物理学是研究物质的基本结构,相互作用和物质最基本、最普遍的运动形式(机械运动、热运动、电磁运动、微观粒子运动等)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。
以物理学基础为内容的大学物理课程,是高等学校理工科各专业学生一门重要的通识性必修基础课。该课程所教授的基本概念、基本理论和基本方法是构成学生科学素养的重要组成部分,是一个科学工作者和工程技术人员所必备的。
大学物理课程在为学生系统地打好必要的物理基础,培养学生树立科学的世界观,增强学生分析问题和解决问题的能力,培养学生的探索精神和创新意识等方面,具有其他课程不能替代的重要作用。
通过大学物理课程的教学,可使学生对物理学的基本概念、基本理论和基本方法有比较系统的认识和正确的理解,为进一步学习打下坚实的基础。在大学物理课程的各个教学环节中,教师在传授知识的同时,应注重学生分析问题和解决问题能力的培养,注重学生探索精神和创新意识的培养,努力实现学生知识、能力、素质的协调发展。
通过大学物理课程教学,应注意培养学生以下能力:
1. 独立获取知识的能力——逐步掌握科学的学习方法,阅读并理解相当于大学物理水平的物理类教材、参考书和科技文献,不断地扩展知识面,增强独立思考的能力,更新知识结构;能够写出条理清晰的读书笔记、小结或小论文。
2. 科学观察和思维的能力——运用物理学的基本理论和基本观点,通过观察、分析、综合、演绎、归纳、科学抽象、类比联想、实验等方法培养学生发现问题和提出问题的能力,并对所涉问题有一定深度的理解,判断研究结果的合理性。
3.分析问题和解决问题的能力——根据物理问题的特征、性质以及实际情况,抓住主要矛盾,进行合理的简化,建立相应的物理模型,并用物理语言和基本数学方法进行描述,运用所学的物理理论和研究方法进行分析、研究。
通过大学物理课程教学,应注重培养学生以下素质:
1. 求实精神——通过大学物理课程教学,培养学生追求真理的勇气、严谨求实的科学态度和刻苦钻研的作风。
2. 创新意识——通过学习物理学的研究方法、物理学的发展历史以及物理学家的成长经历等,引导学生树立科学的世界观,激发学生的求知热情、探索精神、创新欲望,以及敢于向旧观念挑战的精神。
3. 科学美感——引导学生认识物理学所具有的明快简洁、均衡对称、奇异相对、和谐统一等美学特征,培养学生的科学审美观,使学生学会用美学的观点欣赏和发掘科学的内在规律,逐步增强认识和掌握自然科学规律的自主能力。
课程考核包括平时表现和期末考试成绩两部分
第1章质点运动学
1.质点运动的描述、相对运动;
第2章牛顿运动定律
1.牛顿运动定律及其应用、变力作用下的质点动力学基本问题;
第3章动量与冲量
1.质点与质点系的动量定理和动量守恒定律;
第4章功与能
1.变力的功、动能定理、保守力的功、势能、机械能守恒定律;
2.对称性和守恒定律;
第5章 刚体运动学
1.刚体的平动、定轴转动;
第6章 刚体动力学
1.刚体定轴转动定律、转动惯量;
2.刚体转动中的功和能;
3.角动量定理、角动量守恒定律。
(二)基本要求
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。能用微积分处理一维变力作用下简单的质点动力学问题。
4.掌握功的概念。能熟练地计算直线运动情况下变力的功。理解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.掌握刚体绕定轴转动的运动学规律和转动定律。了解转动惯量的概念。
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。
第二篇电磁学
(一)教学内容
第8章 静电场
1.库仑定律、电场强度、电场强度叠加原理及其应用;
2.静电场的高斯定理;
3.电势、电势叠加原理;
4,电场强度和电势的关系、静电场的环路定理;
5.导体的静电平衡;
6.电介质的极化、有电介质存在时的电场;
第9章恒定磁场
1.磁感应强度:毕奥—萨伐尔定律、磁感应强度叠加原理;
2.磁场的高斯定理和安培环路定理;
3.安培定律;
4.洛伦兹力;
5.磁介质、有磁介质存在时的磁场;
第10章变化的磁场和变化的电场
1.恒定电流、电流密度和电动势;
2.法拉第电磁感应定律;
3.动生电动势和感生电动势;
4.自感和互感;
5.麦克斯韦电磁场理论。
(二)基本要求
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。理解用高斯定理计算场强的条件和方法。
3.掌握磁感应强度的概念,理解毕奥-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。理解用安培环路定理计算磁感应强度的条件和方法。
5.理解安培定律和洛伦兹力公式。了解电偶极矩和磁矩的概念。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.了解导体的静电平衡条件,了解介质的极化、磁化现象。
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.了解电容、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。了解麦克斯韦方程组的物理意义。
