《普通物理一》課程教學(xué)大綱

《普通物理一》課程教學(xué)大綱課程編號：0612051課程總學(xué)時/學(xué)分：64/3.5（其中理論64學(xué)時，實驗0學(xué)時）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)本課程是四年制本科院校物理專業(yè)必修的重要基礎(chǔ)課程。通過本課程的教學(xué)，應(yīng)達到下列目標：(1)使學(xué)生比較系統(tǒng)地掌握力學(xué)基礎(chǔ)知識并能比較靈活地加以運用，且為后繼專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)及進一步獲取有關(guān)知識奠定必要的物理基礎(chǔ)。(2)使學(xué)生了解物理學(xué)的研究方法，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。(3)使學(xué)生掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，真正達到從學(xué)會到會學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生有較強的獨立思考能力和創(chuàng)造能力，較快進入科學(xué)發(fā)展的前沿。（4）使學(xué)生比較深刻的理解中學(xué)物理力學(xué)教材，并能獨立解決今后在工作中遇到的一般力學(xué)問題。(5)培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。二、教學(xué)基本要求教學(xué)要求：在教學(xué)過程中，要著眼于物理學(xué)整體教學(xué)，注意用現(xiàn)代的觀點審視、選擇和組織好傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容，要適當?shù)臑槲锢韺W(xué)的前沿打開窗口和安裝接口，開闊學(xué)生的眼界、啟迪并激發(fā)學(xué)生的探索和創(chuàng)新精神，更深層次地提升其科學(xué)素質(zhì)。使學(xué)生了解人類文明發(fā)展的現(xiàn)狀是人才素質(zhì)培養(yǎng)的一個重要方面。教學(xué)重點：質(zhì)點運動學(xué)規(guī)律，描述運動的各物理量之間的關(guān)系；質(zhì)點動力學(xué)規(guī)律，牛頓三定律、動量定理及動量守恒定律的正確應(yīng)用；質(zhì)點系動力學(xué)規(guī)律，質(zhì)心運動定理，動量定理及動量守恒定律的應(yīng)用，功和能的關(guān)系，動能定理、功能原理、機械能守恒定律的應(yīng)用；角動量的概念，對參考點和對轉(zhuǎn)軸的角動量及力矩的計算，角動量定理及角動量守恒定律的應(yīng)用；開普勒三定律，萬有引力定律，三個宇宙速度；剛體的運動學(xué)描述方法，剛體的動量定理、質(zhì)心運動定理，，剛體定軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量，動力學(xué)規(guī)律（轉(zhuǎn)動定理，角動量定理及守恒定律，動能定理，機械能守恒定律等），剛體平面運動的動力學(xué)，剛體的平衡；描述簡諧振動的物理量之間的關(guān)系，簡諧振動的判定方法（動力學(xué)方程），簡諧振動的運動學(xué)方程，旋轉(zhuǎn)矢量法，簡諧振動的合成規(guī)律；波的形成，平面簡諧波方程，波的能量特點，駐波；伯努利方程。與教學(xué)計劃中前后課程的聯(lián)系：本課程是物理學(xué)專業(yè)第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，需要用到高等數(shù)學(xué)知識。本課程還是后續(xù)專業(yè)課，如電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、理論力學(xué)等的基礎(chǔ)。教學(xué)方法：本課程采用課堂理論講授為主、精講多練，并且安排一定數(shù)量的習(xí)題課教會學(xué)生如何利用所學(xué)知識來解題。