大学物理课程教学大纲.pdf
大学物理课程教学大纲 课程编号：B06111 适用专业：机械工程、电气电子、计算机、土木工程、汽车类各专业 学 时：120 学时其中理论 102 学时,习题 18 学时 一、课程的性质与任务 物理学是研究物质的基本结构、相互作用和物质最基本、最普遍的运动方式及其相互转化规律的学科;物理学的研究对象具有极大的普遍性;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,它是自然科学的许多领域和工程技术的基础;本课程所教授的基本概念、基本理论、基本方法和实验技能是构成学生科学素养的重要组成部分,是一个科技工作者所必备的物理基础;因此,大学物理课是高等工业学校各专业学生的一门重要的必修基础课;其教学目的与任务是：1通过该课程的学习,使学生树立正确的学习态度,对物理学的基本内容有较全面、较系统的认识,初步掌握学习科学的思想方法和研究问题的方法,培养独立获取知识的能力,对于开阔思路、激发探索和创新精神、增强适应能力、提高人文素质具有重要作用;2通过本课程的教学,使学生对课程中的基本概念、基本理论、基本方法能够有比较全面和系统的认识和正确的理解,并具有初步应用的能力;3培养学生实事求是的科学态度和辩证唯物主义的世界观,培养学生的爱国主义思想;了解各种理想物理模型并能根据物理概念、问题的性质和需要,能够抓住主要因素,略去次要因素,对所研究的对象进行合理的简化;4培养学生基本的科学素质,使之能够独立地阅读相当于大学物理水平的教材、参考书和文献资料;为学生进一步学习专业知识、掌握工程技术以及今后知识更新打下必要的物理学基础;5培养学生科学的思维方法和研究问题的方法,使其学会运用物理学的原理、观点和方法,研究、计算或估算一般难度的物理问题,并能根据单位、数量级和与已知典型结果,判断结果的合理性;6培养学生对所学知识的综合及运用能力,并打下在生命科学研究中或生产实践中运用物理学的原理、方法和手段解决问题的基础,增强学生毕业后对所从事工作的适应能力;二、课程教学基本内容 一力学部分 1质点运动学 1 质点、参照系、坐标系;2 描述质点运动的基本物理量：位置矢量、运动方程、位移、速度、加速度;3 直线和平面曲线运动：角速度、角加速度、切向加速度和法向加速度;4 相对运动：时间与空间、相对运动、相对速度;2质点动力学 1 牛顿运动定律：牛顿第一定律、牛顿第二定律、牛顿第三定律、惯性系、非惯性系、惯性力;2 力对时间的积累作用-冲量、动量；质点动量定理、质点系动量定理；动量守恒定律;3 力对空间的积累作用-功、功率；质点动能定理、质点系动能定理；保守力与势能；功能原理、机械能守恒定律、能量守恒定律、碰撞;3.刚体动力学 1 角位移、角速度、角加速度、角量与线量的关系;2 力矩、转动惯量、刚体定轴转动的转动定律;3 刚体定轴转动动能定理和功能原理 4 质点角动量、质点系角动量、刚体角动量、角动量定理、角动量守恒定律,刚体转动中的能量守恒 5 进动;二热学部分 1热力学基础 1 平衡态、准静态过程、理想气体状态方程、内能、功和热量 2 热力学第一定律,3 绝热过程、循环过程与卡诺循环 4 热力学第二定律,5 可逆及不可逆过程,2气体分子运动论 1 麦克斯韦气体分子速率分布律,玻尔兹曼分布率 2 理想气体的微观模型、理想气体的压强和温度的微观和统计意义;3 能量按自由度均分定理、理想气体的内能 4 气体分子的平均碰撞次数与平均自由程,5 熵和熵增加原理,热力学第二定律的统计意义;三电磁学部分 1静电场 1 基本电现象和库仑定律 2 电场、电场强度 3 电通量、静电场中高斯定理 4 静电力所做的功、电势能;5 电势、电势差、等势面;电场强度与电势梯度的关系;2静电场中的导体和电介质 1 静电场中的导体的静电平衡条件;2 电容和电容器;3 