《普通物理二》課程教學(xué)大綱

《普通物理二》課程教學(xué)大綱課程編號：0612052課程總學(xué)時(shí)/學(xué)分：45學(xué)時(shí)/2.5學(xué)分（其中理論45學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)0學(xué)時(shí)）課程類別：學(xué)科基礎(chǔ)與專業(yè)必修課一、教學(xué)目的和任務(wù)《普通物理（二）》即《熱學(xué)》是繼力學(xué)之后的一門重要的物理基礎(chǔ)課程。它是研究熱現(xiàn)象規(guī)律的科學(xué)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生系統(tǒng)掌握熱運(yùn)動(dòng)的宏觀理論和微觀理論及研究方法。提高應(yīng)用熱學(xué)知識分析問題，解決問題的能力，為學(xué)習(xí)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過本課程內(nèi)容和研究方法的教學(xué)，有目的地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和樹立辯證唯物主義世界觀，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。二、教學(xué)基本要求普通物理（二）是以由大量微觀粒子（分子、原子）所組成的宏觀物質(zhì)內(nèi)的熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其對物質(zhì)宏觀熱性質(zhì)的影響為研究對象，研究熱現(xiàn)象規(guī)律的學(xué)科。既有從微觀入手的解決問題的部分又有從宏觀規(guī)律入手研究問題的部分，因此它的研究方法與之前所學(xué)的力學(xué)有一定的區(qū)別?？紤]到本課程的特點(diǎn)以及學(xué)習(xí)者的特點(diǎn)，對本課程的教學(xué)要求有以下建議：（1）鑒于本課程是物理學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在教材內(nèi)容的選取上既要考慮中學(xué)物理教學(xué)的需要，又要注意與后繼課程和平行課間的分工和銜接。并適應(yīng)當(dāng)今科學(xué)進(jìn)步的新趨勢，適當(dāng)調(diào)整基礎(chǔ)課和理論課程的內(nèi)容，例如介紹熱現(xiàn)象的宏觀理論時(shí)，既應(yīng)著重介紹熱力學(xué)的基本概念及規(guī)律，又應(yīng)將熱力學(xué)第二定律有關(guān)熵和熵增原理的知識從理論物理課程中提上來加以解決。以使理論物理課程充實(shí)更新的知識。又如有關(guān)物質(zhì)熱膨脹的課題，在普通物理實(shí)驗(yàn)中已列入大綱，本課程就不再重復(fù)。在介紹熱現(xiàn)象的微觀理論時(shí)，從中學(xué)物理教學(xué)的需要出發(fā)只討論分子運(yùn)動(dòng)理論部分面不涉及更多的統(tǒng)計(jì)物理的內(nèi)容。（2）本課程是學(xué)習(xí)非機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的第一門課程，因此要強(qiáng)調(diào)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式的多樣性與各種規(guī)律及其研究方法的特殊性。在學(xué)習(xí)氣體分子動(dòng)理論時(shí)要特別強(qiáng)調(diào)由大量分子構(gòu)成的系統(tǒng)所遵從的統(tǒng)計(jì)規(guī)律的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力?？朔W(xué)生由于學(xué)習(xí)經(jīng)典力學(xué)容易產(chǎn)生的機(jī)械唯物論的思想傾向，同時(shí)要在教材中始終貫徹理論來自實(shí)踐又高于實(shí)踐，通過實(shí)踐反復(fù)檢驗(yàn)理論并發(fā)展理論的思想。（3）為了培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，本課程應(yīng)有足夠的必需的例題與適量的習(xí)題和思考題，引導(dǎo)學(xué)生深刻鉆研物理概念，牢固掌握知識體系。選習(xí)題和思考題要避免過量過難。三、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配（黑體小四號，段前段后為自動(dòng)）第一章溫度和基本熱現(xiàn)象（4+1學(xué)時(shí)）第一節(jié)平衡態(tài)，狀態(tài)參量第二節(jié)溫度和溫標(biāo)，幾種常用的溫度計(jì)第三節(jié)物態(tài)方程，理想氣體狀態(tài)方程教學(xué)要求：（1）簡要介紹熱學(xué)的研究對象和研究方法及熱學(xué)在近代科學(xué)技術(shù)和生活上的應(yīng)用。