大学应用物理自学指导书.doc

大学应用物理自学指导书适用专业：轻化工程专业 面授学时：30 一、课程性质与任务物理学是关于自然界基本形态（实物和场）的科学。它研究物质的结构、相互作用及物质的运动。它是整个自然科学和工程技术的基础，因此，大学物理是高等工科院校各专业学生的一门十分重要的必修基础课，通过该课程的学习，一方面使学生较全面系统地获得自然界各种运动形式及其规律的认识，另一方面培养学生科学思想和研究方法。二、课程教学基本内容1、质点的运动与牛顿定律质点、参照系、坐标系、位置矢量、位移、速度、加速度、运动方程、轨道方程、切向加速度、法向加速度、圆周运动的角量描述、角量和线量之间的关系、相对运动。惯性参照系、牛顿三定律及其运用、非惯性系、2、连续体的运动刚体的平动和转动、刚体定轴转动的描述、刚体定轴转动的力矩、转动定律、转动惯量、转动动能、理想流体、连续性方程、伯努利方程3、能量定理与守恒定律力矩的功、转动的动能定理、角动量、角动量定理、角动量守恒定律。冲量、力矩、动量定理、动量守恒定律、动量、质点的角动量、质点的角动量定理、质点角自定理、能量转换与守恒定律。4、狭义相对论经典时空观、狭义相对论的两条基本原理、洛仑兹坐标变换和速度变换、相对论时空观、相对论质量、动量、动能、静止质量和总能量、狭义相对论动力学的基本结论（质速关系、质能关系、能量与动量的关系）。5、气体分子动理论平衡态、状态参量、准静态过程、理想气体的状态方程、分子运动论的基本概念、理想气体的压强公式、温度公式及统计解释、麦氏速率分布率及三种速率公式、自由度、能量按自由度的均分定理、理想气体的内能、分子平均碰撞频率、平均自由程。6、热力学内能、功、热量、热力学第一定律及其对三种等值过程（等压、等温、等容）的应用、摩尔热容量、绝热过程、循环过程、卡诺循环、致冷循环、可逆过程与不可逆过程、热力学第二定律、熵、熵增加原理。7、电场库仑定律、电场及电场强度、场强叠加原理、场强的计算（包括四个以内点电荷系、电荷线分布）、高斯定理及应用、环路定理、电势、电势叠加原理、电势计算、场强与电势梯度的关系及等势面、导体的静电平衡条件和性质、导体上的电荷分布、电容与电容器、电介质的极化、极化强度矢量及D、E、P之间的关系、介质中的高斯定理、电场能量和能量密度。8、磁场电流密度、磁场、磁感应强度、磁通量、磁场中的高斯定理、安培定律、磁力距、毕萨定律及应用、安培环路定律、位移电流、变化电场产生磁场的规律、霍尔效应、磁场对运动电荷的作用、磁介质、磁介质的分类与磁化、磁化强度、磁场强度、磁介质中的安培环路定律、铁磁质的磁化曲线和磁滞回线。9、电磁场法拉第电磁感应定律、楞次定律、动生电动势、感生电动势、涡旋电场、自感、互感、磁场的能量、磁能密度、麦克斯韦方程组、电磁波。10、振动与波简谐振动的微分方程及运动方程、单摆、旋转矢量、简谐振动的合成、阻尼振动、受迫振动、共振、机械波的产生和传播、波长、频率、周期、波速、平面简谐波动方程、波的能量及能流密度、惠更斯原理、波的叠加原理、波的干涉和衍射、驻波、多普勒效应。11、光的干涉、衍射和偏振光的相干性、杨氏双缝实验、光程、光程差、薄膜等厚干涉（劈尖干涉、牛顿环），等倾条纹及迈克尔逊干涉仪、光的衍射现象、惠更斯莫涅耳原理、单缝夫琅禾费衍射、光栅衍射、圆孔衍射、光学仪器的分辨本领、X射线衍射、自然光、偏振光、偏振光的产生与检测、马吕斯定律、布儒斯特定律、双折射现象、偏振棱镜。12、原子和原子核物理原子、原子核、放射性、核的结合能、核力、原子核衰变规律、原子核反应、链式反应、轻核骤变、重核裂变、原子能反应堆、热中子反应堆、质量数守垣、电荷守恒、质能守恒。13、量子物理基础黑体辐射、普朗克量子假说、光电效应及方程、康普顿效应、德布罗意波的统计解释、波粒二象性、测不准关系、薛定谔方程、量子力学对氢原子应用的一些结果（能量量子化、角动量量子化、角动量空间量子化、自旋角动量）、原子的壳层结构、能带。