在各章中均可安排一定內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，對要求自學(xué)的內(nèi)容布置思考題或討論題提高學(xué)生思考問題和解決問題的能力。在剛體、振動、波動等章節(jié)中應(yīng)安排一定的演示實驗并輔以多媒體教學(xué)相結(jié)合的多種教學(xué)手段開展教學(xué)。要求學(xué)生養(yǎng)成課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的好習(xí)慣。獨立、認真、按時完成作業(yè)。課堂上積極思考并參加討論。注重掌握基本概念、基本規(guī)律，加強物理學(xué)基本方法及基本技能的訓(xùn)練。作為高校第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，在教學(xué)過程中要注意自學(xué)能力、動手實踐本領(lǐng)的培養(yǎng)。三、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配第一章物理學(xué)和力學(xué)（2學(xué)時）第一節(jié)發(fā)展著的物理學(xué)第二節(jié)物理學(xué)科的特點第三節(jié)時間和長度的計量第四節(jié)單位制和量綱第五節(jié)數(shù)量級估計第六節(jié)參考系﹒坐標系與時間坐標軸第七節(jié)力學(xué)——學(xué)習(xí)物理學(xué)的開始教學(xué)要求：（1）使學(xué)生明確物理學(xué)的研究對象及其內(nèi)容分類。明確力學(xué)的研究內(nèi)容及它在物理學(xué)中的地位。（2）明確物理學(xué)與其他科學(xué)技術(shù)的關(guān)系及在現(xiàn)代化建設(shè)和科學(xué)研究過程中的地位和作用。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，鞏固學(xué)生的專業(yè)思想。（3）了解大學(xué)物理學(xué)的學(xué)習(xí)方法。（4）掌握時間和空間的測量方法及標準。明確單位制、量綱的重要性。教學(xué)重點：本課程的發(fā)展概況、內(nèi)容、任務(wù)、學(xué)習(xí)方法及在物理學(xué)及整個科學(xué)發(fā)展過程中所起的作用；時間與空間的計量；單位制與量綱。教學(xué)難點：量綱的計算。第二章質(zhì)點運動學(xué)（10學(xué)時）數(shù)學(xué)知識：微積分初步、矢量第一節(jié)質(zhì)點的運動學(xué)方程、位置矢量、位移第二節(jié)瞬時速度矢量與瞬時加速度矢量第三節(jié)質(zhì)點直線運動——從坐標到速度和加速度第四節(jié)質(zhì)點直線運動——從加速度到速度和坐標第五節(jié)平面直角坐標系·拋體運動第六節(jié)自然坐標·切向和法向加速度第七節(jié)極坐標系、徑向速度與橫向速度第八節(jié)伽利略變換教學(xué)要求:（1）掌握微積分初步和矢量的基本概念和運算方法。（2）理解參照系的概念，理解引入時空坐標的必要性并能恰當?shù)剡x擇坐標系。正確理解質(zhì)點這一理想模型。（3）能夠正確理解位置坐標和位置矢量、運動學(xué)方程、位移和路程、速度和速率的基本概念，突出標量性和矢量性間的區(qū)別。（4）深刻理解速度和加速度的瞬時性，矢量性和相對性。并且能夠運用簡單的微積分方法研究直線運動。學(xué)會從直線運動的速度圖線和位移圖線計算各種直線運動的位移、速度及加速度。（5）能夠利用平面直角坐標系和自然坐標系研究質(zhì)點的平面運動，理解和掌握法向和切向加速度的概念，能夠處理拋體運動、圓周運動等二維運動問題。（6）理解位矢、速度、加速度的矢量性、瞬時性和相對性，掌握經(jīng)典速度合成公式并會運用。學(xué)會從直線運動的速度圖線和位移圖線計算各種直線運動的位移、速度及加速度。（7）理解相對速度的概念，并能運用于解決相對運動的速度問題。教學(xué)重點：質(zhì)點的運動方程，兩類運動學(xué)問題；三種坐標系；伽利略變換。教學(xué)難點：自然坐標系，極坐標系的應(yīng)用。