指出熱運(yùn)動(dòng)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的區(qū)別，介紹熱力學(xué)系統(tǒng)的宏觀描述和微觀描述。（2）扼要介紹熱學(xué)發(fā)展簡史，說明生產(chǎn)力的發(fā)展與熱學(xué)發(fā)展之間的關(guān)系。（3）闡明平衡態(tài)的概念，指出熱力學(xué)平衡與力學(xué)平衡的區(qū)別和聯(lián)系。（4）從熱力學(xué)第零定律引入溫度的概念。著重介紹理想氣體溫標(biāo)。指出經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)對測溫物質(zhì)及其物理屬性的依賴性。簡要介紹熱力學(xué)溫標(biāo)和理想氣體溫標(biāo)的一致性。（5）復(fù)習(xí)氣體實(shí)驗(yàn)定律，引入理想氣體概念，推求理想氣體狀態(tài)方程，并應(yīng)用此方程解決有關(guān)問題，注重用高等數(shù)學(xué)知識解題。教學(xué)重點(diǎn)：平衡態(tài)、溫度、溫標(biāo)三個(gè)概念的建立，以及理想氣體物態(tài)方程的推導(dǎo)。教學(xué)難點(diǎn)：溫度概念及溫標(biāo)的建立。第二章氣體分子動(dòng)理論的基本概念（4學(xué)時(shí)）第一節(jié)物質(zhì)的微觀模型第二節(jié)理想氣體的壓強(qiáng)第三節(jié)溫度的微觀解釋第四節(jié)分子力第五節(jié)范德瓦爾斯氣體的壓強(qiáng)教學(xué)要求：（1）說明分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)，闡明物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。介紹分子間相互作用一般規(guī)律的分子力圖線和勢能圖線，指出常用的兩種簡化模型。（2）從微觀觀點(diǎn)闡明氣體壓強(qiáng)的起因，導(dǎo)出理想氣體壓強(qiáng)公式，解釋壓強(qiáng)和溫度的統(tǒng)計(jì)意義。（3）以理想氣體物體方程為基礎(chǔ)考慮到理想氣體與實(shí)際氣體的區(qū)別推導(dǎo)范德瓦爾斯氣體的壓強(qiáng)。教學(xué)重點(diǎn)：對物質(zhì)微觀模型的認(rèn)識以及理想氣體壓強(qiáng)公式的推導(dǎo)。教學(xué)難點(diǎn)：從微觀角度入手解決問題的方法。第三章氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率和能量的統(tǒng)計(jì)分布律（6學(xué)時(shí)）第一節(jié)氣體分子的速率分布律第二節(jié)用分子射線實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證麥克斯韋速度分布律第三節(jié)玻爾茲曼分布律，重力場中微粒按高度的分布第四節(jié)能量按自由度均分定理教學(xué)要求：（1）介紹測定速率分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引入分布函數(shù)的概念。（2）介紹麥克斯韋速率分布律，介紹并推導(dǎo)三種速率，介紹測定速率分布實(shí)驗(yàn)原理。驗(yàn)證麥克斯韋分布律的正確性。說明速率分布定律的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，指出統(tǒng)計(jì)規(guī)律與力學(xué)規(guī)律的區(qū)別。（3）介紹自由度的概念和能量按自由度均分定理。說明氣體內(nèi)能的微觀意義，導(dǎo)出理想氣體內(nèi)能的計(jì)算公式，并通過雙原子分子氣體熱容量的討論指出經(jīng)典理論的缺陷。教學(xué)重點(diǎn)：麥克斯韋速率分布規(guī)律，能量按自由度均分定理。教學(xué)難點(diǎn)：對麥克斯韋速率分布規(guī)律和能量按自由度均分定理的正確應(yīng)用。第四章氣體內(nèi)的輸運(yùn)過程（4學(xué)時(shí)）第一節(jié)氣體分子的平均自由程第二節(jié)輸運(yùn)過程的宏觀規(guī)律第三節(jié)輸運(yùn)過程的微觀解釋教學(xué)要求：（1）運(yùn)用分子剛球模型介紹分子碰撞頻率及平均自由程公式。（2）介紹氣體擴(kuò)散，粘滯和熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的宏觀規(guī)律。（3）以粘滯現(xiàn)象的微觀解釋為重點(diǎn)，說明微觀解釋和推導(dǎo)輸運(yùn)過程宏觀規(guī)律的方法。（4）導(dǎo)出三種遷移系數(shù)與微觀量之間的關(guān)系，并將理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較從而指出理論的正確性和近似性。教學(xué)重點(diǎn)：氣體分子的平均自由程及碰撞頻率概念建立及運(yùn)用，輸運(yùn)過程的微觀解釋。