大学物理课程

《大学物理》课程

教学大纲

课程代码： 2008099、2008100

课程名称：《大学物理》/University Physics

课程类型：公共基础课

学时学分：128学时/8学分

适用专业：全校理工类本科生（除地球物理学专业）

开课部门：基础课教学部

一、课程的地位、目的和任务

大学物理是高等学校理工科各专业学生的一门重要的必修基础课。

大学物理学课程的作用：第一方面是为学生较系统地打好必要的物理基础。物理学研究物质的基本结构、基本运动形式和物质的相互作用，是其他自然科学和工程技术的基础；因此，学生应通过学习物理学获得关于物质的基本结构、物质基本运动形式和物质的相互作用基本规律的知识，为学习其他课程打好基础。第二方面是使学生通过物理学的学习，初步学习科学的思想方法和研究方法，培养独立思考和分析问题、解决问题的能力，提高学习素质，激发求知和创新的精神。因此，学好本课程不仅对学生在校期间的学习有重要作用，而且对学生毕业后的工作和知识的更新也有较深远的影响。

本课程的教学目的为：

1. 使学生对物理学的基本概念、基本理论和基本方法有较系统的知识和正确的理解，为进一步学习打下坚实的基础；

2. 通过各教学环节培养学生的科学思维方法、严谨的科学工作作风，培养学生分析问题和解决问题的能力；

3. 培养和鼓励学生的探索精神和创新意识。

二、课程与相关课程的联系与分工

先修课程：《高等数学》

鉴于本课程对数学知识的需要，本课程适宜于大一第二学期和大二第一学期两学

期开设。

相关课程：《大学物理实验》

后续课程：各专业有关的专业基础课及专业课如理论力学、通信原理、电工原理、地震前兆测量、工程物探等

三、教学内容与基本要求

第一章质点运动学

1.教学内容

第一节质点运动的描述

（1）参考系、质点；

（2）位置矢量、运动方程、位移；

（3）速度、加速度；

第二节求解运动学问题举例

第三节圆周运动

（１）角位移、角速度；

（２）切向加速度和法向加速度、角加速度；

（３）匀速率和匀变速率圆周运动；

第四节相对运动

（1）时间与空间

（2）相对运动

2.重点难点

教学重点掌握位置矢量、位移、速度、加速度等物理量

教学难点运动学中各物理量的矢量性

3.基本要求

（1）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。能借助于直角坐标系计算质点在平面内运动时的速度、加速度。能借助于极坐标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。

