北京理工大学

大学物理—近代物理

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课程概述

        物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用的自然科学,它具有完整的科学体系、独特有效的研究方法、丰富的知识,所有这些对于培养21世纪的科学研究工作者及工程技术人员都是必不可少的。因此以物理学基础为内容的大学物理课程是理、工、经、管、文等本科各非物理专业必修的一门基础课。大学物理课程根据高素质创新人才的培养目标,在保证对学生物理知识传授和基本技能培养、打好物理基础的同时,进一步强化对学生的科学思维方法、创新意识和综合应用能力的培养,为提高学生的科学素质发挥积极作用。在大学物理课的各个教学环节中,一方面可以培养学生独立解决问题的能力、理论联系实际的能力和创新能力;使他们了解物理学的发展历史、新进展及前沿物理中的新知识。另一方面可以提高学生树立正确的辩证唯物主义世界观和科学素质。本课程所讲授的近代物理学是大学物理的一部分。主要包括相对论和量子物理两部分内容,其中相对论部分着重介绍狭义相对论的基本原理、洛伦兹变换、相对论的时空效应以及动力学方面的内容,还简要介绍广义相对论的基本原理和时空观;量子物理部分着重介绍微观粒子的波粒二象性、薛定谔方程及其应用、固定物理基础等。给学生创新思维和探究精神的启迪。.

证书要求

完成课程学习并考核合格(>60分)的可获得合格证书,成绩优秀(>85分)的可获得优秀证书。

预备知识

高等数学

授课大纲

                          《大学物理-近代物理》教 学 大 纲

                                  (编写:北京理工大学大学物理教研室)

 

一、目的与任务

        量子力学和相对论统称为近代物理学,是20世纪物理学最伟大的发现,没有它们就不会有今天的计算机、激光、核能、纳米、宇宙探索等各种各样的高新技术。

        本课程在相对论部分着重阐明狭义相对论的基本原理及其在物理学中的重要意义。关于洛仑兹变换、时空观和时空几何的讨论,如同时性的相对性和动钟变慢和长度缩短及动力学方面的内容如相对论质量和动量、相对论能量的学习,都有助于大家加深对狭义相对论的理解。在量子物理部分我们将大至顺着人类对微观粒子本性认识的发展历史,通过黑体辐射规律、光电效应现象、康普顿效应、粒子的波动性等这些对经典物理而言是不可思议的怪事。着重引入普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻恩、海森伯等相继提出的量子物理中一些基本概念、规律和方法,使同学们从中体会和欣赏微观世界的和谐与优美。

 

二、教学内容

 

第一章 狭义相对论力学基础 

1.1 狭义相对论的基本原理

1.1.1 绝对时空观和伽利略变换

1.1.2 爱因斯坦相对性原理和光速不变原理 

1.2 洛伦兹变换

1.3 时间延缓和长度收缩

1.3.1 同时的相对性

1.3.2 时间延缓

1.3.3 长度收缩

1.3.4 因果律 

1.4 相对论速度变换

1.5 相对论动力学基础

1.5.1 相对论动量和质量

1.5.2 质能关系

1.5.3 相对论能量和动量的关系 

1.6 广义相对论简介

 

第二章 微观粒子的波粒二象性 

2.1 黑体辐射和能量子假设

2.1.1 黑体辐射

2.1.2 普朗克能量子假设 

2.2 光的粒子性

2.2.1 光电效应

2.2.2 爱因斯坦光子假说和光电效应方程

2.2.3 康普顿效应

2.2.4 光的波粒二象性

2.3 氢原子光谱

2.3.1 氢原子光谱的规律性

2.3.2 玻尔的氢原子理论 

2.4 粒子的波动性与波函数

2.4.1 德布罗意波

2.4.2 德布罗意波的实验验证

2.4.3 波函数的统计解释

2.4.4 自由粒子波函数 

2.5 不确定关系

 

第三章 薛定谔方程及其应用 

3.1 薛定谔方程

3.1.1 自由粒子薛定谔方程

3.1.2 薛定谔方程和哈密顿量

3.1.3 定态薛定谔方程

3.2 一维势场中的粒子

3.2.1 一维无限深方势阱中的粒子

3.2.2 势垒贯穿

3.2.3 简谐振子 

3.3 原子中的电子

3.3.1 氢原子

3.3.2 电子自旋和泡利不相容原理

3.3.3 四个量子数和原子的壳层结构 

3.4* 激光

3.4.1 激光的产生

3.4.2 激光的特性

3.4.3 激光的应用:激光冷却

 

第四章 固体物理基础 

4.1 金属中的自由电子

4.1.1 自由电子气模型

4.1.2 自由电子气的费米能量公式

4.1.3 态密度、费米-狄拉克分布 

4.2 固体能带理论

4.2.1 固体的能带

4.2.2 价带、导带和禁带

4.2.3 导体、绝缘体和半导体 

4.3 半导体

4.3.1 半导体分类

4.3.2 PN结

4.3.3 半导体器件

 

三、大纲说明

1.本大纲根据国家教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会于2008年颁布的《理工科类大学物理课程教学基本要求》,参照国际相应课程的教学内容编制而成。

2.本大纲面向工科学生和非物理专业的理科学生。

3.通过本课程的学习,应使学生初步具备以下能力:

1)根据物理学的理论、观点、方法,利用矢量代数、矢量分析和微积分等数学工具,分析研究计算一般难度的物理问题;

2)掌握基本物理模型,了解物理学中建立模型的意义;根据具体情况,进行简单、合理的模型设计;

3)独立阅读有关参考书,文献资料,并会写出笔记或读书心得。


参考资料

[1] 苟秉聪,胡海云主编. 《大学物理学》(下册) (第2版) [M]. 北京:国防工业出版社,2011.

[2] 张三慧主编. 大学物理学(第一、五册) (第2版) [M]. 北京:清华大学出版社,1999.

[3] 程守诛,江之永编. 普通物理学(上、下册)[M]. 北京:高等教育出版社,2006.

[4] 赵凯华,罗蔚茵. 新概念物理教程(力学、量子物理)[M]. 北京:高等教育出版社, 1995.

[5] 张三慧、李椿等译;D. Halliday,R. Resnick,J. Walker著. 《物理学基础(Fudamentals of Physics)》(第6版)[M]. 北京:机械工业出版社,2005. 

常见问题

1.狭义相对论建立了新的时空观,并在此基础上给出了高速运动物体的力学规律。但狭义相对论时空观与我们实际经验完全不同,而且我们目前还不能坐上接近光速运动的车。所以学习狭义相对论需要丰富的想象力才能超越一己的认识和朴素常识的局限性。

2.狭义相对论与经典力学的鲜明差别往往使同学们在学习中缩手缩脚、无所适从,例如多个有关联的事件在不同惯性系之间的时空坐标变换,以及相关的时间、长度的计算有时是非常繁杂的问题。根据我们的经验,明确被研究对象和观察者所处的坐标系,并且注意在同一个惯性系中“路程=速度´时间”这一生活经验仍然成立,能够帮助我们深入浅出地理解这类问题。

3.同学们初步接触量子化、二象性、概率波等概念,由于没有直接的生活经验,所以建议同学们理清基本线索和基本内容,掌握基本概念与原理。做到“知其然、知其所以然”;以把握物理实质为原则,避免钻牛角尖。如果发现自己在某个方面卡壳了,最好是去研究有关的物理实例。对一些重要的例子,应反复“品尝”其中的“滋味”,多多琢磨。切记对原理的领会与掌握应结合实例。似是而非、似非而是的地方要特别小心,切忌轻信妄断。不妨多问问自己“我真懂了没有?”。