第三章動量·牛頓運動定律·動量守恒定律（8學(xué)時）第一節(jié)牛頓第一定律和慣性參考系第二節(jié)慣性質(zhì)量和動量第三節(jié)主動力和被動力第四節(jié)牛頓運動定律的應(yīng)用第五節(jié)非慣性系中的動力學(xué)第六節(jié)用沖量表述的動量定理第七節(jié)質(zhì)點系動量定理和質(zhì)心運動定理第八節(jié)動量守恒定律教學(xué)要求：（1）講授中對動量定理的普遍意義和突出作用應(yīng)進行適當?shù)慕榻B。討論牛頓運動定律的建立過程，使學(xué)生對定律的實質(zhì)有所認識。（2）牢固掌握第一定律的確切表述和由該定律提出的幾個概念：①力的定性定義；②慣性的定義；③慣性參照系的概念。（3）全面準確地掌握牛頓第二定律的語言表述和數(shù)學(xué)形式。真正理解力與加速度的矢量性和瞬時關(guān)系。理解“力的獨立性原理”的內(nèi)容。（4）牢固掌握第三定律的表述和數(shù)學(xué)形式。（5）掌握重力、彈性力、摩擦力等主動力和被動力的概念和基本規(guī)律，并能熟練地運用牛頓運動定律求解質(zhì)點的動力學(xué)問題。（6）要求理解力學(xué)的相對性原理的內(nèi)容及其在經(jīng)典力學(xué)中的重要含義。（7）對非慣性系僅限于介紹直線加速和勻角速轉(zhuǎn)動的情況，掌握在非慣性系中運用慣性力求解問題的方法。科里奧利力不做要求。（8）深入理解質(zhì)點的動量、力的沖量概念，質(zhì)點和質(zhì)點系的動量定理和質(zhì)心運動定理，以及動量守恒定律及其應(yīng)用條件。教學(xué)重點：牛頓運動定律，非慣性系中的動力學(xué)問題，動量定理，質(zhì)心運動定理，動量守恒定律。教學(xué)難點：非慣性力的分析，質(zhì)心運動定理的應(yīng)用。第四章動能和勢能（7學(xué)時）第一節(jié)能量第二節(jié)功的概念、功的計算第三節(jié)質(zhì)點和質(zhì)點系動能定理第四節(jié)保守力與非保守力·勢能第五節(jié)功能原理和機械能守恒定律第六節(jié)對心碰撞第七節(jié)非對心碰撞第八節(jié)質(zhì)心參考系的運用·粒子的對撞教學(xué)要求：（1）確切理解力作功的定義。在學(xué)會變力的元功的基礎(chǔ)上掌握變力作功的基本方法。（2）確切掌握質(zhì)點動能定義，熟悉質(zhì)點和質(zhì)點系動能定理的推導(dǎo)過程，運用定理求解力學(xué)問題。（3）深刻認識功能關(guān)系，強調(diào)功是能量轉(zhuǎn)換或變化的量度。（4）能區(qū)分保守力和非保守力，掌握勢能的概念，會熟練計算重力勢能和彈性勢能。（5）正確掌握質(zhì)點系的功能原理與機械能守恒定律，并能運用它們解決動力學(xué)的問題。（6）能綜合運用動量和動能概念研究碰撞等力學(xué)問題。教學(xué)重點：變力做功的計算，動能定理，保守力做功的特點，勢能的定義和計算，功能原理，機械能守恒定律，碰撞問題的處理方法。教學(xué)難點：變力做功的計算，勢能的計算，非對心碰撞問題，柯尼希定理。第五章角動量·關(guān)于對稱性（5學(xué)時）第一節(jié)質(zhì)點的角動量第二節(jié)質(zhì)點系的角動量定理及角動量守恒定律第三節(jié)質(zhì)點系對質(zhì)心的角動量定理和守恒定律第四節(jié)對稱性、守恒律（選學(xué)）第五節(jié)經(jīng)典動力學(xué)的適用范圍教學(xué)要求：（1）理解力對某參考點的矩的定義，牢固掌握力對某軸的矩的概念。了解力對點和力對軸的矩之間的關(guān)系。（2）理解質(zhì)點對某點的角動量概念和角動量定理及其守恒定律的內(nèi)容、數(shù)學(xué)表述，并能推導(dǎo)上述公式。（3）掌握質(zhì)點對軸的角動量定理及其守恒定律的內(nèi)容和數(shù)學(xué)表述，學(xué)會運用該定理和定律解決質(zhì)點對繞某點某軸運動的問題。（4）掌握質(zhì)點系對點對軸的角動量定理及其守恒定律的內(nèi)容和數(shù)學(xué)表述。（要求重點掌握對軸的規(guī)律）。（5）介紹能量、動量和角動量守恒定律與時空對稱性的關(guān)系。（6）明確經(jīng)典動力學(xué)的適用范圍。教學(xué)重點：角動量的概念，角動量定理及守恒定律的應(yīng)用。