（2）理解质点运动的瞬时性、矢量性和相对性。

（3）掌握运动学两类问题的求解方法。

运动学的第一类问题：由运动方程求质点的速度和加速度。

运动学的第二类问题：由质点的速度或加速度及初始条件，求运动方程。

第二章牛顿定律

1.教学内容

第一节牛顿定律

（１）牛顿第一定律

（２）牛顿第二定律

（３）牛顿第三定律

第二节物理量的单位和量纲

第三节几种常见的力

第四节牛顿定律的应用举例

（1）物体受力分析、隔离体方法

（2）应用举例

2.重点难点

教学重点掌握牛顿定律的应用

教学难点将微积分和矢量运算方法应用与力学；变力作用下牛顿定律的应用

3.基本要求

（1）掌握牛顿运动三定律及其适用范围。能求解一维变力情况下质点的动力学问题。

（2）理解力学单位制和量纲。

（3）熟练掌握用隔离体法分析物体的受力情况，能用微积分方法求解变力作用下的简单质点动力学问题．

（4）理解惯性系与非惯性系的概念。

第三章动量守恒定律和能量守恒定律

1.教学内容

第一节质点与质点系动量定理

（1）冲量质点的动量定理

（2）质点系的动量定理

第二节动量守恒定律

（1）动量守恒条件

（2）动量守恒举例

第三节动能定理

（1）变力做功的计算

（2）质点的动能定理

第四节保守力和非保守力势能

（1）万有引力、重力、弹性力作功的特点

（2）保守力和非保守力

（3）势能

第五节功能原理机械能守恒定律

（1）质点系的动能定理

（2）质点系的功能原理

（3）机械能守恒定律

第六节碰撞

（1）几种碰撞情况

（2）相关例题

第七节能量守恒定律

2.重点难点

教学重点掌握并灵活运用动量定理、动能定理及相应的守恒定律；变力的功；

教学难点三个运动定理及其守恒定律的应用；综合性力学问题的分析求解。

3.基本要求

（1）掌握动量、冲量概念，掌握动量定理和动量守恒定律。

（2）掌握功的概念, 能计算变力的功，理解保守力作功的特点及势能的概念，会计算万有引力、重力和弹性力的势能。

（3）掌握动能定理、功能原理和机械能守恒定律，掌握运用动量和能量守恒定律分析力学问题的思想和方法。

（4）了解完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞的特点，并能处理较简单的完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞的问题。

第四章刚体转动

1.教学内容

第一节刚体的定轴转动

（1）刚体转动的角速度与角加速度

（2）角量与线量的关系

第二节力矩转动定律转动惯量

（1）力矩

（2）转动定律

（3）转动惯量及其计算

第三节角动量角动量守恒定律

（1）质点的角动量定理和角动量守恒定律

（2）刚体定轴转动的角动量定理和角动量守恒定律

第四节力矩作功刚体绕定轴转动的动能定理

（1）力矩作功和功率

（2）转动动能

（3）刚体绕定轴转动的动能定理

2.重点难点

教学重点刚体定轴转动定律。

教学难点应用刚体定轴转动定律求解连接体问题。

3.基本要求

（1）掌握描写刚体定轴转动角速度和角加速度的物理意义，并掌握角量与线量的关系．（2）掌握力矩和转动惯量概念，掌握刚体绕定轴转动的转动定理．

（3）理解角动量概念，掌握角动量定律，并能处理一般质点在平面内运动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒问题

（4）理解刚体定轴转动的转动动能概念，能在有刚体绕定轴转动的问题中正确地应用机械能守恒定律

第五章机械振动

1.教学内容

第一节简谐运动简谐运动的振幅、周期、频率和相位

（１）简谐振动满足条件

（２）简谐振动的振幅、周期、频率和相位

（３）简谐振动常数的确定

第二节旋转矢量

（１）旋转矢量的引入

（２）利用旋转矢量计算举例

第三节简谐运动的能量

第四节一维简谐运动的合成拍现象

（１）两个同方向同频率的简谐运动的合成

（２）拍现象

2.重点难点

教学重点描述简谐运动和简谐波的各物理量，简谐振动方程的建立；旋转矢量法；同方向、同频率的简谐运动的合成；

教学难点谐振动方程的建立和特征量的确定。

3.基本要求

（1）掌握简谐振动的基本特征，根据受力分析能建立简谐振动的微分方程。

（2）掌握简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。

（3）掌握旋转矢量法。

（4）了解阻尼振动、受迫振动和共振。

（5）理解同方向、同频率的两个生产率振动的合成规律。

（6）了解拍现象和频率，了解两个同频率相互垂直简谐振动的合成。

第六章机械波

1.教学内容

第一节机械波的基本概念

（１）机械波的形式

（２）横波与纵波

（３）波长、波的周期与频率，物体弹性与波速

（４）波线、波面、波前

第二节平面简谐波的波函数

（1）平面简谐波的波函数

（2）波函数的物理含义

第三节波的能量声强级

（1）波动能量的传播

（2）声强级

第四节惠更斯原理波的干涉

（1）惠更斯原理

（2）波的干涉条件

第五节驻波

2.重点难点

教学重点波的传播规律，波动方程的物理意义；波的干涉现象和规律；

教学难点波动方程的建立，波的干涉规律。

3.基本要求

（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式。（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量密度能流和能流密度等概念。

