传感原理△光敏电阻**热敏电阻**压阻效应**磁阻效应**光生伏特效应**

（5）超导电性超导电性*迈斯纳效应*超导的物理图象*高温超导

5.激光物理（3学时）

（1）光放大条件光的辐射和吸收*光放大条件*抽运过程*

（2）激光的产生光的增益光学谐振腔激光的特点

（3）光纤光纤传输光的衰减光纤传感原理*光信号的调制*光电子学**

说明：

内容要求分为三级：

掌握、理解（有“*”号）和了解（有“**”号），并划出了学生自学内容（有“△”号），内容包括对研究方法的介绍（有“°”号可作参考）。

强调物理思想，对数学计算不作过高要求。

九．课程的教学基本要求

教学内容的基本要求分三级：

掌握、理解、了解

一力学

（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、加速度等描述质点运动和运动变化的物理量。

能藉助于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，熟练地计算质点作圆周运动时的角速度、角加速度、切向加速度和法向加速度。

（3）掌握牛顿三定律及其适用条件。

（4）掌握功的概念。

能熟练地计算直线运动情况下变力的功。

掌握保守力作功的特点及势能的概念，会计算势能。

（5）掌握质点的动能定理和动量定理，并能用它们分析、解决质点在平面内运动时的简单力学问题。

掌握机械能守恒定律、动量守恒定律以及它们的适用条件。

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。

掌握刚体绕定轴转动定律。

（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。

能应用动量矩守恒定律分析、计算有关问题。

（8）理解牛顿力学的相对性原理、理解伽利略坐标、速度变换。

能分析与平动有关的相对运动问题。

二气体分子运动论及热力学

（1）能从宏观和统计意义上理解压强、温度、内能等概念。

了解系统的宏观性质是微观运动的统计表现。

（2）了解气体分子热运动的图象。

理解理想气体的压强分式和温度公式以及它们的物理意义。

通过推导气体压强公式，了解从提出模型、进行统计平均、建立宏观量与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。

（3）了解破耳兹曼能量分布律。

了解麦克斯韦速率分布律及速度分布函数和速率分布曲线的物理意义。

了解气体分子热运动的算术平均速率、均方根速率的求法和意义。

（4）理解气体分子平均能量按自由度均分定律，并会应用该定理计算理想气体的定压热容、定容热容和内能。

（5）掌握功和热量的概念。

理解平衡过程。

掌握热力学第一定律。

能熟练地分析、计算理想气体各等值过程和绝热过程中的功、热量、内能改变量及卡诺循环的效率。

（6）理解可逆过程和不可逆过程。

理解热力学第二定律的两种叙述，了解这两种叙述的等价性。

（7）了解热力学第二定律的统计意义及无序性，了解熵的概念。

三电磁学

（1）掌握静电场的电场强度和电势的概念以及场的叠加原理。

掌握电势与场强的积分关系。

了解场强与电势的微分关系。

能计算一些简单问题中的场强和电势。

（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场强的条件和方法，并能熟练应用。

（3）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。

（4）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，并能熟练应用。

（5）理解安培定律和洛伦兹力公式。

理解电偶极矩和磁矩的概念。

能计算电偶极子在电场中、简单几何形状载流导体和载流平面线圈在磁场中所受的力和力矩。

能分析点电荷在均匀电磁场（包括纯电场、纯磁场）中受力和运动的简单情况。

（6）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。

了解介质中的高斯定理和安培环路定理。

（7）理解电动势的概念。

（8）掌握法拉第电磁感应定律。

理解动生电动势及感生电动势和概念和规律。

（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。

在一些简单的对称情况下，能计算电磁场里贮存的场能。

（11）了解涡旋电场、位移电流的概念，以及麦克斯韦方程组（积分形式）的物理意义。

四振动和波动

（1）掌握描述谐振动和简谐波动的各物理量（特别是相位）的物理意义及各量之间的相互关系。

（2）掌握旋转矢量法，并能用以分析有关问题。

（3）掌握谐振动的基本特征。

能建立弹簧振子或单摆谐振动的微分方程。

能根据给定的初始条件写出一维谐振动的运动方程，并理解其物理意义。

（4）理解两个同方向、同频率谐振动的合成规律，以及合振动振幅极大和极小的条件。

（5）理解机械波产生的条件。

掌握根据已知质点的谐振动方程建立平面简谐波的波动方程的方法，以及波动方程的物理意义。

理解波形图线。

了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。

掌握波的相干条件。

能应用相位差或波程差概念分析和确定相干波叠加后振幅加强和减弱的条件。

（7）理解驻波及其形成条件。

了解驻波和行波的区别。

（8）了解多普勒效应及其产生原因。

（9）了解电磁波的性质。

五波动光学

（1）理解获得相干光的方法。

掌握光程的概念以及光程差和相位差的关系。

能分析、确定杨氏以缝干涉条纹及薄膜等厚干涉条纹的位置，了解迈克耳逊干涉仪的工作原理。

（2）了解惠更斯-菲涅耳原理。

掌握分析单缝夫琅和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。

（3）理解光栅衍射公式。

会确定光栅衍射谱线的位置。

会分析光栅常数及波长对光栅衍射谱线分布的影响。

（4）理解自然光和线偏振光。

理解布儒斯特定律及马吕斯定律。

了解双折射现象。

理解偏振光的获得方法和检验方法。

六近代物理

（一）狭义相对论力学基础

（1）理解爱因斯埋狭义相对论的两个基本假设。

（2）理解洛伦兹坐标变换。

了解狭义相对论中同时性的相对性，以及长渡收缩和时间膨胀的概念。

了解牛顿力学中的时空观和狭义相对论中的时空观以及二者的差异。

（3）理解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。

（二）量子物理基础

（1）理解氢原子光谱的实验规律及玻尔的氢原子理论。

了解玻尔氢原子理论的意义和局限性。

（2）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。

（3）了解德布罗意的物质波假设及电子衍射实验。

理解实物粒子的波粒二象性。

（4）理解描述物质波动性的物理量（波长、频率）和粒子性的物理量（动量、能量）间的关系。

（5）了解波函数及其统计解释、测不准关系。

了解一维定态的薜定谔方程。

（6）了解如何用波动观点说明能量量子化。

了解角动量量子化及空间量子化。

了解斯忒恩-盖拉赫实验及微观粒子的自旋。

（7）了解描述原子中电子动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。

（三）固体、激光及其它

（1）了解固体能带的形成、并用能带观点区分导体、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。

（2）了解激光的形成、特性及其主要应用。

（3）自选内容（属于了解要求）。