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大学物理
第1次开课
开课时间: 2019年12月01日 ~ 2019年12月01日
学时安排: 5
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spContent=大学物理课程是系统地学习与研究自然现象、自然发展规律的基础学科。既应用数学方法、计算机技术培养学习者发现问题、定性地分析问题和定量地解决问题的能力,又采取多媒体网络教学,愉快学习。
大学物理课程是系统地学习与研究自然现象、自然发展规律的基础学科。既应用数学方法、计算机技术培养学习者发现问题、定性地分析问题和定量地解决问题的能力,又采取多媒体网络教学,愉快学习。
—— 课程团队
课程概述

通过大学物理课程的学习,学习者系统地掌握自然界公认的基本概念、基本理论和基本方法,同时结合物理实验的基本实验技能的教学,形成科学的世界观,练就科学工作者和工程技术人员所必备的科学素养的重要基础,有利于培养理论联系实际的学习气氛、工作作风;通过大学物理课程的学习,学习者学会用解析法求解、统计法求解和数值法求精确解,提高数学、计算机工具的应用能力;通过大学物理课程的愉快学习,循序渐进、深入浅出、不断地学习-思考-再练习-再思考,培养成不畏艰险、刻苦钻研,决不放过一个疑难问题的精神,树立思辨的信心,练就战胜困难的本领。

大学物理涵盖力学(包括质点运动学、质点动力学、刚体运动学、刚体动力学)、电磁学(静电场、稳恒磁场、电磁感应电磁波)、热学(宏观热力学、微观分子气体运动论)、振动与波动、波动光学(光的干涉、光的衍射、光的偏振)、近代物理(狭义相对论、量子力学基础)。大学物理教学从日常生活中的所见所闻引入物理学概念、总结物理学定理和定律,并采用英文标注;在大学物理教学中,引入演示实验与演示实验录像,增强学习者的感性认识;应用计算机技术在各章节进行精确地求解复杂的问题,图示计算的结果,减少随手绘制的示意图;拓展性教学栏目的内容,满足学有余力的同学自学,每个例题给出分析过程或者实验引导。


授课目标

(1)每年有200人网上修读《大学物理》96学时,80%获得证书;

(2)每位修读《大学物理》的学生参与做习题、做试卷,特别是相互批阅作业。

成绩 要求

(1)完成每个单元习题,得30分


(2)批阅他人作业每个单元10题;得20分;


(3)网上考试满分占50分;


(4)综合评定85分和85分以上为优秀;60分至84分为通过。

课程大纲

绪论(2学时)

§0.1  国际单位与坐标系 2

§0.2  标量与矢量 3


第1篇  力学

第1章  质点运动学(6学时)

§1.1  质点运动在直角坐标系中的表示

1.1.1  直线运动

1.1.2  抛体运动

1.1.3  在三维直角坐标下描述质点的运动

§1.2  质点运动在自然坐标系中的表示

1.2.1  圆周运动

1.2.2  一般曲线运动

§1.3  相对运动

§1.4  计算机在质点运动学上的应用

§1.5  质点运动学拓展内容


第2章  质点动力学(8学时)

§2.1  牛顿运动定律

2.1.1  牛顿运动三定律

2.1.2  常见力

§2.2  功与能

2.2.1  质点动能定理

2.2.2  常见力做的功 势能

2.2.3  质点系动能守恒定理

2.2.4  机械能守恒定律

2.2.5  能量转换与守恒定律

§2.3  冲量与动量

2.3.1  质点动量定律

2.3.2  质点系动量定律

§2.4  碰撞

§2.5  质点的动量矩与动量矩守恒定律

2.5.1  质点的动量矩

2.5.2  动量矩守恒定律

§2.6  计算机在质点动力学中的应用

§2.7  质点动力学的拓展性内容

2.7.1  火箭发射原理


第3章  刚体的定轴转动(8学时)

§3.1  刚体的运动学

§3.2  力矩 转动定律  转动惯量

§3.3  力矩的功  转动动能  刚体的动能定理

§3.4  刚体的动量矩与动量矩守恒定律

3.4.1  冲量矩

3.4.2  刚体的动量矩

3.4.3  刚体的动量矩定理

3.4.4  刚体的动量矩守恒定律

§3.5  计算机在刚体定轴转动中的应用

§3.6  刚体定轴转动的拓展性内容

3.6.1  回转仪

3.6.2  陀螺


第2篇  热学

第4章  气体动理论(5学时)