（4）理解波的惠更斯原理，理解波的叠加原理，波的干涉现象，掌握波的干涉条件。（5）了解驻波的形成条件，驻波的特征及驻波与行波的区别。

第七章气体动理论

1.教学内容

第一节物态参量平衡态理想气体的状态方程

（1）气体的物态参量

（2）平衡态理想气体物态方程

（3）热力学第零定律

第二节物质的微观模型统计规律性

（1）分子的线度和分子力

（2）分子热运动的无序性及统计规律性

第三节理想气体的压强公式

（1）理想气体模型

（2）理想气体压强公式

第四节理想气体分子的平均平动动能与温度的关系

第五节能量均分定理理想气体内能

（1）自由度

（2）能量按自由度均分定理

（3）理想气体的内能

第六节麦克斯韦气体分子速率分布率

（1）测定气体分子速率分布的实验

（2）麦克斯韦气体分子速率分布定律

（3）三种统计平均速度

第七节分子平均碰撞次数和平均自由程

2.重点难点

教学重点理想气体的压强和温度的微观本质；能量均分定理；理想气体的内能；

教学难点微观统计平均值与宏观参量的联系。

3.基本要求

（1）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。

（2）掌握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。

（3）掌握能量按自由度均分定理及内能的概念，并能应用该定量计算理想气体的定压热容、定体热容和内能。

（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。理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。理解气体分子的平均碰撞频率和平均自由程。

第八章热力学基础

1.教学内容

第一节准静态过程功热量

（1）准静态过程

（2）气体对外作功

（3）热量

第二节内能热力学第一定律

（1）内能

（2）热力学第一定律

第三节理想气体的等体过程和等压过程

（1）等体过程摩尔等体热容

（2）等压过程摩尔等压热容

第四节理想气体的等温过程和绝热过程

（1）等温过程

（2）绝热过程

（3）绝热线和等温线

第五节循环过程卡诺循环

（1）循环过程特点

（2）热机和致冷机效率

（3）卡诺循环

第六节热力学第二定律卡诺定理

（1）热力学第二定律的两种表述

（2）可逆过程和不可逆过程

（3）卡诺定理

（4）能量品质

2.重点难点

教学重点热力学第一定律及其在理想气体各等值过程和绝热过程中的应用；

教学难点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。

3.基本要求

（1）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。

（2）理解循环过程的特征及热机效率和致冷机的致冷系数。理解卡诺循环以及卡诺热机的效率和卡诺致冷机的致冷系数。

（3）理解热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述。

（4）了解可逆过程和不可逆过程，了解卡诺定理和能量品质。

第九章静电场

1.教学内容

第一节电荷的量子化电荷守恒定律

（1）电荷的量子化

（2）电荷守恒定律

第二节库仑定律

第三节电场强度

（1）静电场的描述电场强度

（2）点电荷的电场强度

（3）电场强度的叠加原理

（4）电偶极子的电场强度

第四节电场强度通量高斯定理

（1）电场线电通量

（2）高斯定理

（3）用高斯定理求电场强度

第五节静电场的环路定理电势能

（1）静电场力作功

（2）静电场的环路定理

（3）电势能

第六节电势

（1）电势

（2）点电荷电场的电势

（3）电势的叠加原理

（4）电势的计算

第七节电场强度与电势梯度

（1）等势面

（2）电场强度与电势梯度

2.重点难点

教学重点电场强度和电势的概念；应用叠加原理、高斯定理计算带电体的场强；利用电势的定义和叠加原理计算带电体的电势；

教学难点叠加原理和高斯定理的理解及其应用。

3.基本要求

（1）理解库仑定律和电学单位制。

（2）掌握电场强度的概念和电场的叠加原理。根据电荷的分布能计算电场强度的分布，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的力矩。

