中国教育学会

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课程概述

     本课程属于中国教育学会组织建设的中国大学先修课课程体系,适合学有余力的高中生学习。

        物理学是人类历史上最悠久的自然科学。人类对物理现象的最早观察始于古巴比伦和古希腊。到公元15世纪末以前,物理学还只是分散和不成体系的研究。物理学真正成为科学始于16、17世纪,最先建立了牛顿力学,到19世纪末相继建立了热学、统计力学、光学以及电磁学,建成了经典物理学大厦。20世纪初,量子力学与相对论的建立使物理学发展为现代物理学。

  从物理学各学科的关系来看,力学是其它学科的基础,称为物理学的力学基础。从研究规律来看,力学所研究的机械运动规律应用广泛,无论是精密仪器,大型工程,还是火箭发射,人造卫星等方面都有力学的直接应用。从学习过程来看,学好力学是学好物理学的重要开端。

  本课程由力学理论、解决典型力学问题、时空结构等三部分内容组成。力学理论部分包含了物理学基本知识研究领域与课程体系分类、物理学发展简史、质点基本运动规律与导出规律。典型问题部分包括刚体、流体、振动、波动等内容。时空结构部分包含了狭义相对论简介、广义相对论简介和宇宙学与天体物理简介等内容。本课程中的时空结构部分的引入,其目的是使读者感受到牛顿力学的局限性,培养读者接受新事物的能力,避免僵化的学习。

本课程主讲教师为国家“985”、“211”重点大学吉林大学物理学院张汉壮教授。完成课程学习的学生可参加中国教育学会组织的线下考试。

  

证书要求

课程总评成绩60分以上为合格;80分上为优秀。

预备知识

基本微积分和基本矢量运算。

授课大纲



模块

教学目标

(没有*标注的为基本部分,有*标注的为提高部分,有**标注的为阅读部分。考试以基本部分为主,提高部分作为附加题,阅读部分不作为考试内容)

授课学时

习题学时

模块1

绪论

绪论

了解物理学的逻辑与历史

2

0

模块2

质点基本运动规律

第一章

质点运动学

1. 位置矢量、速度、加速度及其相互关系

1.1 质点、参考系、坐标系

1.2 位置矢量、位移、速度、加速度及其相互关系

2.位置矢量、速度、加速度相互关系的坐标表示

2.1 直角坐标系下的表示

* 2.2 平面极坐标系下的表示

2.3 本征坐标系下的表示

3.相对运动

3.1 速度和加速度在平动与静止参考系之间的变换

* 3.2 速度和加速度在匀角速转动与静止参考系间的变换

4

2

第二章

惯性系下质点动力学

1.牛顿三定律

1.1 牛顿第一定律

1.2 牛顿第二定律

1.3 牛顿第三定律

2.万有引力定律

2.1 开普勒三定律

2.2 万有引力定律的建立过程

3.自然界中的基本力及力学中常见的力

3.1 自然界中的基本力

3.2 力学中常见的力

**4. 量纲

**4.1基本量与导出量

**4.2 量纲

**4.3 量纲的意义

**4.4 时间、长度和质量的计量

3

2

第三章

非惯性系下质点动力学

1. 相对性原理

2. 非惯性系下质点动力学

2.1 加速平动非惯性系中的惯性力

*2.2 匀角速转动非惯性系中的惯性力

*3. 地球表面惯性力现象分析

**4. 惯性力的物理本质

**4.1 惯性质量与引力质量

**4.2 引力场

**4.3 等效原理

3

2

模块3

质点组运动定理与守恒定律

第四章

质点组动量定理与守恒定律

1.质点组的质心运动

1.1 质点组的质心与质心运动定律

1.2 质心的特点与求法

1.3 质心坐标系

2.质点组动量定理与守恒定律

2.1 质点的动量定理

2.2 质点组动量定理

2.3 质心动量定理

2.4 质点组动量守恒

2.5 质心系下质点组总动量

3.变质量系统

3.1 变质量系统动力学方程

3.2 变质量系统动力学方程应用举例

4

2

第五章

质点组功能原理与守恒定律

1. 质点组动能定理

1.1 质点动能定理

1.2 力的功、功率

1.3 质点组动能定理

2. 质点组动能定理中的内力功分析

2.1 一对内力功的特点

2.2 保守内力与非保守内力

2.3 质点组的势能

3. 质点组功能原理与守恒定律:

3.1 质点组功能原理

3.2 质点组机械能守恒定律

3.3 静系与质心系下质点组动能关系

*3.4 质心系下质点组的功能原理

**3.5 能量守恒定律

4. 碰撞

4.1 碰撞特点

4.2 一维碰撞过程与分类

4.3 碰撞定律

4.4 二维碰撞

6

2

第六章

质点组角动量定理与守恒定律

1. 质点角动量定理

1.1 质点的角动量定理

1.2 力的力矩

1.3 质点的角动量

1.4 质点角动量守恒

2. 质点组角动量定理与守恒定律:

2.1 质点组角动量定理

2.2 质点组角动量守恒定律

2.3 静系与质心系下质点组角动量关系

*2.4 质心系中质点组的角动量定理

3. 有心力场问题:

