精品课程  大学物理

西安建筑科技大学

“大学物理”课程教学大纲

英文名称：College Physics

课程编号：110301

课程类型：基础必修课

学    时：112                                    学 分：7

适应对象：工课各专业本科生

先修课程：高等数学

使用教材及参考书：吴百诗《大学物理》（新版），科学出版社；程守诛《普通物理》（第五版），高等教育出版社； 许启明《工程物理学》，武汉理工大学。   

一、本课程的性质与任务

物理学是研究物质世界中最普遍、最基本的运动形式及其规律的科学。它是许多自然科学和工程技术的基础。在高等工业学校中，普通物理学是一门重要的必修基础课。它的教学目的和任务是：

使学生对物理学的基本概念、基本原理和基本规律有比较全面而系统的认识，了解各种运动形式之间的联系，以及对物理学的近代发展及新成就有一般了解；

使学生在科学实验能力、运算能力和抽象思维能力方面受到初步而严格的训练；使学生熟悉物理学的基本思想方法，培养学生分析问题和解决问题的能力；

使学生正确理解物理概念和规律，正确认识物理基本理论的建立和发展过程，培养学生正确的思想方法和研究方法，发挥本课程在培养学生辨证唯物主义世界观方面所起的作用。

总的目的是为培养学生具有较高的科学素质，并为学生学习专业知识和近代科学技术打下必要的物理基础。

普通物理学是一门基础理论课，与许多基础课、技术基础课都有密切的联系，因此在教学中必需注意与大学、中学有关课程的联系和分工。既要避免不必要的重复，也要避免脱节。为此应注意：

1．应切实保证普通物理学的科学系统性和基本内容的完整性，不宜过分强调结合专业。

2．注意与中学物理的衔接，尽量利用学生已掌握的物理知识，力求避免与中学物理的不必要的重复。随着中学物理教学水平的提高，应在系统归纳、综合阐述基本内容的基础上，进一步提高。

3．应充分运用高等数学表述物理规律和分析问题。建议尽可能在高等数学上完一学期，即在第二及第三学期开设本课程。

在本课程中，对高等数学的运用，也要有一个渐进的过程。例如，力学部分着重矢量代数、导数和微积分及简单积分的运用；电学部分则着重线积分和面积分及矢量分析的运用，振动和波动部分着重微分方程的运用。

4．在处理与技术基础课（如理力、电工、热工等）配合和分工时，本课程应着重全面而系统地讲授基本知识、基本概念和基本规律，凡涉及技术基础课范围的内容，不宜放在本课程中讲授。

二、课程教学内容及要求

（一）  绪  论

在绪论讲授中，应对以下问题作初步的阐述：自然界是物质的，物质是永恒运动的；物理是研究物质世界中最普遍最基本的运动形式和规律；物理学是其他自然科学和工程技术的基础，它对发展现代科学技术有着重要的作用；物理学是高等工业学校各专业必修的重要基础理论课；用实践的观点、辨证唯物主义的观点来研究物理现象。

（二） 力  学

内容：力学是普通物理学中最基本而又十分重要的部分，它是物理学其他部分的基础，与其他学科有着密切的联系。鉴于力学在中学物理中已有一定的基础，后续课程如理论力学、材料力学等还要继续深入，因此，应特别注意和中学物理及后续课程之间的衔接和配合，避免不必要的重复。普通物理的力学部分应在中学基础上适当提高。初步运用微积分及矢量代数等高等数学，巩固和加深力、动量、功、动能、势能等基本概念，牛顿运动定律、动量定理、动能定理、功能原理、动量守恒和机械能守恒等基本定律。

基本要求：

1．   阐明位置矢量、位移的矢量性。突出速度、加速度的瞬时性，以及运动的相对性和独立性。讲清切向加速度和法向加速度。应使学生初步学会从已知的运动方程求导得到速度和加速度。如数学配合得当，也应使学生初步学会从已知的速度或加速度用积分得出运动方程。

2．   圆周运动的角量描述可在中学基础上进行总结，并通过与直线运动对比给出角量的运动方程。

3．   牛顿运动定律可作总结性的讲述，突出惯性、质量和力的概念。使学生掌握用牛顿运动定律解题的基本思路和方法，并学会建立和求解运动方程。介绍惯性系和伽利略相对性原理。介绍力学量的国际单位。