（3）掌握静电场的高斯定理。掌握用高斯定理计算电场强度的条件和方法。

（4）掌握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）理解电场强度与电势梯度的关系

第十章静电场中的导体和电介质

1.教学内容

第一节静电场中的导体

（1）静电平衡条件

（2）静电平衡时的导体性质

（3）静电屏蔽

第二节静电场中的电介质

（1）电介质对电场的影响

（2）电介质的极化极化强度

第三节电位移有电介质时的高斯定理

（1）有电介质时高斯定理的推导

（2）例题解析

第四节电容

（1）导体的电容电容器

（2）电容器的串联和并联

第五节静电场的能量和能量密度

（1）静电场能量计算

（2）能量密度

2.重点难点

教学重点导体和电介质处于静电场中所显示的各种特性，并利用这些特性对导体的电荷分布、电势及电介质中的场强等物理量进行计算；

教学难点导体处于静电场中电荷分布和电势的计算，电介质高斯定理的应用。

3.基本要求

（1）掌握静电平衡的条件，掌握导体处于静电平衡时的电荷、电势、电场分布。

（2）了解电介质的极化机理，掌握电位移矢量和电场强度的关系.掌握电介质中的高斯定理，

并会用它来计算电介质中对称电场的电场强度。

（3）掌握电容器的电容，能计算常见电容器的电容。

（4）理解电场能量密度的概念，掌握电场能量的计算。

第十一章恒定磁场1.教学内容

第一节恒定电流

（1）电流电流密度

（2）电流的连续性方程恒定电流条件

第二节电源电动势

第三节磁场磁场能量

第四节毕奥-萨伐尔定律

（1）电流元毕奥-萨伐尔定律

（2）毕奥-萨伐尔定律的应用

（3）磁矩

（4）运动电荷的磁场

第五节磁通量磁场的高斯定理

（1）磁感应线磁通量

（2）磁场的高斯定理

第六节安培环路定理

（1）安培环路定理

（2）用安培环路定理求磁感应强度

第七节带电粒子在磁场中的运动

（1）带电粒子在磁场中所受的力

（2）带电粒子在磁场中的运动

（3）带电粒子在电场与磁场中的运动应用举例第八节载流导线在磁场中所受的力

（1）安培力国际单位制

（2）载流线圈受外磁场的磁力矩

第九节磁场中的磁介质

（1）磁介质磁化强度

（2）磁介质中的安培环路定理磁场强度

（3）铁介质

2.重点难点

教学重点磁感应强度的计算以及对稳恒磁场的基本规律的理解；毕奥—萨伐尔定律的应用；

教学难点毕奥—萨伐尔定律的应用，安培环路定理应用。

3.基本要求

（1）理解恒定电流产生的条件，理解电流密度和电动势的概念。

（2）掌握描述磁场的物理量——磁感强度的概念，理解它是矢量点函数。

（3）理解毕奥－萨伐尔定律，能利用它计算一些简单问题中的磁感强度。

（4）掌握稳恒磁场的高斯定理和安培环路定理.掌握用安培环路定理计算磁感强度的条件和方法。

（5）理解洛伦兹力和安培力的公式，能分析电荷在均匀电场和磁场中的受力和运动.了解磁矩的概念。

（6）了解磁介质的磁化现象及其微观解释。了解磁场强度的概念以及在各向同性介质中H 和B的关系，理解磁介质中的安培环路定理。了解铁磁质的特性。

第十二章电磁感应电磁场和电磁波

1.教学内容

第一节电磁感应定律

（1）电磁感应定律

（2）楞次定律

第二节动生电动势和感生电动势

（1）动生电动势

（2）感生电动势

（3）电子感应加速器涡电流

第三节自感和互感

（1）自感电动势自感系数

（2）互感电动势互感系数

第四节磁场能量磁场能量密度

（1）磁场能量的计算

（2）磁场能量密度定义及计算

第五节电磁振荡电磁波

（1）电磁波的产生和传播

（2）平面电磁波的特性

（3）电磁波的能量能流密度（坡印廷矢量）

（4）电磁波谱

2.重点难点

教学重点法拉第电磁感应定律与楞次定律的物理意义及其应用；

教学难点计算几何形状简单的导体的自感和互感。

3.基本要求

（1）掌握并能熟练应用法拉第电磁感应定律和楞次定律来计算感应电动势，并判明其方向.