静电场中的电介质及其极化;4 极化强度矢量,束缚电荷面密度;5 电介质中高斯定理,电位移矢量;6 静电场的能量;3稳恒电流 1 电流强度和电流密度 2 稳恒电流和稳恒电场;3 欧姆定律的微分形式 4 电源和电源电动势;5 一段含元电路的欧姆定律,基尔霍夫定律;4稳恒磁场 1 磁场与磁感应强度 2 磁通量、稳恒磁场的高斯定理 3 毕奥-萨伐尔定律及其应用 4 稳恒磁场的安培环路定理及其应用;5 磁场对运动电荷的作用力-洛仑兹力,霍尔效应;6 磁场对载流导线的作用力-安培力,磁力的功;7 磁介质、磁化强度矢量;8 磁场强度、磁介质中高斯定理和安培环路定理及其应用;9 电磁质;5电磁感应 1 法拉第电磁感应定律和楞次定律;2 动生电动势和感生电动势;3 自感现象、自感系数、自感电动势;4 互感现象、互感系数、互感电动势;5 磁场能量和能量密度 6电磁场理论与电磁波基础 1 位移电流、全电流安培环路定律 2 麦克斯韦电磁场方程的积分形式;3 电磁振荡、电磁波产生和传播、电磁波谱;四振动和波 1振动 1 简谐振动的基本特征;2 简谐振动的动力学特征;3 简谐振动的合成;4 阻尼振动、受迫振动、共振、电磁振荡;2波动 1 机械波产生与传播 2 简谐波的波函数、波动方程和特征量;3 波的能量、能流密度 4 惠更斯原理;5 波的迭加原理、波的干涉、驻波;6 多普勒效应;7 电磁波;五波动光学 1光的干涉 1 扬氏双缝干涉 2 其它分波阵面的干涉;3 光程和光程差;4 薄膜干涉 5 劈尖和牛顿环;6 迈克耳孙干涉仪 2光的衍射 1 光的衍射、惠更斯菲涅耳原理 2 夫琅禾费单缝衍射 3 衍射光栅、光栅衍射光强分布、光栅光谱;4 光学仪器的分辩率、瑞利判据、最小分辩角;5X 射线的衍射;3光的偏振 1 光的偏振现象：自然光与偏振光、起偏与检偏、马吕定律;2 反射与折射的偏振、布儒斯特定律;3 光的双析射现象及其解释;4 椭圆偏振光与圆偏振光 5 偏振光的干涉 6 人工双折射 7 旋光现象 六近代物理基础 1狭义相对论基础 1 狭义相对论的基本原理：伽利略变换与经典相对性原理 2 爱因斯坦相对性原理与光速不变原理、洛仑兹变换;3 洛仑兹速度变换;4 狭义相对论的时空观：同时性的相对性、时间延缓、长度收缩;5 相对论的动力学基础：质速关系、相对论力学基本方程、质能关系、能量与动量关系;2物质的波粒二象性 1 光电效应与爱因斯坦光子理论;2 康普顿效应;3 物质的波粒二象性 3原子的量子理论基础 1 氢原子光谱与玻尔氢原子理论 2 德布罗意波假设与电子衍射实验;3 不确定性关系;4 波函数的统计解释 5 薛定谔方程;6 一维无限深方势阱问题的求解 7 激光;三、实践教学环节 实验 单独开设大学物理实验课 四、学时分配表 序号 课 程 主 要 内 容 学 时 讲授 实验 上机 1 第一章 质点运动学 6 2 第二章 质点动力学 8 3 第三章 刚体力学基础 8 4 第四章 狭义相对论 8 5 第五章 电荷与电场 14 6 第六章 电流与磁场 16 7 第七章 电磁场与麦克斯韦方程组 10 8 第八章 热力学基础 8 9 第九章 气体分子动力论 8 10 第十章 振动学基础 6 11 第十一章 波动学基础 8 12 第十二章 波动光学 10 13 第十三章 量子物理 10 合 计 120 五、课程教学基本要求 通过大学物理课的学习,应使学生对物理学所研究的各种运动形式以及它们之间的联系有比较全面和系统的认识,要求学生对课程中的基本概念、基本理论、基本方法能够有比较正确的理解,并具有初步应用的能力;在大学物理的各个教学环节中,要注意对学生进行严肃的科学态度,严格的科学作风和科学的思维方式的培养和训练；要重视对学生能力的培养,使学生在学习物理知识的同时,初步获得应用所学知识分析与解决问题的能力和独立获取知识的能力;要求学生在学习的过程中注意培养分析、综合、演绎、归纳、类比、联想、试探等科学研究方法,培养如何发现和提出问题、建立概念、利用已有的知识提出正确可行的解决方案,培养创新意识和创新能力,培养辩证唯物主义世界观;在大学物理课的各个教学环节中,都必须注意在传授知识的同时着重培养独立分析和解决问题的能力;六、课程设置说明 