4．   功的计算要提高到变力作功的问题。讲清保守力作功的特征，从而引出势能的概念。推导出重力势能、弹性势能、引力势能的计算式。

5．讲清功能原理，使学生初步了解能量是状态的单值函数，而功是能量变化的一种量度，与状态变化的过程相联系。

6．讲清动能定理、动量定理，强调机械能守恒和动量守恒的条件。

7．*碰撞部分要求学生理解对心完全弹性碰撞、完全非弹性碰撞以及一般碰撞之间的区别，使学生能理解二维碰撞问题。（本部分内容可不讲）

8．部分主要讲授刚体的定轴转动。使学生掌握力矩、转动惯量、角动量等概念，以及转动定律、角动量守恒定律。

重点、难点：

矢量及微积分的应用；速度、加速度的瞬时性；机械能守恒和动量守恒的条件；转动惯量的概念；角动量极其守恒；转动定律的应用。

（三） 热  学

内容：气体动理论和热力学是从不同的角度、用不同的方法来研究物质热运动的规律。分子运动论是微观理论，热力学是宏观理论。进行这部分教学时，要求学生初步领会微观理论和宏观理论各自的特点，以及两者之间相辅相成的关系。

由于学生对微观理论中的统计平均概念，以及宏观理论中的逻辑推理方法还不熟悉、不习惯，因此在数学中应多加诱导，使学生逐步掌握这两种处理问题的方法。

基本要求：

1．   着重讲清压强和温度的微观意义。在推导压强公式和温度公式时，应着重说明统计平均值的概念，强调宏观量和微观量的联系。在推出温度公式后，可通过举例计算分子的方均根速率，给出数量级的概念。

2．   在微观方面，要使学生了解能量按自由度均分原则，从而导出理想气体的内能公式。在宏观方面，要使学生了解理想气体的内能只是温度的单值函数。提一下真实气体的内能是温度和体积的单值函数。总的讲，内能是状态的单值函数。

3．   要求学生能正确理解气体分子速率的统计分布规律。着重利用分布函数曲线来分析问题。并使学生知道气体分子三种速率的统计意义。

4．分子平均碰撞次数和平均自由程可只作简单的推导和讨论。

5．   着重讲清内能、功和热量三者的意义。指明作功和传递热量对系统内能的变化是等效的，但其本质是有区别的。内能是状态的函数，而作功和传递热量则与过程有关。

6．     从普遍的能量转换和守恒定律讲清热力学第一定律及其对理想气体各等值过程中的应用。计算循环过程的效率。

7．   讲热力学第二定律时，要突出说明并非所有不违背第一定律的过程都能实现，初步领会过程进行的不可逆性。要指出第二定律几种叙述的一致性，但可以不作证明。卡诺定理可只说明其意义及其应用。

重点、难点：

压强公式和温度公式的推导及物理量的统计意义；能量按自由度均分原则；理想气体的内能公式，强调内能只是温度的单值函数；气体分子速率的统计分布规律；几个速率的计算极其统计意义；内能、功和热量三者的意义；热力学第一定律及其对理想气体各等值过程中的应用；计算循环过程的效率；第二定律几种叙述的一致性。

（四） 电 磁 学

内容：电磁运动是物质的一种基本运动形式。电磁运动的规律和理论在工程技术中有广泛的应用，因此电磁学在普通物理学中占有很重要的地位。

电磁学部分应以场为主。重点介绍静电场和稳恒磁场的基本概念和基本规律，以及随时间而变的磁场与电场间的相互关系。利用微积分和矢量分析等来表达电场、磁场所遵循的规律并进行简单运算。关于电流部分，主要用场的观点阐明稳恒电流中的基本概念和基本规律。至于这些规律的应用，可在物理实验中进行教学。

基本要求：

1．静电场要着重讲清电场强度、电势差、电容等基本概念，以及库仑定律、场强迭加原理、高斯定理等基本规律，还应说明场强与电势梯度的关系。要求学生能运用高等数学计算简单几何形状带电体附近的场强、电势以及电容器的电容。

2．静电场中的导体、电介质的极化和物质的磁性部分，只要作定性的阐述，使学生初步了解介质的极化和磁化的微观机理及特性。电位移矢量和磁场强度可用较简单的方法引入。

3．在电流与磁场部分主要讨论电流形成磁场，磁场对电流有力的作用，以及电磁感应三个部分。磁感应强度可用通电线圈在磁场中受到的力矩或运动电荷在磁场中受到的力来定义。应着重讲清毕奥—萨伐定律、安培环路定理、安培定律和法拉第电磁感应定律，使学生能正确理解这些定律并能根据这些定律进行简单问题的运算。