教學(xué)難點：角動量和力矩的概念，角動量定理及守恒定律的應(yīng)用。第六章萬有引力定律（3學(xué)時）第一節(jié)開普勒定律第二節(jié)萬有引力定律·引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量第三節(jié)引力勢能第四節(jié)潮汐（選學(xué)）教學(xué)要求：（1）了解和掌握開普勒三定律在天文學(xué)中的重要作用和具體內(nèi)容。（2）介紹萬有引力定律的建立過程和其重要地位。（3）掌握由萬有引力的功確定引力勢能的方法。（4）能推導(dǎo)第一、第二宇宙速度，了解三種宇宙速度的意義。（5）明確重力與萬有引力之間的聯(lián)系和區(qū)別，明確地球自轉(zhuǎn)對重量的影響。教學(xué)重點：開普勒定律，萬有引力定律，三個宇宙速度的計算，地球自轉(zhuǎn)對重量的影響。教學(xué)難點：萬有引力定律的推導(dǎo)，第二、三宇宙速度的計算。第七章剛體力學(xué)（10學(xué)時）第一節(jié)剛體運動的描述第二節(jié)剛體的動量和質(zhì)心運動定理第三節(jié)剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量·轉(zhuǎn)動慣量第四節(jié)剛體定軸轉(zhuǎn)動的動能定理第五節(jié)剛體平面運動的動力學(xué)第六節(jié)剛體的平衡第七節(jié)自轉(zhuǎn)與旋進（選學(xué)）教學(xué)要求：（1）理解剛體模型的特征。掌握剛體力學(xué)中的主要概念和規(guī)律。（2）區(qū)別剛體繞定軸轉(zhuǎn)動和平動的定義。牢固掌握剛體定軸轉(zhuǎn)動的運動學(xué)方程、角位移、角速度和角加速度的定義及其數(shù)學(xué)表式。熟練掌握定軸轉(zhuǎn)動剛體的角量與其上一點的線量之間的關(guān)系，并要求能夠運用角位移、角速度概念、勻變角速運動公式及角量線量關(guān)系處理剛體定軸轉(zhuǎn)動運動學(xué)問題。（3）明確質(zhì)心和重心的區(qū)別和聯(lián)系，要求用簡單的積分法求剛體的質(zhì)心。掌握質(zhì)心運動定理并能正確應(yīng)用。（4）掌握剛體對某定軸轉(zhuǎn)動慣量的定義，要求能用積分法求對稱剛體對軸的轉(zhuǎn)動慣量和熟練地應(yīng)用轉(zhuǎn)動慣量的可加性、平行軸定理和垂直軸定理求轉(zhuǎn)動慣量。并著重指出計算剛體轉(zhuǎn)動慣量與質(zhì)心的區(qū)別。（5）著重掌握剛體定軸轉(zhuǎn)動定理的內(nèi)容和數(shù)學(xué)表式；要求能聯(lián)合運用剛體定軸轉(zhuǎn)動定理以及牛頓定律和質(zhì)心運動定理解決涉及剛體定軸轉(zhuǎn)動的動力學(xué)問題。（6）牢固掌握繞定軸轉(zhuǎn)動剛體的動能和重力勢能的概念。明確力矩的功實際上是力的功的具體體現(xiàn)。較熟練地運用剛體定軸轉(zhuǎn)動的動能定理和機械能守恒定律解題。（7）對角動量只要求掌握對軸的角動量定理和角動量守恒定律。掌握力矩對軸的沖量矩概念，理解質(zhì)點和定軸轉(zhuǎn)動剛體組成的物體系對轉(zhuǎn)軸的角動量，并掌握該體系所滿足的角動量定理以及守恒定律，能應(yīng)用以上規(guī)律列出的方程求解問題。（8）明確作用在剛體上的力是滑移矢量，了解力偶矩與力矩的區(qū)別和聯(lián)系，掌握平面力系的簡化方法，牢固掌握并熟練運用剛體的平衡方程。明確剛體所受的力是滑移矢量，介紹力偶概念，掌握幾種類型的剛體平衡方程。（9）對剛體的平面平行運動僅討論圓柱體的純滾動。對滾動摩擦力偶矩只作簡單介紹。掌握剛體平面運動的基本運動學(xué)方程，能求解簡單的剛體平面運動動力學(xué)問題。（10）了解自轉(zhuǎn)與旋進，了解回轉(zhuǎn)儀的應(yīng)用。教學(xué)重點：剛體的定軸轉(zhuǎn)動的運動學(xué)和動力學(xué)規(guī)律，轉(zhuǎn)動慣量的計算，平面運動的動力學(xué)方程，剛體的平衡條件。教學(xué)難點：剛體定軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動定理，轉(zhuǎn)動慣量的計算，綜合應(yīng)用轉(zhuǎn)動定理、質(zhì)心運動定理、牛頓定律解決動力學(xué)問題的方法，平面運動的動力學(xué)，剛體的平衡條件。