教學(xué)難點(diǎn)：三種輸運(yùn)系數(shù)的推導(dǎo)。第五章熱力學(xué)第一定律（12+2學(xué)時(shí)）第一節(jié)熱力學(xué)過程第二節(jié)功第三節(jié)熱量第四節(jié)熱力學(xué)第一定律第五節(jié)熱容焓第六節(jié)氣體的內(nèi)能焦耳—湯姆孫實(shí)驗(yàn)第七節(jié)熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用第八節(jié)循環(huán)過程和卡諾循環(huán)教學(xué)要求：（1）闡明功、熱量和內(nèi)能三個(gè)概念的含義及三者的區(qū)別。（2）扼要介紹熱傳遞的三種方式，使學(xué)生了解黑體輻射和布朗克理論。（3）使學(xué)生掌握熱力學(xué)第一定律的意義及其數(shù)學(xué)表達(dá)式，指出第一類永動(dòng)機(jī)不可能造成。（4）闡明準(zhǔn)靜態(tài)過程的概念，介紹計(jì)算準(zhǔn)靜態(tài)過程功的公式及功的圖線表示法。（5）闡明熱容、比熱容、摩爾熱容及焓的概念。（6）通過熱力學(xué)第一定律對理想氣體的等容、等壓、等溫和絕熱四個(gè)過程的應(yīng)用，使學(xué)生掌握應(yīng)用熱力學(xué)第一定律分析熱力學(xué)過程的基本方法，介紹多方過程。（7）介紹循環(huán)過程的一般概念和正循環(huán)的熱機(jī)效率及遵循的致冷系數(shù)的定義式，著重分析卡諾循環(huán)并推導(dǎo)理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)過程的卡諾循環(huán)效率公式。（8）簡單介紹四沖程內(nèi)燃機(jī)的工作原理，計(jì)算奧托循環(huán)與狄塞爾循環(huán)的效率。簡單介紹普通致冷機(jī)的工作原理。教學(xué)重點(diǎn)：熱力學(xué)第一定律及其對理想氣體的應(yīng)用，循環(huán)過程。教學(xué)難點(diǎn)：熱力學(xué)第一定律對理想氣體的應(yīng)用。第六章熱力學(xué)第二定律（10+2學(xué)時(shí)）第一節(jié)熱力學(xué)第二定律第二節(jié)熱現(xiàn)象過程的不可逆性第三節(jié)熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義第四節(jié)卡諾定理第五節(jié)熱力學(xué)溫標(biāo)第六節(jié)應(yīng)用卡諾定理的例子第七節(jié)熵第八節(jié)熵增原理第九節(jié)熵與熱力學(xué)概率本章教學(xué)要求：（1）闡明熱力學(xué)第二定律的開爾文表述和克勞修斯表述，論證兩種表述的一致性，給出第二類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。（2）介紹可逆過程、不可逆過程的概念，通過摩擦生熱、熱傳導(dǎo)、氣體自由膨脹的實(shí)例指出與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過程的不可逆性，從而指出熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是自然過程都是沿著有序到無序，從非平衡態(tài)到平衡態(tài)的方向發(fā)展。（3）介紹卡諾定理，并根據(jù)熱力學(xué)第一、二定律加以證明。指出卡諾定理對提高熱機(jī)效率的指導(dǎo)意義，提高學(xué)生節(jié)能增效的意識。（4）介紹熱力學(xué)溫標(biāo)，突出其不依賴于任何物質(zhì)，指出熱力學(xué)溫標(biāo)是國際上規(guī)定基本溫標(biāo)并且它在一定范圍內(nèi)與理想氣體溫標(biāo)是一致的。（5）由克勞修斯等式引出態(tài)函數(shù)熵，介紹熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，由克勞修斯不等式推證熵增原理，指出熵增原理的應(yīng)用條件及特殊意義。（6）通過氣體自由膨脹微觀過程的分析，闡明熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義，指出熱力學(xué)第二定律的適用范圍，批判熱寂說。教學(xué)重點(diǎn)：熱力學(xué)第二定律、卡諾定理、熵及熵增加原理。教學(xué)難點(diǎn)：熵及熵增加原理及其應(yīng)用。四、推薦教材及參考書目（黑體小四號，段前段后為自動(dòng)）推薦教材：1．李椿，章立源，錢尚武編.《熱學(xué)》.高等教育出版社，19792．黃淑清，聶宜如，申先甲編.《熱學(xué)教程》.高等教育出版社，19903．秦允豪編.《熱學(xué)》.高等教育出版社，2002參考書目：1．趙凱華，羅蔚茵編.《新概念物理教程·第二卷·熱學(xué)》.高等教育出版社，19982．吳瑞賢等編.《熱學(xué)教程》.四川大學(xué)出版社，19863．顧建中編.《熱學(xué)教程》.人民教育出版社，19824．常樹人.《熱學(xué)》.南開大學(xué)出版社2001年7月5．福