熱力學(xué)與統(tǒng)計物理教學(xué)大綱

1、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理教學(xué)大綱課程名稱：熱力學(xué)與統(tǒng)計物理英文名稱：Thermodynamics and statistic physics課程性質(zhì)：學(xué)科教育必修課課程編號：E121015所屬院部：光電工程學(xué)院周學(xué)時：3 學(xué)時總學(xué)時：45 學(xué)時學(xué) 分：3 學(xué)分教學(xué)對象(本課程適合的專業(yè)和年級) ：物理學(xué)專業(yè)(本科)2012 級學(xué)生預(yù)備知識：高等數(shù)學(xué)、概率統(tǒng)計、普物課程在教學(xué)計劃中的地位作用：熱力學(xué)·統(tǒng)計物理課是物理專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，與理論力學(xué)、量子力學(xué)、電動力學(xué)共同構(gòu)成物理專業(yè)重要的四門必修課，通常稱為物理專業(yè)的四大力學(xué)課。熱力學(xué)和統(tǒng)計物理的任務(wù)是研究熱運(yùn)動的規(guī)律，研究與熱運(yùn)動有關(guān)的物性

2、及宏觀物質(zhì)系統(tǒng)的演化。本課程的作用是使學(xué)生掌握熱力學(xué)與統(tǒng)計物理的基本原理和處理具體問題的一些重要方法，并初步具有用這些方法解決較簡單問題的能力。教學(xué)方法：以板書手段為主要形式的課堂教學(xué)。在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)精心組織教學(xué)內(nèi)容，注重發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)活動中的主體作用和教師的主導(dǎo)作用，注重采用多種教學(xué)形式提高課程教學(xué)質(zhì)量。注意在學(xué)習(xí)中調(diào)動學(xué)生積極性和創(chuàng)造性，注重各種教學(xué)方法的靈活應(yīng)用。教學(xué)目標(biāo)與要求：要求學(xué)生初步掌握與熱現(xiàn)象有關(guān)的物質(zhì)宏觀物理性質(zhì)的唯象理論和統(tǒng)計理論，并對二者的特點(diǎn)與聯(lián)系有一個較全面的認(rèn)識同時注重對學(xué)生邏輯思維能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生物理素養(yǎng)的生成和提高。課程教材： 汪志誠主編. 熱力學(xué)統(tǒng)計

3、物理（第四版） .北京：高等教育出版社，2010 年參考書目：1 蘇汝鏗主編. 統(tǒng)計物理學(xué). 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2004 年2 王竹溪主編. 熱力學(xué)簡程. 北京：高等教育出版社，19643 王竹溪主編. 統(tǒng)計物理學(xué)導(dǎo)論. 北京：高等教育出版社，1956考核形式：考核方式為考試。綜合成績根據(jù)平時成績和期末成績評定，平時成績不超過30，期末成績不少于 70%。編寫日期：2012 年 5 月制定課程內(nèi)容及學(xué)時分配（含教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)）：本課程內(nèi)容主要包括：熱力學(xué)的基本規(guī)律麥克斯韋關(guān)系及其應(yīng)用，氣體的節(jié)流膨脹與絕熱膨脹，基本熱力學(xué)函數(shù)，特性函數(shù)，平衡輻射熱力學(xué)，磁介質(zhì)熱力學(xué)等。熱動平衡判據(jù)，開放系的

4、熱力學(xué)基本方程，多元系的復(fù)相平衡和化學(xué)平衡,吉布斯相律熱力學(xué)第三定律,粒子和系統(tǒng)運(yùn)動狀態(tài)的經(jīng)典描述與量子描述，等幾率原理，分布與微觀狀態(tài)，三種統(tǒng)計分布熱力學(xué)量的統(tǒng)計表式，熱力學(xué)量的統(tǒng)計表式，理想氣體的物態(tài)方程，麥克斯韋速度分布律，能量均分定理，理想氣體的內(nèi)能,弱簡并玻色氣體和費(fèi)米氣體，光子氣體，*玻色-愛因斯坦凝聚，金屬自由電子氣, ,相空間，劉維爾定理，微正則分布及其熱力學(xué)公式，正則分布及其熱力學(xué)公式等。通過講課、練習(xí)和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生達(dá)到各章中所提的基本要求，最終使學(xué)生掌握熱力學(xué)與統(tǒng)計物理的基本理論和思想。教學(xué)時數(shù)具體分配：教 學(xué) 內(nèi) 容講授實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐合計第一章熱力學(xué)的基本規(guī)律44第二章均勻物