（2）掌握动生电动势和感生电动势的本质.理解有旋电场的概念.

（3）理解自感和互感的现象,会计算几何形状简单的导体的自感和互感.

（4）理解磁场具有能量和磁能密度的概念, 会计算均匀磁场和对称磁场的能量

（5）了解电磁波的产生及其性质

第十四章波动光学

1.教学内容

第一节相干光

（1）光的相干性

（2）相干光的获取

第二节杨氏双缝干涉劳埃德镜

（1）杨氏双缝干涉

（2）缝宽的影响空间相干性

（3）光程、劳埃德镜和半波损失问题

第三节薄膜干涉

（1）透镜的作用

（2）薄膜干涉条件

（3）劈尖、牛顿环

第四节迈克尔逊干涉仪

（1）迈克尔逊干涉仪

（2）等倾干涉

第五节光的衍射

（1）光的衍射现象

（2）惠更斯-菲涅尔原理

（3）菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射

第六节单缝衍射

第七节圆孔衍射光学仪器的分辨本领

（1）圆孔衍射

（2）光学仪器的分辨本领的计算

第八节衍射光栅

（1）光栅

（2）光栅衍射条纹的形成

（3）衍射光谱

第九节光的偏振性马吕斯定律

（1）自然光偏振光

（2）吸收产生偏光偏振片起偏与检偏

（3）马吕斯定律

第十节反射光和折射光的偏振

2.重点难点

教学重点杨氏双缝干涉、薄膜等厚干涉的有关原理和应用；单缝衍射、光栅衍射的基本原理和应用；马吕斯定律；

教学难点干涉条纹的规律及位置的计算；光栅衍射的成因及特点。

3.基本要求

（1）理解光的相干性、相干无条件及获得相干光的方法，掌握光程、光程差、半波损失及光的干涉条件。

（2）理解杨氏双缝干涉，能确定干涉条纹在屏上的位置，理解等厚薄膜干涉、等倾干涉以及增透膜和增反膜。

（3）掌握劈尖干涉，能确定的间距，相邻明（或暗）纹对应的膜的原度差等，理解牛顿环、了解迈克耳逊干涉仪的工作原理。

（4）理解惠更斯—菲涅耳原理及处理单缝的夫琅和费衍射的半波带法。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，了解光学仪器的分辩本

领。

（5）掌握光栅衍射方程，会确定光衍射各级明纹的位置，理解光栅衍射的缺级现象。

（6）掌握自然光、偏振光和部分偏振光。掌握布儒斯特定律和马吕斯定律，理解线偏振光的获得方法和检验方法。

第十五章狭义相对论

1.教学内容

第一节伽利略变换式牛顿的绝对时空观

（1）伽利略变换式经典力学的相对性原理

（2）经典力学的绝对时空观

（3）光速依赖于惯性参考系的选取吗

第二节狭义相对论的时空观洛仑兹变换

（1）狭义相对论的基本原理

（2）同时的相对性和时间延缓

（3）长度收缩和时间延缓的实验证明

（4）洛仑兹变换洛仑兹速度变换

第三节相对论性动量和能量

（1）动量与速度的关系

（2）狭义相对论力学的基本方程

（3）质量与能量的关系及其应用

（4）能量与动量的关系

2.重点难点

教学重点狭义相对论时空观；

教学难点狭义相对论中质量、动量与速度的关系，以及质量与能量间的关系。

3.基本要求

（1）理解伽里略变换，伽里略相对性原理和经典时空观。

（2）理解爱因斯坦狭义相对论的两个基础假设，理解洛仑兹坐标变换，了解洛仑兹速度变换。

（3）理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概念。理解牛顿力学中的进空观和狭义相对论中时空观以及二者的差异。