4．通过自感和互感现象的介绍，使学生能正确理解自感和互感的概念，并能进行简单问题的计算。

5．电场、磁场的能量和场能密度，可分别从平板电容器和无限长直螺线管导出。

6．在讲述电磁场理论的基本概念时，要着重讲清位移电流的概念，指出变化磁场引起电场和变化电场引起磁场的两个基本概念，是电磁感应定律和安培环路定律相应的推广。通过电磁部分的总结，讲解麦克斯韦方程组的积分形式。

重点、难点：

    电场强度、电势差、电容等的定义及基本概念；场强迭加原理、高斯定理等基本定律极其应用；场强与电势梯度的关系；电通量的介绍；磁感应强度的定义；毕奥—萨伐定律、安培环路定理、安培定律和法拉第电磁感应定律极其应用；自感和互感现象；电场、磁场的能量和场能密度；位移电流的概念；麦克斯韦方程组的积分形式。

（五） 振动和波动

内容：振动和波动是一种普遍而又重要的运动形式。机械振动、机械波和电磁振荡、电磁波虽然机理不同但运动规律和基本特征却是相同的。在自然界和工程技术中振动和波动是很普遍的。

振动与波动部分的重点内容是：谐振动的基本特征和规律，同方向同频率振动的合成，平面简谐波方程，波传递能量的概念和波的迭加原理。

在波动光学部分着重通过光的干涉、衍射和偏振现象认识光的波动性，以及干涉、衍射和偏振的基本规律和应用。

基本要求：

1．谐振动的运动学方程可以从建立微分方程求解来导出。使学生牢固掌握谐振动的基本特征、描写谐振动的基本物理量，以及它们的物理意义。其中相位的概念是重点，也是难点，应使学生正确理解并掌握相位的概念。

2． 应着重讲清谐振动中的能量转换过程，了解振动能量与振幅的关系。

3． *关于阻尼振动、受迫振动和共振现象，可列出微分方程式，给出微分方程的解。应着重从能量观点分析，突出物理概念。（本节可不讲）

4． 在振动合成部分，重点在同方向同频率振动的合成，掌握合振幅的大小与分振动周相差的关系，为波的干涉打下必要的基础。*通过不同频率振动的合成，初步了解任何复杂的振动可以是几个或无数个不同频率谐振动的合成。*可适当介绍垂直振动的合成。

5． 讲清平面简谐波函数及其意义。要使学生了解波动中能量的传播和变化，导出能流密度公式，比较波的能量和振动能量之间的异同。

6． 驻波可用图解法来说明，不一定作数学推导。重要的是讲清驻波的概念，形成驻波的条件，以及它与行波的区别。

7． 机械振动和机械波也可以放在力学之后讲述。

8． 电磁振荡和电磁波可合并在一起讲述，也可分插在振动和波动中讲述.

9． 光的干涉中着重讲述光的相干性及相干光的获得方法和光程、光程差的概念。重点讲清等厚干涉.至于等倾干涉,可以从薄膜的光程差公式中指出,形象地说明圆条纹的形成.使学生初步了解科学技术上应用光的干涉现象的一些基本依据.

10．光的衍射部分主要用半波带法说明平行光通过狭缝时的衍射现象.在此基础上讲述光栅衍射和光栅光谱.

11．光的偏振部分,主要讲偏振光的产生和检验以及其基本规律.双折射只讲单轴晶体,不讲尼科耳棱镜,可介绍二色性和偏振片。

重点、难点：

谐振动的运动学方程的建立与导出；谐振动的相位；谐振动中的能量转换过程；旋转矢量法；同方向同频率振动的合成；合振幅的大小与分振动周相差的关系；平面简谐波函数及其意义；波动中能量的传播和变化；光的相干性及相干光的获得方法和光程、光程差的概念；等厚干涉；半波带法；光栅衍射；偏振光的产生和检验以及其基本规律。

（六） 近代物理

内容：近代物理在科学技术上的发展与应用日趋重要,现代尖端技术中不少课题是与近代物理有关的.因而在工科物理中它应占有一定的地位.但是近代物理部分涉及的内容很广泛,不可能在本课程的有限时间内阐述得很详细、很深入,所以在内容的选择上应有所侧重.在这部分中应以狭义相对论及量子理论为重点.量子理论中则以经典量子为主,适当介绍量子力学的基本概念.如需对此作深入讲授,可根据专业需要开设选修课.