三、课程教学的基本要求第一章 质点的运动与牛顿定律重点：速度和加速度的定义及计算；质点做圆周运动的角速度、角加速度、切向加速度、法向加速度。并借助于直角坐标系和自然坐标系计算各物理量，重点学会用隔离法对物体进行受力分析及运用牛顿三定律解题。能力培养：严格区分矢量与标量的数学表达及其意义，初步了解矢量元和标量的物理意义，对牛顿运动方程应用进行规范训练，初步学会运用微积分解决运动学问题的思路与方法。具体要求：1、掌握位矢、位移、速度、加速度和角加速度等描述质点运动和运动变化的物理量。2、掌握牛顿三定律及其适用条件，能用微积分方法求解一维变力作用下简单质点动力学问题。3、能借助直角坐标系计算质点在平面内运动是的速度、加速度。4、能计算质点作圆周运动是角速度、角加速度、切向加速度和法向加速度。5、理解质点在不同参照系中运动规律。6、了解惯性力的概念和非惯性系中应用牛顿定律解题的方法第二章 连续体的运动重点：转动惯量、转动定理、转动动能的概念和意义，连续性方程及伯努利方程。能力培养：将质点平动规律与刚体定轴转动规律进行类比，培养学生应用类比法研究和理解问题的能力，培养学生具有解决工科物理中力学部分综合问题的能力，通过转动惯量的计算和变力矩的计算再次学习微元法。具体要求：1、理解刚体概念及刚体运动的基本类型。2、理解描述刚体绕定轴转动的物理量，掌握它们和线量的关系及刚体绕定轴转动的运动学规律。3、了解转动惯量、理想流体的概念和物理意义，掌握研究刚体的方法，能用积分方法计算形状简单、质量分布均匀的物体对轴的转动惯量，理解刚体绕定轴转动的转动定律，能运用转动定律分析、计算简单的连续体的力学问题、。4、了解描述流体运动的量，流体的属性，掌握连续性方程和伯努利方程的应用。第三章 能量定理与守恒定律重点：机械功和机械能守恒定理、动量守恒定律、角动量守恒定律及其他运用能力培养：以变力的功和变力的冲量为例，初步学会用微元法解决物理问题的基本思路。具体要求：1、掌握功的概念，能计算直线运动情况下变力的功，理解保守力做功的特点及势能的概念，会计算重力、弹性力和万有引力的势能。2、掌握质点的动量定理和动量守恒定律，并能用它分析、解决质点在平面内运动时的简单力学问题。3、掌握质点的动能定理，能用它分析、解决质点在平面内运动时的简单力学问题。4、掌握机械能守恒定律，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。5、掌握刚体绕定轴转动的动能定理，会计算定轴转动刚体的力矩做功。通过质点在平面内的运动情况，理解角动量和角动量守恒定律，并能用它分析、解决质点在平面内运动时的简单力学问题6、了解碰撞的概念，掌握完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞的规律。第四章 狭义相对论重点：爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设、运动时钟变慢、运动长度收缩、质速关系、质能关系。能力培养：通过新时空观的建立培养学生的辩证唯物主义认识论观点。具体要求：1、理解狭义相对论的两个基本假设。了解牛顿力学的伽利略变换及其适用对象和范围。2、理解洛仑兹变换，理解狭义相对论原理及狭义相对论中同时的相对性以及长度收缩、时间膨胀的概念，了解牛顿力学的时空观和狭义相对论中的时空观以及二者的差异。3、会用洛仑兹变换求解不同参照系中的坐标、速度、时间等物理量。4、理解狭义相对论中质量和速度的关系、质量和能量的关系、能量和动量的关系。了解其在工程中的应用。第五章 气体分子动理论重点：理想气体的压强公式、温度公式、理想气体的内能、速率分布函数的物理意义，三种速率。能力培养：学会运用理想化的物理模型的基本方法，学会从宏观和微观不同角度研究热运动的规律，初步运用统计概念和统计方法进行简单计算的能力。