5、質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)66第三章單元系的相變66第四章多元系的復(fù)相平衡和化學(xué)平衡33第六章近獨(dú)立粒子的最概然分布66第七章波耳茲曼統(tǒng)計88第八章玻色統(tǒng)計和費(fèi)米統(tǒng)計88第九章系綜理論22復(fù)習(xí)22總計4545講授大綱與各章的基本要求：第一章 熱力學(xué)的基本規(guī)律本章介紹熱力學(xué)系統(tǒng)基本規(guī)律，屬復(fù)習(xí)章節(jié)教學(xué)內(nèi)容：1.掌握平衡態(tài)概念及其描述方法2.根據(jù)熱平衡定律建立溫度的嚴(yán)格概念，并掌握定量量度法3.簡單了解理想氣體溫標(biāo)4.物態(tài)方程的表達(dá)式，并會學(xué)應(yīng)用；5.熱力學(xué)第一定律、第二定律的內(nèi)容和數(shù)學(xué)表達(dá)式及其對應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)的意義及其應(yīng)用6.熱力學(xué)基本規(guī)律的統(tǒng)一方程熱力學(xué)基本方程的意義及應(yīng)用7.熱力學(xué)中的過程量功、熱量與

6、狀態(tài)量（熱力學(xué)函數(shù)內(nèi)能、焓、熵、自由能和吉布斯函數(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，并掌握其數(shù)學(xué)表達(dá)式教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1.物態(tài)方程的三個系數(shù)的定義式，應(yīng)用它們求解物態(tài)方程的方法2.熱力學(xué)第一定律、第二定律的內(nèi)容和數(shù)學(xué)表達(dá)式及其對應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)的意義及其應(yīng)用3.熱力學(xué)中的過程量功、熱量與狀態(tài)量（熱力學(xué)函數(shù)內(nèi)能、焓、熵、自由能和吉布斯函數(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式4.二元函數(shù)、偏導(dǎo)數(shù)循環(huán)關(guān)系、倒數(shù)關(guān)系及全微分性質(zhì)在熱力學(xué)中應(yīng)用考核要求：1.理解平衡態(tài)概念及其描述方法2.了解理想氣體溫標(biāo)3.掌握物態(tài)方程的表達(dá)式，并會學(xué)應(yīng)用4.掌握熱力學(xué)第一定律、第二定律的內(nèi)容和數(shù)學(xué)表達(dá)式及其對應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)的意義及其應(yīng)用5.理解熱力學(xué)

7、基本方程的意義及應(yīng)用6.了解熱力學(xué)中的過程量功、熱量與狀態(tài)量（熱力學(xué)函數(shù)內(nèi)能、焓、熵、自由能和吉布斯函數(shù)）數(shù)學(xué)表達(dá)式學(xué)時數(shù)：4 學(xué)時第二章 均勻物質(zhì)的熱力學(xué)特性本章掌握對均勻物質(zhì)系統(tǒng)熱力學(xué)特性的求解教學(xué)內(nèi)容：1.熱力學(xué)函數(shù)（U、H、F、G 等）的定義式、全微分表達(dá)式、偏導(dǎo)數(shù)公式及對應(yīng)麥?zhǔn)详P(guān)系，學(xué)會應(yīng)用表格的方法總結(jié)歸納2.幾個重要的輔助公式，如等容熱、等匋熱容的熵表達(dá)式，能態(tài)方程、焓態(tài)方程以及它們之間的關(guān)系3.用實(shí)驗(yàn)方法確定基本熱力學(xué)函數(shù)（物態(tài)方程、內(nèi)能 U，熵 S）的一般方法4.用理論方法確定熱力學(xué)函數(shù)的方法特性函數(shù)法5.上述兩種熱力學(xué)理論方法在實(shí)際中的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1.熱力學(xué)函數(shù)（U

