College Physics
适用专业：本科理工科各专业 课程编号：010201
学分：6
一、课程名称
大学物理学
二、课程性质和任务
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应用的基础。在高等工科院校各专业中，物理学是一门重要的基础课，承担着拓宽学生知识面，提高学生基本素质及为专业课打下较深厚基础的任务。
（一）课程性质
大学物理是高等学校理工科各专业学生的一门必修的重要的基础课。
（二）课程任务
使学生对物理学的基本概念、基本原理、基本规律有较系统的认识。了解各种运动形式之间的联系，并对近代物理学和现代物理学成就有更多的了解。
使学生运算能力和抽象思维能力方面受到必要的科学训练、培养学生分析问题和解决问题的能力。 使学生正确认识物理学基本理论的建立和发展过程，培养学生实事求是的科学态度和辨证唯物主义的世界观。
为学生学习专业知识和参加工程实践打下必要的物理基础。
三、课程主要教学内容
力学、热学、电磁学、机械波、波动光学、狭义相对论和量子力学等。
四、基本要求及重点、难点说明
（一） 力学 主要内容：
1、质点运动学：位矢、位移、速度、加速度。圆周运动的加速度，切向加速度、法向加速度。角坐标、角位移、角速度、角加速度。角量与线量的关系。相对运动。
2、质点动力学：牛顿运动定律。非惯性系和惯性力*。质点与质点系的动量定理。动量守恒定律。质心、质心运动定理。变力的功、动能定理。保守力的功、势能（重力势能、弹性势能、引力势能）。机械能守恒定律。能量守恒与转化定律。对称性和守恒定律*。
3、刚体的转动：刚体。平动与转动。力矩，刚体定轴转动定律，转动惯量。转动动能，力矩的功。质点、刚体的角动量和角动量守恒定律。
基本要求：
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1、掌握位置矢量、位移、速度、加速度和角加速度等描述质点运动及运动变化的物理量。理解运动方程的物理意义及作用，能借助于直角坐标系计算质点在平面内运动时的速度和加速度，能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、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、掌握功的概念，能熟练地计算变力的功，理解保守力做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。
4、掌握动能定理、动量定理，掌握机械能守恒定律和动量守恒定律，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、理解转动惯量概念。理解刚体绕定轴转动的转动定律和角动量守恒定律。 重点：
1、 位置矢量、运动方程，切向加速度和法向加速度；相对运动。 2、 牛顿定律的应用；保守力做功及势能；角动量和角动量守恒定律。 3、 刚体绕定轴转动的转动定律和角动量守恒定律。 难点：
1、 角加速度、切向加速度和法向加速度；相对运动。 2、 保守力做功与势能的关系。
3、 刚体绕定轴转动的转动定律；角动量守恒定律的应用。 （二） 电磁学 主要内容：
1、静电场：库仑定律。电场强度。电场强度叠加原理及其应用。电通量。静电场的高斯定理。电场强度的计算。电场力的功。静电场的环路定理。电势、电势叠加原理及其计算。电场强度与电势梯度的关系。导体的静电平衡。导体上的电荷分布。电容与电容器。电场能量。电介质的极化及其描述*。电位移矢量。有电介质时的高斯定理。
2、恒定磁场：磁场，磁感应强度。磁通量，磁场中的高斯定理。毕奥―萨伐尔定律，磁感应强度的叠加原理。运动电荷的磁场。安培环路定理。安培定律。磁场对载流导线及线圈的作用。洛仑兹力。霍耳效应*。磁介质。磁场强度矢量。介质中的安培环路定理。铁磁质，磁滞现象，磁畴*。
3、电磁感应与电磁场：电源电动势。法拉第电磁感应定律。动生电动势。感生电动势。涡旋电场。自感、互感。磁场能量。磁场能量密度。位移电流。全电流定律。麦克斯韦方程组的积分形式。电磁波的产生及基本性质。麦克斯方程组的微分形式*。边界条件*。
基本要求：
1、掌握静电场的电场强度和电势的概念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。能计算一些简单问题中的电场强度和电势。
2、理解静电场的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、了解导体的静电平衡条件，了解电容。了解介质的极化现象及其微观解释。了解介质中的高斯定理及电场能量。
4、掌握磁感应强度和概念。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。 5、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。
6、理解安培定律和洛仑兹力公式。了解电偶极矩和磁矩的概念。了解磁矩的概念，能计算简单形状载流导体和载流平面线圈在磁场中所受的力和力矩。能分析点电荷受的洛仑兹力。
7、了解介质的极化、磁化现象及其微观解释。了解铁磁质的特性，了解介质中的安培环路定理和磁场能量。
8、理解电动势的概念。掌握法拉第电磁感应定律。理解动生电动势及感生电动势。 9、了解自感、互感现象及自感系数、互感系数。