3.1 三种宇宙速度

3.2 有效势能与轨道特征

3.3 两体化单体问题

3

2

模块4

特殊质点组运动与质点组普遍运动形式

第七章

刚体

1. 刚体定轴转动运动学

1.1 描述刚体定轴转动的转动参量

1.2 转动参量的矢量性分析

1.3 转动参量与线量的关系

2. 刚体定轴转动动力学

2.1 刚体定轴转动的势能、动能、角动量、外力功

2.2 转动惯量

2.3 刚体定轴转动的转动定律

2.4 刚体定轴转动的角动量定理与角动量守恒定律

2.5 刚体定轴转动的动能定理

3. 刚体平面平行运动的处理方法

4. 以质心为基点处理刚体的平面平行运动

4.1 平面平行运动的动能及角动量的表达式

4.2 描述刚体的平动和转动的方程

4.3 刚体平面平行运动举例

*5. 刚体平面平行运动中的瞬时转轴

*5.1 刚体的瞬时转轴

*5.2刚体绕瞬时转轴的动能定理

*5.3刚体绕瞬时转轴的转动定律

6. 刚体的平衡

**7. 对称刚体的定点运动现象

**7.1 对称刚体的惯量主轴

**7.2 刚体不受外力矩作用时的运动现象

**7.3 刚体受外力矩作用时的进动现象

**7.4 刚体受外力矩作用时的章动现象

**7.5 刚体定点纯滚动时的进动现象

6

2

第八章

流体

1. 流体静力学

1.1 静流体内任意一点压强

1.2 静流体内不同点压强的关系

1.3 浮力定律(阿基米德原理)

1.4 帕斯卡定律

2. 理想流体的定常流动:

2.1 动流体的描述

2.2 动流体内任意一点的压强

2.3 连续性方程

2.4 伯努利方程

**2.5 流体的动量与角动量

3. 伯努利方程的应用

3.1 小孔流速测量

*3.2 管道中液体流速测量-汾丘里流量计

*3.3非管道中流体流速测量皮托管

3.4 虹吸现象

3.5 机翼的升力、马格纳斯效应

2

2

第九章

振动

1. 简谐振动

1.1 简谐振动的动力学方程及其解

1.2 简谐振动的运动学特征

1.3 简谐振动的几何描述

1.4 简谐振动的合成

2. 阻尼振动

2.1 阻尼振动的微分方程及其解

*2.2 弱阻尼振动的能量损失、品质因数

3. 受迫运动

3.1 受迫振动的微分方程及其解

3.2 受迫振动的共振现象

**3.3 受迫振动中的能量

4

2

第十章

波动

1. 机械波的定性描述

1.1 产生机械波的条件与波的特点

1.2 波的几何描述

1.3 波的分类

*2. 机械波的波动方程

*2.1 张紧弦线的波动方程

*2.2 固体的弹性波动方程

3. 机械波的运动学方程

3.1 机械波波动方程的解

3.2 波传播形式的分类

*3.3 波的相速度与**群速度

4. 简谐机械波的运动学方程

4.1 描述简谐波特征的物理量

4.2 相位传输法确定平面简谐波表达式

4.3 简谐波几种常见的表达式

5. 机械波的能量、传播以及反射与合成

5.1 行波的能量

5.2 波的衍射、惠更斯原理

5.3 波的叠加原理

5.4 波在界面的反射与透射

5.5 驻波

5.6 简正频率

6. 多普勒效应

*7. 声波与超波速运动简介

6

2

模块5

时空结构

第十一章

狭义相对论简介

1. 经典时空观与实验的矛盾

1.1 伽利略变换蕴含的经典时空观

1.2 经典时空观与实验的矛盾——麦克尔逊和莫雷实验

2. 狭义相对论的两条基本假设

3. 洛伦兹变换与速度和加速度变换

3.1洛伦兹变换

*3.2 相对论中的速度和**加速度变换

3.3 伽利略变换与洛伦兹变换的分析比较

4. 狭义相对论运动学的基本现象

4.1 同时的相对性

4.2时间延缓

4.3 长度收缩

4.4 时钟的同步

4.5 多普勒效应

*5. 狭义相对论动力学基本关系式

*5.1 相对论中的质量和动量

*5.2 相对论中的动能、质能关系

*5.3 相对论中的能量与动量的关系

*5.4 相对论中的力

*5.5 静质量为零的粒子

3

0

**第十二章

广义相对论简介

**1. 狭义相对论的两个遗留问题

**2. 广义相对论的理论基础

**2.1 等效原理

**2.2 广义协变性原理

**2.3 引力场方程

**3. 广义相对论预言现象与实验证实

**3.1 光线偏折与星体位置观测和引力透镜

**3.2 引力时间延缓与引力红移

**3.3 时空弯曲与水星轨道进动

**3.4 引力场中光速减慢与雷达回波延迟

**3.5 黑洞

**3.6 引力子与引力波

2

0


参考资料

[1] 张汉壮 王文全. 力学.第三版.北京:高等教育出版社,2015年

[2] 张汉壮 王文全. 力学习题解答.北京:高等教育出版社,2013年

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