8、、H、F、G 等）的定義式、全微分表達(dá)式、偏導(dǎo)數(shù)公式及對應(yīng)的麥?zhǔn)详P(guān)系，學(xué)會應(yīng)用表格的方法總結(jié)歸納；2.幾個重要的輔助公式，如等容熱容、等壓熱容的熵表達(dá)式，能態(tài)方程、焓態(tài)方程以及它們之間的關(guān)系；3.用實(shí)驗(yàn)方法確定基本熱力學(xué)函數(shù)（物態(tài)方程、內(nèi)能U，熵S）的一般方法；4.偏導(dǎo)數(shù)變換（麥?zhǔn)详P(guān)系）將不可測量（U、S、H、F、G）變換成可測量（T、 P、V、Cv、Cp），學(xué)會用全微分條件得出各熱力學(xué)量間的關(guān)系考核要求：1.理解熱力學(xué)函數(shù)（U、H、F、G 等）的定義式、全微分表達(dá)式、偏導(dǎo)數(shù)公式及對應(yīng)的麥?zhǔn)详P(guān)系2.掌握用實(shí)驗(yàn)方法和理論方法確定基本熱力學(xué)函數(shù)（物態(tài)方程、內(nèi)能 U，熵S）3.了解偏導(dǎo)數(shù)變換（麥?zhǔn)详P(guān)

9、系）將不可測量（U、S、H、F、G）變換成可測量（T、P、V、Cv、Cp），會用全微分條件得出各熱力學(xué)量間的關(guān)系教學(xué)時數(shù)：6 學(xué)時第三章 單元系的相變本章主要介紹單元系的平衡判據(jù)和相變概念基本要求：1.熱力學(xué)平衡判據(jù)的幾種形式，如熵判據(jù)、自由能判據(jù)和吉布斯函數(shù)判據(jù)等；閉系熱力學(xué)平衡條件的推導(dǎo)2.開系的熱力學(xué)基本方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并結(jié)合熵判據(jù)得出開系的熱力學(xué)平衡條件3.從氣-液-固相圖理解單元系的復(fù)相平衡條件及其性質(zhì)4.氣-液兩相轉(zhuǎn)變的過程及其臨界條件以及液滴的形成過程5.一級相變的特點(diǎn)和相變分類的方法；教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1.熱力學(xué)平衡判據(jù)的幾種形式，如熵判據(jù)、自由能判據(jù)和吉布斯函數(shù)判據(jù)等，學(xué)會用

10、最基本的熵判據(jù)形式得出熱力學(xué)平衡條件；2.從氣-液-固相圖理解單元系的復(fù)相平衡條件及其性質(zhì)；3.一級相變的特點(diǎn)和相變分類的方法；考核要求：1.理解并掌握熱力學(xué)平衡判據(jù)，用最基本的熵判據(jù)形式得出熱力學(xué)平衡條件2.了解一級相變的特點(diǎn)和相變分類教學(xué)時數(shù)：6 學(xué)時第四章 多元系的復(fù)相平衡和化學(xué)平衡本章主要介紹多元復(fù)相系的平衡條件和化學(xué)平衡條件以及熱力學(xué)第三定律教學(xué)內(nèi)容：1.多元系的熱力學(xué)函數(shù)和熱力學(xué)方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式；2.并掌握多元單相系的平衡條件和多元復(fù)相系的平衡條件；3.吉布斯相律及其應(yīng)用；4.混合氣體的性質(zhì)及其理想氣體的化學(xué)平衡條件；5.熱力學(xué)第三定律的內(nèi)容及其意義；教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1.多元系的熱

11、力學(xué)函數(shù)和熱力學(xué)方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式；2.吉布斯相律及其應(yīng)用；3.熱力學(xué)第三定律的意義及絕對熵的表達(dá)式考核要求：1.掌握多元系的熱力學(xué)函數(shù)和熱力學(xué)方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式2 掌握多元單相系的平衡條件和多元復(fù)相系的平衡條件3.掌握吉布斯相律及其應(yīng)用4.理解理想氣體的化學(xué)平衡條件5.了解熱力學(xué)第三定律教學(xué)時數(shù)：3 學(xué)時第六章 近獨(dú)立粒子的最概然分布本章主要介紹近獨(dú)立粒子的微觀狀態(tài)數(shù)和最概然分布教學(xué)內(nèi)容：1.經(jīng)典粒子的經(jīng)典描述和量子描述2.三種系統(tǒng)微觀狀態(tài)數(shù)的表達(dá)式的推導(dǎo)過程3.并掌握等概率原理的基本內(nèi)容及其由概率法得到三種分布的方法4.并牢記宏觀分布與微觀狀態(tài)數(shù)的區(qū)別于聯(lián)系5.玻爾茲曼、玻色分布和費(fèi)米分布的表