基本要求:

1.    狭义相对论部分,重点掌握爱因斯坦两个基本假设和狭义相对论的时空观,了解质量和速度的关系,质量和能量的关系。这部分也可以放在力学之后讲授。

2.    *热辐射部分应突出几个基本概念,如绝对黑体辐射的能量分布、普朗克量子假说等。*光电效应部分主要通过光电效应的基本定律,和用经典理论解释这规律的困难,引出爱因斯坦的光子假说,讲述光的二象性.

3．通过原子结构部分的讲授，使学生了解原子核模型结构的实验基础。了解原子光谱实验规律性的研究是探索原子内部电子运动规律性的重要途径。着重讲述玻尔关于氢原子的理论。

4．在着重讲述实物粒子的二象性、德布罗意假说的基础上,简要提出量子力学中几个基本概念,如波函数的物理意义、薛定谔方程、测不准关系和以一维势阱及氢原子问题为例指出薛定谔方程的应用.并指出这理论弥补了经典量子论的缺陷。

重点、难点：

爱因斯坦两个基本假设和狭义相对论的时空观；质量和速度的关系；质量和能量的关系；光的二象性；原子光谱实验规律性；玻尔氢原子理论；实物粒子的二象性；德布罗意假说；波函数的物理意义、薛定谔方程、测不准关系。

（七）关于基本内容和带 * 号内容的处理

本大纲中不带 * 号的内容是属于基本内容。学生在学完本门课程后，应对这些基本内容掌握到一定的要求。有一部分内容虽属基本内容（如力学中某些章节、核物理等），如果学生在中学已有一定基础，可以只作总结归纳，或略讲，甚至不讲让学生自学。并非所有不带 * 号的内容都必需平均使用时间，详细讲述。

大纲中有一些带 * 号的项目也属于基本内容，但由于学时有限，为了确保最基本的部分，只得暂将这些项目列入带 * 号一类。如果时间允许，应将这些项目尽量安排讲授。

大纲中还有一些带 * 号的项目则属于加深加宽的内容，可供教师根据专业要求、学生基础和学时安排进行选择。这些带 * 号的项目要求加上后不显得繁琐，删去时也不影响整个物理课程的系统。

讲授带 * 号内容的时间，基本上不包括在规定学时内，如有关专业需要该部分内容时，应另计学时。

考虑到物理教学中内容多时间紧的矛盾比较突出，各校各专业可以根据具体情况，采取不同方式：例如，在可能范围内增加学时数；增设某些必修或选修的专题课（如近代物理、量子力学、统计物理、固体物理或近代物理实验等）；或在课程教学体系上作较大的变动，以达到大纲的要求。

（八）习  题

为了训练学生将理论应用到实践中去，从而深入巩固地 掌握基本概念和基本定律，提高学生分析问题和解决问题的能力，就必须做一定数量的习题。

在习题中，不但要有足够数量的计算题，也要有一定数量的概念题。在课外习题中，除一般必做习题外，也可增加若干较难的题目给优秀学生选做，以利因材施教。

关于是否用习题课这一教学环节，还是在讲课时多举例题，不作统一规定，可由各校自行安排。但不论采用什么教学方式，都要注意培养学生正确的解题方法和判断答案是否合理的能力。对学生解题习惯的严格训练，教师要作出榜样，以后严格要求，贯彻到底。

如果安排习题课，开始时可适当多安排一些，到后面可适当减少。

三、课程教学基本要求

根据本课程的目的和任务，须正确处理好经典与近代的关系。经典部分是基础，应切实加强；但应避免过分强调经典部分，而把近代部分作为可有可无。正确的处理应是精选经典部分，加深与现代科学技术有密切联系的内容，使学生眼界放宽，思路活跃，在以后的生产实践和科学研究中可继续提高。

在理论讲授中，应精讲基本内容，注意教学方法，充分利用演示实验、幻灯、电影、录象及多媒体的教学手段，阐明基本概念及基本规律，分清主次，突出重点，并注意逐步培养学生的自学能力及科学思维能力。

四、学时分配

注：理论教学中各部分的时间分配，不作硬性规定，可参考上表根据学生基础、专业要求和教师经验自行确定。