具体要求：1、了解气体分子热运动的图像，理解理想气体的压强公式和温度公式，理解气体压强的微观统计意义; 理解系统宏观性质是微观运动的统计表现。了解从建立模型、进行统计平均处理到阐明宏观量微观本质的研究方法。能从宏观和统计意义上理解压强、温度等概念。2、了解麦克斯韦速率分布函数和速率分布曲线的物理意义，会计算气体分子热运动的三种速率（最可几速率、平均速率、方均根速率）。3、通过理想气体的刚性分子模型，理解气体分子平均能量按自由度均分定理，理解理想气体分子的平均平动动能与温度的关系，理解气体温度的微观统计意义。掌握理想气体的内能公式。4、了解气体分子的平均碰撞频率及平均自由程。第六章 热力学基础重点：等容、等温、等压过程和绝热过程中功、热量、内能的改变量的计算，摩尔热容、卡诺循环的效率、熵的概念、熵增加原理。能力培养：学会运用功能观点分析物质运动的基本方法。具体要求：1、掌握功和热量的概念，理解平衡态、准静态过程， 2、理解和掌握热力学第一定律及其在等容、等压、等温和绝热过程中的应用，会计算理想气体的定压摩尔热容和定容摩尔热容。3、会计算理想气体等体、等压、等温和绝热过程中功、热量和内能的改变量。4、理解循环过程和卡诺循环，会计算卡诺循环等简单循环的效率。并运用它们解决实际问题。5、理解可逆过程和不可逆过程，理解卡诺定理、热力学第二定律及其统计意义。6、理解熵的概念及物理意义，会计算熵变，理解熵增加原理，了解熵的玻耳兹曼表达式。第七章 电 场重点：场强的定义及计算、高斯定理及其应用电势和电势差的含义及计算、场强与电势的关系，各向同性介质中P、D、E之关系，电场的能量。能力培养：集中训练并掌握微元法的思路与方法学会运用对称性和叠加性处理具体问题的能力，即培养学生对于对称性的分辨能力并将某些复杂问题转化为简单问题的组合能力，学会运用功能关系分析和解决电场能量的能力具体要求：1、掌握静电场的电场强度和电势的概念，以及电场强度和电势的叠加原理，掌握电势与电场强度的积分关系，掌握已知电荷分布计算电场强度和电势的几种主要方法，能计算一些简单问题中的电场强度和电势。2、理解静电场规律：高斯定理和安培环路定理。掌握应用高斯定理计算电场强度的条件和方法。3、理解电场力的功及电势能的概念，并能做简单的计算。4、理解导体的静电平衡条件以及静电平衡时导体的基本性质，了解介质的极化过程及其微观解释。5、理解介质中P、D、E之关系，掌握介质中的高斯定理及应用。6、掌握电容器电容的计算方法。第八章 磁 场 重点：位移电流、磁感应强度的理解与计算，毕奥萨伐尔定律应用，磁力矩、安培力，洛仑兹力。能力培养：使学生进一步熟练掌握运用微积分的解题过程，培养学生运用高等数学分析问题和解决问题的能力，培养学生对“对称性”的分辨能力和将某些复杂磁学问题转化为简单问题的组合能力，培养学生运用类比法研究和理解问题的能力。具体要求：1、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（如载流直导线、圆电流、面电流等）。2、正确理解磁通量等概念，能计算某回路所包围面积上的磁通量。3、理解反映稳恒电流磁场特性的两个基本定理: 即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。掌握运用安培环路定理求载流导体周围磁场的基本方法，并能熟练用安培环路定理计算某些具有对称性载流导体所产生们磁场分布。3、理解和掌握安培定律和洛仑兹公式，了解磁距的概念，能计算简单几何形状载流导体和载流平面线圈在均匀磁场中或无限长直载流导线产生的非均匀磁场所受的力和力矩。4、了解介质的磁化现象及其微观解释，了解顺磁质、抗磁质及铁磁质的特性，掌握磁场强度的概念及各向同性磁介质中H和B的关系与区别。5、掌握介质中的高斯定理和安培环路定理及其应用。第九章 电磁场重点：法拉第电磁感应定律，动生电动势及感生电动势，自感、互感、自感磁能，涡旋电场的计算。