§4.1  分子运动的微观本质

§4.2  理想气体

4.2.1  理想气体模型

4.2.2  统计方法

4.2.3  理想气体压强公式

§4.3  麦克斯韦速率分布

4.3.1  实验装置

4.3.2  麦克斯韦速率分布函数

4.3.3  三种统计速率

§4.4  温度的微观本质

§4.5  能量按自由度均分定理

4.5.1  能量按自由度均分定理

4.5.2  理想气体的内能

§4.6  计算机在气体动理论学习中的应用

§4.7  气体动理论拓展性内容

第5章  热力学基础(7学时)

§5.1  理想气体状态方程

5.1.1  描述热力学参量

5.1.2  理想气体状态方程

§5.2  内能、功、热量  热力学第一定律

5.2.1  理想气体的内能仅仅是温度的函数

5.2.2  功、热量

5.2.3  热力学第一定律

5.2.4  定容摩尔热容 、定压摩尔热容

§5.3  等温过程

§5.4  绝热过程

§5.5  循环过程

5.5.1  热机效率

5.5.2  致冷系数

§5.6  热力学第二定律

§5.7  卡诺循环与卡诺定理

5.7.1  可逆与不可逆过程

5.7.2  卡诺循环

5.7.3  卡诺定理

§5.8  计算机在研究热力学问题中的应用

§5.9  热力学的拓展性内容


第3篇  电磁学

第6章  静电场(9学时)

§6.1  库仑定律

6.1.1  电荷

6.1.2  库仑定律

§6.2 电场强度

§6.3  高斯定理

6.3.1  电场线

6.3.2  电通量

6.3.3  高斯定理

§6.4  静电场环路定理  电势能与电势

6.4.1  库仑力做功  电势能

6.4.2  静电场环路定理  电势

§6.5  电场强度与电势关系

6.5.1  等势面

6.5.2  电场强度与电势的关系

§6.6  静电场中的导体

6.6.1  电荷面密度与表面曲率半径之间的关系

6.6.2  静电屏蔽

6.6.3  导体表面附近的电场强度与无限大带电平面附近的电场强度之间的关系

6.6.4  电容

§6.7  计算机在静电场中的应用

§6.8  静电场拓展性内容

6.8.1  静电场中的介质


第7章  稳恒磁场(9学时)

§7.1  磁感应强度

7.1.1  电流

7.1.2  磁感应强度

§7.2  毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律

§7.3  磁场中的高斯定理

7.3.1  磁场线

7.3.2  磁通量

§7.4  安培环路定理

§7.5  载流导线在磁场中的运动

7.5.1  均匀磁场中载流导线的受力

7.5.2  均匀磁场中载流线圈所受的力矩

7.5.3  非均匀磁场中载流导线线圈的受力

7.5.4  非均匀磁场中载流线圈所受的力矩

§7.6  带电粒子在电场与磁场中的运动

7.6.1  示波器的工作原理

7.6.2 霍耳效应

§7.7  计算机在稳恒磁场中的应用

§7.8  稳恒磁场拓展性内容


第8章  电磁感应与电磁波(6学时)

§8.1  电磁感应定律

8.1.1  电动势

8.1.2  电磁感应定律

8.1.3  楞次定律

§8.2  感应电动势

8.2.1  动生电动势

8.2.2  感生电动势

8.2.3  自感电动势

8.2.4  互感电动势

§8.3  麦克斯韦电磁场理论

8.3.1  麦克斯韦方程组

8.3.2  电磁场

§8.4  计算机在电磁感应中的应用

§8.5  电磁感应拓展性内容

8.5.1  电磁波 236

8.5.2  电磁波谱


第9章  机械振动基础(5学时)

§9.1  简谐振动

§9.2  谐振动的合成

§9.3  阻尼振动和受迫振动

        §9.4  机械振动拓展性内容

         9.4.1  非谐振动的傅氏分析  频谱

         9.4.2   两个自由度系统自由振动简介


第10章  机谐波(7学时)

§10.1  机械波的产生与传播

§10.2  平面简谐波

        §10.3  波的能量

        §10.4  惠更斯原理

        §10.5  波的干涉

        §10.6  驻波

        §10.7  机谐波拓展性内容

         10.7.1  多谱勒效应


第11章  波动光学基础(12学时)