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10、了解涡旋电场。位移电流的概念，以及麦克斯韦方程组积分形式及物理意义。了解电磁场的物质性。了解电磁波的性质。
重点：
1、静电场的电场强度和电势的概念以及电场强度和电势叠加原理。高斯定理和环路定理。 2、导体静电平衡的条件。静电平衡时导体的电荷分布。 3、毕奥—萨伐尔定律、磁场中的高斯定理、安培环路定理。 4、法拉第电磁感应定律。动生电动势和感生电场。 5、麦克斯韦方程组的积分形式。 难点：
1、计算电场强度和电势的方法。电位移矢量，介质中的高斯定理。 2、磁场中安培环路定理的理解及其应用。 3、动生电动势与感生电动势的计算。 （三） 热学 主要内容：
1、气体分子动理论：分子运动论的基本概念，统计规律。理想气体的微观模型及其状态方程。理想气体的压强和温度。能量按自由度均分定理。理想气体的内能。麦克斯韦速率分布率，三种统计速率。玻耳兹曼分布*。气体分子的平均碰撞次数与平均自由程。输运现象*。
2、热力学基础：热力学系统及其内能、功和热量。热力学第零定律，热力学第一定律及其在理想气体等值过程中的应用。绝热过程。气体的摩尔热容。多方过程*。循环过程。卡诺循环。热机效率。致冷系数。热力学第二定律。可逆过程与不可逆过程。熵和熵增加原理，玻尔兹曼熵关系式。范德瓦耳斯方程*。
基本要求：
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。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的微观本质的思想和方法。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、了解气体分子平均碰撞频率及平均自由程。
3、了解麦克斯韦速率分布律及速率分布函数和速率分布曲线的物理意义。了解气体分子热运动的三种速率。
4、理解气体分子能量按自由度均原理，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，能分析、计算理想气体各等值过程和绝热过程的功、热量、内能改变量和卡诺循环等简单循环过程的效率。
6、了解可逆过程和不可逆过程。
7、了解热力学第二定律和统计意义，了解熵的概念及玻耳兹曼关系式。 重点：
1、理想气体的微观模型，理想气体状态方程；理想气体的压强公式；温度的统计解释；自由度。 2、理想气体的内能；麦克斯韦速率分布律。
3、内能、功和热量；热力学第一定律；理想气体的等值过程、绝热过程；循环过程，循环效率。 4、热力学第二定律；玻尔兹曼熵关系式。 难点：
1、理想气体的压强公式；理想气体的内能；麦克斯韦速率分布律。
2、热力学第一定律；理想气体的等值过程、绝热过程；循环过程，循环效率。热力学第二定律。
（四） 机械振动与机械波
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主要内容：
1、机械振动：简谐振动。简谐振动的运动学和动力学方程。振动的相位。简谐振动的旋转矢量表示法。简谐振动的能量。阻尼振动、受迫振动和共振*。同方向同频率简谐振动的合成，同方向不同频率简谐振动的合成，拍现象。两个相互垂直方向简谐振动的合成*。非线性振动简介*。
2、机械波：机械波的产生与传播。机械波的基本特征。平面简简谐波方程。波的能量，能流密度。惠更斯原理。波的叠加、波的干涉。驻波、相位突变。机械波的多普勒效应。声波、超声波和次声波；声强级*。
基本要求
1、掌握描述简谐振动和简谐波的各物理量及各量之间的关系。 2、理解旋转矢量法。
3、掌握简谐振动的基本特征。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简谐振动的运动方程，并理解其物理意义。
4、理解同方向、同频率简谐振动的合成规律。
5、理解机械波产生的条件。掌握根据已知质点的简谐振动方程建立平面简谐波的波函数的方法，以及波函数的物理意义，理解波形曲线，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，能应用相位差或波程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、了解机械波的多普勒效应及其产生原因。在波源或观察者单独相对介质运动且沿两者连线时的多普勒频移公式计算。
重点：
1、简谐振动的动力学方程和运动学方程；简谐振动的圆频率、频率和周期；简谐振动的振幅、位相和初位相；简谐振动的速度和加速度；旋转矢量；同方向振动的合成。
2、平面简谐波的波方程；波的能量，能量密度和能流密度；惠更斯原理，波的衍射；波的叠加，波的干涉。驻波，半波损失。
难点：
1、谐振动的动力学方程和运动学方程；谐振动的速度和加速度；旋转矢量。谐振动的能量；同方向振动的合成。
2、平面简谐波的波方程；波的干涉；驻波。 （五） 波动光学 主要内容：
1、光的干涉：光的相干性。光源。相干光的获得。杨氏双缝干涉。光程与光程差。分波振面干涉，分振幅干涉。等厚干涉及其应用。迈克尔逊干涉仪*。光的空间相干性和时间相干性*。
2、光的衍射：光的衍射现象。惠更斯—涅耳原理。夫琅和费单缝衍射。光栅衍射，光栅方程。光学仪器的分辨本领。晶体的X射线衍射*。全息照相*。