能力培养：培养学生具有分析和解决电磁学的综合问题的能力。具体要求：1、掌握法拉第电磁感应定律与楞次定律，并能应用这两个定律分析研究电磁感应现象问题。2、理解动生电动势和感生电动势的本质，掌握动生电动势和感生电动势的计箅方法。3、理解电磁场能量的概念，会计算电磁场的能量。4、理解自感和互感的概念，会计算自感系数和互感系数。5、了解涡旋电场与位移电流的概念。6、理解自感磁能，了解磁场能量和磁能密度。7、了解麦克斯韦方程组（积分形式）的物理意义。8、了解电磁波的性质，了解电磁场的物质性。第十章 振动与波重点：简谐振动的微分方程和运动方程，同方向、同频率的两个简谐振动的合成规律，波的传播规律，波动方程的物理意义，波的干涉现象和规律，平面简谐波方程，相差与波程差的关系，相干波叠加振幅加强和减弱的条件，驻波特点。能力培养：运用解析法以及旋转矢量法、图示法等辅助方法，认识和描述简谐振动的性质和规律，认识物质运动描述的多样性和研究方法的多样性，通过类比认识振动与波动的联系与区别。具体要求：1、掌握描述简谐振动的基本特征，能建立一维简谐振动的方程，能根据给定的初始条件，写出一维简谐振动的方程，并理解其物理意义。2、理解旋转矢量法。会用谐振动的规律分析问题。3、理解同方向、同频率的两个简谐振动的合成规律及特点，了解阻尼振动、受迫振动和共振。4、理解机械波产生的条件，掌握由已知质点的简谐振动方程得出平面简谐波的波函数的方法及波动方程的物理意义，理解波形图形。5、了解波的能量传播特征及能流，能流密度概念。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、波程差分析、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、了解机械波的多普勒效应及其产生原因。第十一章 光的干涉、衍射和偏振重点：光程差和位相差的关系，杨氏双缝干涉、薄膜等厚干涉(劈尖干涉、牛顿环)、等倾干涉的原理及应用，单缝夫琅禾费衍射条纹分布规律，光栅衍射条纹分布，布儒斯特定律及马吕斯定律。能力培养：培养学生运用光程差的概念处理干涉现象的基本能力，认识光波在微量测量中的重要应用，通过比较干涉和衍射的区别与联系，提高学生逐渐深入分析问题的能力，通过阐述获得偏振光的方法，进一步提高学生理论联系实际的能力。具体要求：1、理解相干光的条件及获得相干光的方法， 2掌握光程、光程差、半波损失的概念以及光程差和位相差的关系，能熟练运用它们分析、确定杨氏双缝干涉条纹、薄膜等厚干涉(劈尖干涉、牛顿环)条纹及等倾干涉条纹的位置。了解迈克尔干涉仪的工作原理。3、了解惠更斯菲涅尔原理，理解分析单缝夫琅禾费衍射半波带及其明暗纹分布规律，会分析缝宽及波长对衍射条纹分布的影响。了解圆孔衍射和光学仪器的分辨率。4、理解光栅衍射公式，会确定光栅衍射谱线的位置，会分析光栅常量及波长对光栅衍射谱线分布的影响，了解X射线衍射及布喇格公式。5、理解自然光和线偏振光，理解布儒斯特定律和马吕斯定律了解双折射现象和偏振棱镜。了解偏振光的获得方法和检测方法。第十二章 原子和原子核物理 重点： 原子核的基本构成及其性质，放射性，原子核的衰变，原子核反应。能力培养：深刻理解物质基本构成及物质微观结构探索在科学发现与探索中的重要作用，它揭示了大量宏观现象的微观本质。通过这些方法的学习了解，培养学生辩证唯物主义认识论的思维方法， 使学生逐步掌握微观世界的研究方法。具体要求：1、了解原子和原子核的基本结构及玻尔理论在探索原子和原子核结构中的应用。2、理解原子核的基本构成、性质，掌握原子核的衰变规律、特征和衰变过程，了解核物质及其性质。3、掌握原子核反应的物理特性及其在工程中的应用。4、了解核辐射的危害及防治等工程应用。 第十三章 量子物理 重点：光的量子性，光电效应，康普顿散射，测不准关系，薛定谔方程，波函数，原子中电子运动运动的四个量子数。能力培养：深刻