12、達(dá)式及其相互之間轉(zhuǎn)化的條件教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1.學(xué)會并掌握經(jīng)典與量子描述方法；2.理解等概率的內(nèi)容及其由概率法得到三種分布的方法；3.掌握三種分布的表達(dá)式及相互轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系；考核要求：1.理解并掌握三種系統(tǒng)微觀狀態(tài)數(shù)的求解2.掌握玻爾茲曼、玻色分布和費(fèi)米分布的表達(dá)式及其相互之間轉(zhuǎn)化教學(xué)時數(shù)：6 學(xué)時第七章 波爾茲曼統(tǒng)計本章主要介紹波爾茲曼系統(tǒng)統(tǒng)計表達(dá)式以及其應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容：1.熱力學(xué)量的統(tǒng)計表達(dá)式的推導(dǎo)過程2.配分函數(shù)在統(tǒng)計物理中作用及意義3.理想氣體配分函數(shù)，用配分函數(shù)推導(dǎo)理想氣體物態(tài)方程、速度分布律及能量均分定理，掌握相應(yīng)的解題方法4.會應(yīng)用理想氣體內(nèi)能和熱容量的表達(dá)式和熵的表達(dá)式解題5.固

13、體熱容量的愛因斯坦理論的內(nèi)容及其意義6.順磁性固體及負(fù)溫度狀態(tài)的簡單知識教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1.熱力學(xué)的統(tǒng)計表達(dá)式2.理想氣體物態(tài)方程的內(nèi)容3.固體熱容量的愛因斯坦理論的內(nèi)容及其意義4.順磁性固體、負(fù)溫度狀態(tài)的簡單知識5.并掌握配分函數(shù)在統(tǒng)計物理中作用及意義考核要求：1.掌握波爾茲曼系統(tǒng)熱力學(xué)量的統(tǒng)計表達(dá)式2.掌握麥克斯韋速度分布函數(shù)3.理解能量均分定理4.理解固體熱容量的愛因斯坦理論教學(xué)時數(shù)：8 學(xué)時第八章 玻色和費(fèi)米統(tǒng)計本章主要介紹玻色和費(fèi)米系統(tǒng)統(tǒng)計表達(dá)式以及相應(yīng)系統(tǒng)的特性教學(xué)內(nèi)容：1.熱力學(xué)量的統(tǒng)計表達(dá)式的推導(dǎo)過程2.并掌握巨配分函數(shù)在統(tǒng)計物理中作用及意義3.玻色愛因斯坦凝聚現(xiàn)象和它與氣液凝

14、聚的區(qū)別4.普朗克公式以及在不同頻率區(qū)相應(yīng)的兩種表示形式，了解光子氣體的能量密度5.利用平衡熱輻射過程推導(dǎo)熱輻射定律6.利用費(fèi)米統(tǒng)計的相關(guān)特點(diǎn)討論自由電子氣的其它性質(zhì)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1.黑體輻射，光子氣體的特性2.普朗克公式，光子氣體的能量密度3.T=0K 時金屬中自由電子氣有關(guān)熱力學(xué)量的計算4.費(fèi)米能級的概念考核要點(diǎn)：1.掌握熱力學(xué)量的統(tǒng)計表達(dá)式的推導(dǎo)過程2.了解玻色愛因斯坦凝聚現(xiàn)象和它與氣液凝聚的區(qū)別3.理解光子氣體的能量密度4.掌握平衡熱輻射過程推導(dǎo)熱輻射定律5.了解自由電子氣的其它性質(zhì)教學(xué)時數(shù)：8 學(xué)時第九章 系綜理論本章主要介紹正則、微正則、巨正則分布在熱力學(xué)中的應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容：1.微正則分布的經(jīng)典表達(dá)式、量子表達(dá)式和半經(jīng)典表達(dá)式2.正則分布的推導(dǎo)過程及其物理意義和適用條件3.正則分布的熱力學(xué)公式及簡單應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：1.相空間及劉維爾定理內(nèi)容2.正則分布、微正則分布、巨正則分布的區(qū)別于聯(lián)系3.三種分布在熱力學(xué)中的應(yīng)用考核要求：1.掌握相空間及劉維爾定理2.理解正則分布、微正則分布、巨正則分布在熱力學(xué)中的應(yīng)用教學(xué)時數(shù)：2 學(xué)時補(bǔ)充說明：本課程前五章介紹了熱力學(xué)