绪论：了解本课程的学习内容和学习方法,了解物理学的发展过程和特点;一力学部分 1质点运动学 1 理解理想模型：质点、参照系概念;2 掌握描述质点运动的物理量：时刻与时间、位置矢量、位移和路程、速度和速率,加速度等概念和特点,并学会计算方法;理解质点运动的瞬时性、矢量性和相对性;3 掌握描述质点运动的坐标系：直角坐标,自然坐标;掌握用自然坐标求切向加速度和法向加速度;4 掌握圆周运动角位置、角位移、角速度、角加速度,圆周运动角量与线量关系;5 理解相对运动与相对速度;2质点动力学 1 掌握牛顿运动定律的实质内容、适用条件及其意义;掌握运用微积分方法求解一维变力作用下质点的动力学问题;2 理解力学单位制和量纲;3 熟练掌握几种常见力的特点及分析方法：万有引力、弹性力、摩擦力;4 重点掌握运用牛顿定律和“隔离法”解题的方法思路;掌握一维变力作用下运用牛顿第二定律求解物体运动规律的基本方法;5 掌握功的概念及变力作功的变达式,能计算一维变力的功,变力的冲量的积分运算及几何意义;6 理解并掌握质点的动量定理、动能定理的内容及其应用;理解平面内运动质点的角动量和角动量守恒定律;理解保守力作功的特点及势能概念;计算重力、弹性力、万有引力的功及系统的势能；7 掌握质点的动量守恒、机械能守恒定律;8 理解伽利略相对性原理,伽利略变换;9 了解惯性系、非惯性系以及惯性力;10 掌握完全弹性碰撞和非完全弹性碰撞的基本概念、碰撞问题的实际应用;3刚体的定轴转动 1 理解描述转动的角量角位移、角速度和角加速度与线量的关系;2 理解力矩、力矩的功、转动惯量、刚体的角动量和转动动能等物理量,掌握其计算方法;3 理解刚体定轴转动定律,定轴转动的动能定理；定轴转动的角动量守恒定律,会分析处理包括质点和刚体、平动和转动的简单系统的力学问题;二热学部分 1气体分子运动论 1 2 理解理想气体的状态方程,理解理想气体的宏观定义、微观模型和统计假设;3 理解理想气体的压强公式和温度公式,以及宏观量压强和温度的微观本质;4 了解麦克斯韦速率分布律及速率分布函数和分布曲线的物理意义;了解气体分子热运动的三种速率；平均速率、方均根速率及最概然速率;了解气体分子的平均碰撞频率和平均自由程;5 理解平均碰撞频率和平均自由程概念；6 了解玻耳兹曼能量分布律；2热力学基础 1 掌握功、内能和热量等概念,理解准静态过程;2 掌握热力学第一定律,能根据热力学第一定律分析、计算理想气体等体、等压、等温和绝热过程中的功、热量和内能的改变量;3理解循环过程的特征及热机效率和致冷机的致冷系数;掌握卡诺循环以及卡诺热机的循环效率,了解卡诺致冷机的致冷系数;4 理解热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述,了解两种表述的等价性;5 了解热力学第二定律的统计意义,了解熵的概念和熵增加原理;三电磁学部分 1静电场 1 理解库仑定律和电学单位制,了解电场的规律;2掌握电场强度和电势的概念,电场的叠加原理和电势的叠加原理;掌握计算简单问题中电场强度和电势的方法；理解电偶极子和电偶极矩的概念,能计算电偶极子在均匀电场中所受的力和力矩;3 理解电通量概念,掌握表征静电场性质的两条基本定理：高斯定理和环路定理;理解用高斯定理计算电场强度的条件和方法;必须明确：两条定理各自反映了静电场的一个侧面,只有两者结合起来,才能全面地反映静电场的性质;4理解静电场力作功的特点及静电场的环路定理,掌握电势能和电势的概念及电场强度和电势的关系;由电荷的分布,根据电势叠加原理会计算空间电势的分布;5 