第三篇热学
教学内容
第11章 热力学基础
1.平衡态、态参量、热力学第零定律;
2.理想气体状态方程;
3.准静态过程、热量和内能;
4.热力学第一定律、典型的热力学过程;
5.多方过程;
6.循环过程、卡诺循环、热机效率、致冷系数;
7.热力学第二定律、熵和熵增加原理、玻尔兹曼熵关系式;
8.范德瓦耳斯方程;
第12章 气体动理论
1.统计规律、理想气体的压强和温度;
2.理想气体的内能、能量按自由度均分定理;
3.麦克斯韦速率分布律、三种统计速率;
4.玻耳兹曼分布;
5.气体分子的平均碰撞频率、平均自由程、输运现象。
(二)基本要求
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。
3.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。了解玻耳兹曼能量分布律。了解气体分子平均碰撞频率及平均自由程。了解气体的输运过程。
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。理解准静态过程。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、内能改变量以及卡诺循环的效率。
6.了解实际气体的性质。了解可逆过程和不可逆过程。了解热力学第二定律及其统计意义。了解熵的概念。
第四篇振动和波
教学内容
第7章 机械振动
1.简谐运动的基本特征和表述、振动的相位、旋转矢量法;
2.简谐运动的动力学方程;
3.简谐运动的能量;
4.一维简谐运动的合成、拍现象;
5.两个相互垂直的简谐运动合成;
第13章 简谐波
1.机械波的基本特征、平面简谐波波函数;
2.波的能量、能流密度;
3.惠更斯原理、波的衍射;
4.波的叠加、驻波、相位突变;
5.机械波的多普勒效应。
(二)基本要求
1.掌握描述简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.理解旋转矢量法,并能用以分析有关问题。
3.掌握谐振动的基本特征。能建立一维简谐振动的微分方程。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波函数的方法,以及波函数的物理意义。了解波的能量传播特征及能流、能流密度等概念。
6.了解惠更斯原理和波的叠加原理。理解波的相干条件。能应用相位差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。了解电磁波的性质。
第五篇光学
教学内容
第14章波动光学基础
1.光源、光的相干性;
2.光程、光程差的概念;
3.杨氏双缝干涉;
4.等厚干涉;
5.迈克耳孙干涉仪;
6.惠更斯-菲涅耳原理;
7.夫琅禾费单缝衍射;
8.光栅衍射;
9.晶体的X射线衍射;
10.光的偏振性、马吕斯定律;
11.布儒斯特定律。
(二)基本要求
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。理解分析单缝夫琅和费衍射暗纹分布规律的方法。
3.理解光栅衍射公式。会确定光栅衍射谱线的位置。了解晶体的X射线衍射。
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。理解偏振光的获得方法和检验方法。
第六篇近代物理
教学内容
第15章狭义相对论力学基础
1.狭义相对论的两个基本假设;
2.洛伦兹坐标变换;
3.狭义相对论的时空观;
4.相对论动力学基础;
5.能量和动量的关系;
第16章量子物理基础
1.黑体辐射、光电效应、康普顿散射;
2.戴维孙-革末实验、德布罗意的物质波假设;
3.玻尔的氢原子模型;
4.波函数及其概率解释、不确定关系;
5.薛定谔方程、氢原子的能量和角动量量子化;
6.电子自旋:施特恩-盖拉赫实验;
7.泡利原理、原子的壳层结构、元素周期表;
8.激光;
(二)基本要求
1.理解爱因斯埋狭义相对论的两个基本假设。
2.了解洛伦兹坐标变换。了解狭义相对论中同时性的相对性,以及长度收缩和时间膨胀的概念。了解牛顿经典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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.了解波函数及其统计解释、不确定关系。了解一维定态薛定谔方程。
9.了解能量量子化。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。
10.了解描述原子中电子运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。
11.了解激光的形成、特性及其主要应用。
熟练掌握矢量、微积分
1.东南大学等七所高校编,马文蔚改编,《物理学》(第五版),高等教育出版社(2008)。
2.唐南、王佳眉编,《大学物理学》,高等教育出版社(2006)。
3.程守洙、江之永主编,《普通物理学》(第五版),高等教育出版社(2006)。
4.张三慧编著,《大学基础物理学》,清华大学出版社(2006)。