§11.1  光是电磁波

§11.2  光源 光波的叠加

§11.3  杨氏双缝干涉

        §11.4  光程与光程差

§11.5  薄膜干涉

§11.6  迈克耳孙干涉仪

        §11.7  惠更斯-菲涅耳原理

§11.8  单缝的夫琅禾费衍射

§11.9  衍射光栅及衍射光谱

        §11.10  线偏振光  自然光

        §11.11  偏振片的起偏与检偏  马吕斯定律

§11.12  反射和折射产生的偏振  布儒斯特定律

§11.13  波动光学拓展性内容

         11.13.1   双折射现象

         11.13.2  旋光效应


§12.1  狭义相对论力学基础(5学时)

§12.1  经典力学相对性原理  伽里略变换

§12.2  狭义相对论的两个基本假设

        §12.3  狭义相对论时空观

§12.4  洛仑兹变换

        §12.5  狭义相对论速度变换

§12.6  狭义相对论质点动力学

        §12.7  狭义相对论拓展性内容

12.7.1  光的多普勒效应


§13.1  量子物理基础(7学时)

§13.1  热辐射  普朗克能量量子假设

§13.2  光电效应  爱因斯坦光子假设

§13.3  康普顿效应

        §13.4  氢原子光谱  玻尔的氢原子理论

§13.5  量子物理拓展性内容

13.5.1  微观粒子波粒二象性  不确定关系

13.5.2  波函数  一维定态薛定谔方程

        13.5.3  电子自旋  四个量子数

13.5.4  原子的电子壳层结构


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预备知识

微积分


Matlab编程

参考资料

[1]  Paul Peter Urone.(美)保罗·彼得·尤荣. College Physics. 大学物理学[M]. 北京: 机械工业出版社. 2002.

[2] John W. Jewett, Jr., Raymond A. Serway. (美)朱厄特, 赛尔维. University Physics for Scientists and Engineers. 理工科物理学[M]. 北京: 机械工业出版社. 2010

[3] 江兴方, 黄正逸, 刘宪云. 物理学[M]. 上海; 上海交通大学出版社. 2017 

[4] 李元杰, 陆果. 大学物理学[M]. 北京: 高等教育出版社. 2004

[5] 胡盘新, 汤毓骏. 普通物理学简明教程[M]. 北京: 高等教育出版社. 2003

[6] 吴百诗. 大学物理(新编)[M]. 北京: 科学出版社. 2016

[7] 朱荣华. 基础物理学[M]. 北京: 高等教育出版社. 2000

[8] 江兴方, 高惠滨, 郭小建, 吴志贤. 物理演示实验[M]. 南京: 南京大学出版社. 2011

[9] 李宝兴. 物理现象的探索性研究[M]. 杭州: 浙江大学出版社. 2013

[10] 王少杰, 顾牡, 毛骏健. 大学物理学[M]. 上海: 同济大学出版社. 2002

[11] 马根源, 王松立, 金庆华. 物理学[M]. 天津: 南开大学出版社. 2000

[12] 卢德馨大学物理学(第二版)[M]. 北京高等教育出版社. 2003


常见问题

(1)杨氏双缝干涉具有划时代的意义,将光是粒子性的认识转向到光具有波动性。但是杨双缝干涉图样与夫琅禾费单缝衍射图样有着天壤之别。前者是明暗相间,等宽等间距,强度基本相同;而后者中央明纹占据了绝大多数能量,中央明纹的宽度约为其他明纹宽度的二倍。如何理解,试由此将干涉结果与衍射结果统一到一个新的高度。



参考答案:单缝的夫琅禾费衍射结果的确是中央明纹占据了绝大多数能量,中央明纹的宽度约为其他明纹宽度的二倍。杨氏双缝干涉本质上是每个缝的衍射与两个缝之间的干涉的总效果。值得一提的是,当杨氏双缝的缝间距d等于缝宽a的3倍时,第3级缺级,在左右第3级缺级之间,在衍射的中央明纹区载中,有5条明纹,同理当d=50a时,在中央明纹区域中有99条主极大明条纹,若取其中的7~8条,当然是明暗相间,等宽等间距,强度基本相同。由此可见,d=na,当n的值较小时衍射起主导作用,当n的值较大时,干涉起主导作用,可见1801年托马斯·杨的双缝干涉实验选择d>>a是十分巧妙的实验设计。

常州大学
1 位授课老师
江兴方

江兴方

教授

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