掌握导体静电平衡条件和静电平衡时导体的电特性 2静电场中的导体和电介质 1 理解导体静电平衡的意义和条件,导体中的电场强度、电势和电荷的分布;2 能利用导体静电平衡的规律求解导体存在时的电场和电荷分布的问题;3 理解孤立导体的电容和电容器的电容;会计算平行板电容器、圆柱面电容器和球形电容器的电容和串、并联电容器的电容;4 了解电介质极化的微观解释和极化强度矢量的定义,了解各向同性电介质中电位移矢量和电场强度的关系和区别;理解电介质中的高斯定理和环路定理;并能利用高斯定理求解有电介质存在时具有一定对称性的电场的问题;5 了解电场能量和能量密度概念,能计算一些简单对称分布电场中储存的电能;3稳恒电流 1 理解稳恒电流的电流密度概念及其与电流强度的关系;2 理解稳恒电流及稳恒电场的意义和它们的基本性质;3 理解欧姆定律的微分形式、电源和电动势的概念;4 了解一段含元电路的欧姆定律,了解基尔霍夫定律;4稳恒磁场 1 掌握磁感应强度的概念,明确磁感应强度的矢量性和迭加性;掌握毕奥-萨伐尔定律,并能熟地运用该定律来计算几何形状比较规则的载流导线所产生的磁场;2 理解稳恒磁场的高斯定理和安培环路定理,理解用安培环路定理计算磁感应强度的条件和方法;3 掌握安培定律和洛仑兹力公式,并能做简单计算;理解平面载流回路的磁矩的概念;能计算载流导线在磁场中所受的安培力；能计算还将有面载流回路在均匀磁场中所受的磁力矩；能分析运动电荷在均匀电场和均匀磁场中所受的力和运动;4 了解磁介质的磁化机理及铁磁质的磁化规律和特性,了解各向同性磁介质中磁感应强度和磁场强度的关系和区别,了解磁介质中的安培环路定理和高斯定理;5电磁感应 1 掌握法拉第电磁感应定律,会计算回路中所产生的感应电动热;2 理解产生动生电动势的原因,能计算动生电动势并判断其方向;3 理解感生电场的意义,能计算简单情况下的感生电动势和感生电场并判定其方向;4 了解自感现象和互感现象及自感系数和互感系数;5 理解电流系统的磁场和磁场能量密度,会计算简单电流系统的磁场能量;6电磁场理论与电磁波基础 1 了解位移电流和位移电流密度的概念;2 了解麦克斯韦方程组的积分形式及各方程的物理意义;3 了解电磁波产生的条件及其性质;四振动和波 1振动 1掌握描述简谐振动的特征量及各量之间的关系,掌握简谐振动的运动学及动力学方程的基本特征,能建立一维简谐振动的微分方程;2 理解位相及位相差的意义;3 掌握谐振动的运动学方程;根据振动系统特征及初始条件,能确定振动方程中的三个特征量：振幅、初位相和圆频率;4 掌握用解析法、图形法及旋转矢量法解物体简谐振动运动状态的方法;5 理解谐振动的能量特征,了解阻尼振动、受迫振动和共振;6 理解同方向、同频率的谐振动的合成规律,了解拍现象和频率;7 了解两个同频率相互垂直简谐振动的合成规律,了解李萨如图形;2波动 1 理解机械波产生的条件,了解波动与振动的联系与区别,了解波动过程的几何表示;2 掌握平面简谐波的波动方程,能根据波线上某一点的振动方程,写出波动方程;3 理解波动的能量传播特征及波的能流和能流密度等概念;4 理解波的惠更斯原理,波的叠加原理,波的干涉现象和相干波条件,掌握波的干涉条件;5 理解驻波的形成条件,驻波的特征及驻波与行波的区别,了解半波损失;6 了解机械波的多普勒效应及其产生的原因;7 了解电磁波的性质;五波动光学 1光的干涉 1 理解光的相干性、相干条件及获得相干光的两种方法分波阵面法和分振幅法;2 掌握光程、光程差、半波损失及光的干涉条件,掌握光程的计算方法及干涉条纹的性质与光程差或位相差的关系 3 能分析、确定扬氏双缝干涉条纹及薄膜等厚条纹的位置;4 掌握杨氏双缝干涉和薄膜等厚干涉,了解薄膜的等倾干涉;5 了解迈克耳逊干涉仪的基本结构与工作原理;2光的衍射 1 