3、光的偏振：自然光和偏振光。起偏与检偏。马吕斯定律。布儒斯特定律。光的双折射现象 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，理解相位跃变。能分析确定杨氏双缝干涉条纹及薄膜干涉条纹的位置。
2、了解惠更斯—菲涅耳原理及对光的衍射现象的定性解释。掌握分析单缝的夫琅和费衍射条纹分布规律的方法，会分析缝宽及波长对衍射条纹分布的影响。
3、理解光栅衍射公式，会确定光栅衍射谱线的位置，了解缺级现象。
4、理解自然光和偏振光。理解布儒斯特定律和马吕斯定律。了解线偏振光的获得方法和检验方法。 重点：
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1、光程、双缝干涉、等厚干涉。
2、惠更斯—菲涅耳原理、单缝夫琅禾费衍射、光栅衍射。 3、线偏振光的获得方法和检验方法，马吕斯定律。 难点：
1、光程差（特别涉及半波损失）的计算。 2、光栅方程及缺级公式的有关问题。
（六） 近代物理 主要内容：
1、狭义相对论基础：经典力学的时空观。迈克尔逊—莫雷实验*。狭义相对论的两个基本假设。洛仑兹坐标变换和速度变换。同时的性的相对性、长度收缩和时间延缓。相对论动力学基础。质量和速度的关系。相对论能量。能量和动量关系*。广义相对论的基本原理，时空特性*。
2、量子物理基础：黑体辐射、光电效应的基本规律。光子假设。爱因斯坦方程。康普顿散射。光的波粒二象性。氢原子的光谱规律。玻尔氢原子理论*。戴维孙—革末实验，德布罗意的物质波假设。物质波的统计解释。不确定关系。波函数及其统计解释。薛定谔方程。一维无限深势阱。一维谐振子*。一维势垒，隧道效应，扫描隧道显微镜。氢原子的能量和角动量量子化，电子自旋，施特恩—盖拉赫实验。泡利原理、原子的壳层结构、元素周期表。
基本要求：
1、了解爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设，了解洛伦兹变换式。
2、了解狭义相对论中同时性的相对性，长度收缩和时间膨胀的概念。了解牛顿力学的时空观和狭义相对论的时空观以及二者的差异。
3、理解狭义相对论中质量与速度的关系，以及质量与能量的关系。 4、理解绝对黑体及黑体辐射的规律。
5、理解爱因斯坦光子假设，掌握爱因斯坦方程。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、理解氢原子光谱的实验规律及玻尔的氢原子理论。
7、了解德布罗意物质波假设及电子衍射实验。了解实物粒子的波粒二象性。理解描述物质波动性的物理量（波长、频率）和描述粒子性的物理量（动量、能量）之间的关系。
8、了解一维坐标动量不确定关系。
9、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。了解一维势垒和隧道效应。
10、了解能量量子化、角动量量子化及空间量子化。了解施特恩—格拉赫实验及微观粒子的自旋，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。
重点：
1、狭义相对论的基本原理，洛仑兹坐标变换式；长度收缩，时间延缓，质量与速度的关系；相对论动量和能量。
2、黑体辐射定律，普朗克的量子假设；光电效应，康普顿效应，以及爱因斯坦的光子理论。 3、氢原子光谱的实验规律，玻尔的氢原子理论；德布罗意波。波函数，一维定态薛定谔方程，一维无限深势阱问题。
难点：
1、洛仑兹坐标变换式，长度收缩，时间延缓，质量与速度的关系；相对论能量。 2、黑体辐射定律，康普顿效应。不确定关系，波函数，一维无限深势阱问题。
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五、学时、学分及学期分配表
章节 内 容 名 称 学分 学时 4 4 8 3 6 10 6 8 2 6 5 7 3 14 4 6 6 自学 96 各环节教学时数分配 讲授 4 2 6 5 8 4 8 6 4 6 12 4 6 5 讨论 实验 机动 2 2 1 2 2 1 1 2 1 备注 第一章 质点运动学 第二章 牛顿定律 第三章 动量守恒定律和能量守恒定律 第四章 刚体的转动 第五章 静电场 第六章 静电场中的导体与电介质 第七章 恒定磁场 考试 第八章 电磁感应 电磁场 第九章 振动 第十章 波动 第十一章 光学 第十二章 气体动理论 第十三章 热力学基础 第十四章 相对论 第十五章 量子物理 总计 六、使用教材及参考资料
教材：《物理学》（国家级优秀教材一等奖，上、下两册，第五版，2006.3），马文蔚等编，高等教育出版社
参考资料：《物理学》（第四版），马文蔚等编，高等教育出版社 《大学物理学》张三慧主编，清华大学出版社 《普通物理学》程守洙 江之泳主编，高等教育出版社
七、其他补充说明及要求
1、本大纲根据教育部“高等工科院校大学物理课程教学基本要求”编制。
2、本课程要求在开课之前已学习并掌握高等数学中关于一元函数的微积分、矢量代数运算等基本知识。
3、在教学方法和手段上采用黑板授课和多媒体授课两种方式。
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4、根据学校的教学安排，实行考查和考试两种形式交叉的考试方法。
撰写人：
教研室主任： 盖章： 7
系、部（院）主任：
年 月 日
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