（4）理解相对论动力学的几个重要结论：动力学基本方程、质量和速度的关系、能量和质

量的关系以及能量和动量的关系。

第十六章量子物理

1.教学内容

第一节黑体辐射普朗克的能量子假设

（1）黑体辐射

（2）对黑体辐射实验结果的解释经典物理的困难

（3）普朗克假设普朗克的黑体辐射公式

第二节光电效应光的波粒二重性

（1）光电效应的实验规律

（2）光子爱因斯坦方程

（3）光的波粒二象性

第三节康普顿效应

第四节氢原子的玻尔理论

（1）氢原子光谱的规律

（2）氢原子的玻尔理论及其困难

第五节德布罗意波实物粒子的波粒二象性

（1）德布罗意假设

（2）德布罗意波的实验证明

（3）德布罗意波的统计解释

第六节不确定关系

第七节量子力学简介

（1）波函数概率密度

（2）薛定谔方程

（3）一维势阱

（4）一维势垒隧道效应

2.重点难点

教学重点普朗克能量量子化假设；德布罗意的物质波假设；实物粒子的波粒二象性；测不准关系；

教学难点对光电效应和康普顿效应实验规律的解释；测不准关系。

3.基本要求

（1）了解热辐射的两条实验定律：斯特藩 - 玻耳兹曼定律和维恩位移定律，以及经典物理理论在说明热辐射的能量按频率分布曲线时所遇到的困难. 理解普朗克量子假设.

（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。

（3）理解氢原子光谱的实验规律及波尔的氢原子理论。

（4）理解光的波粒二象性和实物粒子的波粒二象性。了解德布罗意物质波假设及其正确性的实验证实。

（5）了解一维坐标动量不确定关系

（6）了解波函数及其统计解释 . 了解一维定态的薛定谔方程，以及量子力学中用薛定谔方程处理一维无限深势阱等微观物理问题的方法 .

四、课程学时分配（以章节为单位）

1.推荐教材：《物理学教程》，作者：马文蔚，出版社：高等教育出版社，出版年月：2006年11月版次；第二版

2.教学参考书：《物理学教程习题与解答》，作者：马文蔚，出版社：高等教育出版社，出版年月：2007年，版次：第二版。

3.教学参考书：《物理学教程学习指导》，作者：马文蔚，出版社：高等教育出版社，出版年月：2008年1月，版次：第二版。

4.教学参考书：《大学物理》，作者：张三慧，出版社：清华大学出版社，出版年月：1998年，版次：第二版。

六、教学方法与考核方式

教学方法：

在课堂上充分利用各种现代化教学手段，如教学录像片、CAI课件及教师自己制作的电子教案等，提高课堂教学效果，激发学生们课堂学习的兴趣和课外主动学习的积极性；结合板书进行教学，增强教学效果。教师的讲解深入浅出，层层剖析，主要采用讲要点、讲方法、讲思路的教学方法，引导学生积极思考，提高学生的学习主动性。坚持提倡学生的自主学习精神，使学生从“要我学”到“我要学”，最后达到“会学”，使学生终身受益。

考核方式：

1.通过联合命题或试题库抽题等命题形式实现教考分离，并组织任课教师密封流水阅卷。

2.成绩报送实行双及格线制：期末考核成绩占总成绩的50％，平时成绩占50％。平时成绩由考勤（10％）、作业（20％）、期中考试成绩（20％）和读书笔记四部分组成，设置平时成绩及格线、期末考核成绩及格线，两个及格线均达到的学生通过课程考核。平时成绩不及格者不得参加该课程的期末考核。

修订人：杨健修订日期：2011.4.10

审核人：李瑞东

康永刚审核日期：2011.4.11