理解惠更斯菲涅耳原理;掌握用半波带法分析单缝夫琅和费衍射条纹的产生及其暗纹位置的计算;理解单缝衍射公式,会分析、确定单缝衍射条纹的位置及缝宽和波长对衍射条纹分布的影响,能大致画出单缝衍射的光强分布曲线;2 理解光栅衍射条纹的特点及产生这些特点的原因,掌握用光栅方程确定光栅衍射谱线的位置的方法以及光栅常数和波长对其影响;3 了解光栅光谱的特点及其在科学技术和生产中的应用;4 了解光学仪器的分辩本领和 X 射线的衍射;3光的偏振 1 理解光的五种偏振状态,掌握三种光,即自然光,线偏振光,部分偏振光的特性及检验方法；2 掌握马吕斯定律 3 掌握布儒斯特定律 4 了解双折射现象的基本规律;5 了解线偏振的光获得方法及检验方法;6 了解偏振光的干涉与应用,知道人工双折射和旋光的意义;六近代物理基础 1狭义相对论基础 1 理解伽里略变换,伽里略相对性原理和经典时空观;2 了解爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设;3 理解爱因斯坦相对性原理和光速不变原理;4 了解狭义相对论中同时的相对性以及长度收缩和时间膨胀概念;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;5 了解洛仑兹坐标变换公式并能正确用以进行坐标换算;6 了解相对论速度变换公式;7 了解狭义相对论中质量和速度的关系、质量和能量的关系,了解能量动量关系式;2物质的波粒二象性 1 理解光电效应中入射光频率的影响；理解光子概念及其对光电效应的解释；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,了解光的波粒二象性;3 了解德布罗意的物质波假设及其正确性的实验证实;了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;3原子的量子理论基础 1 理解氢原子光谱的实验规律及玻尔的氢原子理论;2 了解定态态薛定谔方程及其波函数解一般应满足的条件;3 了解一维无限深势阱中粒子的波函数及其能级公式;4 了解能量量子化、角动量量子化及空间量子化的意义;5 了解施特恩格拉赫实验及微观粒子的自旋;6 了解描述原子中电子运动状态的四个量子数;7 了解泡利不相容原理和原子的电子壳层结构;8 了解激光的产生、工作原理及其特性;七、使用本大纲注意事项 1教学内容要求分为三级：掌握、理解、了解;“掌握”要求学生深刻理解,熟练掌握;“理解”要求学生理解和基本掌握;“了解”要求学生一般性的了解,能进行定性分析,知道所涉及的物理量和相关的公式;2可根据专业需要和学生程度加深和拓展内容,但不能任意删减内容;总学时数不能少于 120 学时;3本大纲中排列的教学内容的先后次序不代表教学过程中的先后次序,可结合使用的教材或专业特点进行调整;4本大纲中带号内容不属于教学最低基本要求内容;教师可以不讲授,也可根据专业特点适当选择讲授;,为了加强近代物理,可增加一些专题讲座,如超导、原子能、等离子体、未来的能源等;5先修课程：高等数学;本课程应在一年二期开设为宜;6习题与作业：每一部分内容完成一次大作业;7 本大纲根据“教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会”的非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求,参照其他高等工科院校的教学大纲制订;参考文献：1物理学第五版,东南大学等七院校编,马文蔚改编,高等教育出版社 2大学物理学,毛駿健 顾牡主编,高等教育出版社 3大学物理学第二版,张三慧主编,清华大学出版社 4大学物理学第二版,王少杰 毛駿健 顾牡主编,同济大学出版社 5大学物理学,朱峰主编,清华大学出版社,2004