第八章彈性體的應(yīng)力和應(yīng)變（2學(xué)時）第一節(jié)彈性體的拉伸和壓縮第二節(jié)彈性體的剪切形變第三節(jié)彎曲和扭轉(zhuǎn)（選學(xué)）教學(xué)要求：（1）了解桿內(nèi)正應(yīng)力的定義和數(shù)學(xué)表述及拉伸壓縮的胡克定律，理解楊氏模量的物理意義和胡克定律的適用條件。（2）介紹固體拉伸壓縮形變勢能和勢能密度公式。（3）理解剪切應(yīng)力和剪切形變和胡克定律的內(nèi)容和數(shù)學(xué)表示式，理解剪切模量的概念。（4）了解梁的彎曲和桿的扭轉(zhuǎn)的基本知識。教學(xué)重點：應(yīng)力和應(yīng)變的概念，胡克定律，楊氏模量的定義。教學(xué)難點：楊氏模量的物理意義。第九章振動（6學(xué)時）第一節(jié)簡諧振動的動力學(xué)特征第二節(jié)簡諧振動的運動學(xué)第三節(jié)簡諧振動的能量轉(zhuǎn)換第四節(jié)簡諧振動的合成第五節(jié)振動的分解第六節(jié)阻尼振動（選學(xué)）第七節(jié)受迫振動（選學(xué)）第八節(jié)混沌行為（選學(xué)）第九節(jié)參數(shù)振動·自激振動（選學(xué)）教學(xué)要求：（1）牢固掌握簡諧振動的動力學(xué)特征，深刻理解振幅、圓頻率、位相差等概念，并能熟練地運用動力學(xué)方程、線性回復(fù)力（力矩)來判斷系統(tǒng)是否作簡諧振動。（2）熟練掌握用簡諧振動運動學(xué)方程、圖線表示法和矢量表示法來描述簡諧振動。學(xué)會確定系統(tǒng)的固有圓頻率、振幅和初相位。熟練確定振動系統(tǒng)的運動狀態(tài)與相位間的關(guān)系。根據(jù)已知條件正確寫出作簡諧振動系統(tǒng)的運動學(xué)方程，畫出圖線，定出旋轉(zhuǎn)矢量的位置。（3）能夠推導(dǎo)簡諧振動的動能、勢能及總機械能的表達式，從而認識簡諧振動的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系。（4）簡諧振動的合成主要重點放在講授同方向同頻率的兩個振動的合成，介紹“拍”現(xiàn)象及產(chǎn)生條件。介紹相互垂直同頻率兩簡諧振動的合成方法，對李薩如圖形進行適當?shù)挠懻?。?）簡單介紹振動的分解。（6）阻尼振動和受迫振動以定性討論為主，對共振現(xiàn)象應(yīng)予足夠的重視。（7）對參數(shù)振動、自激振動及混沌行為只作簡單介紹。教學(xué)重點：簡諧振動的動力學(xué)特征、判定方法，簡諧振動運動學(xué)方程的確定，旋轉(zhuǎn)矢量圖法，簡諧振動的能量特點，簡諧振動的合成。教學(xué)難點：旋轉(zhuǎn)矢量圖，振幅和初相位的確定，拍現(xiàn)象“拍頻”的確定方法。第十章波動和聲（7學(xué)時）第一節(jié)波的基本概念第二節(jié)平面簡諧波方程第三節(jié)波動方程與波速第四節(jié)平均能流密度·聲強與聲壓第五節(jié)波的疊加和干涉·駐波第六節(jié)多普勒效應(yīng)教學(xué)要求：（1）理解振動與波動的區(qū)別和聯(lián)系。正確理解波是振動狀態(tài)的傳播，明確形成機械波的條件，了解波的分類。建立波面、波前及波射線的概念。（2）牢固掌握平面簡諧波方程，熟練地進行有關(guān)計算。（3）掌握波的干涉，明確駐波與行波的區(qū)別。（4）對聲波只作一般介紹，以弦及氣體柱振動為例來討論聲源，對超聲波只作簡單介紹。（5）理解多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因，掌握其公式并會運用。教學(xué)重點：波的形成，平面簡諧波方程的確定，波的干涉條件，駐波的特點，多普勒效應(yīng)的分析。教學(xué)難點：平面簡諧波方程的確定，駐波的分析，多普勒效應(yīng)的理解。第十一章流體力學(xué)（4學(xué)時）第一節(jié)理想流體第二節(jié)靜止流體內(nèi)的壓強第三節(jié)流體運動學(xué)的基本概念第四節(jié)伯努利方程及其應(yīng)用第五節(jié)流體的動量和角動量（選學(xué)）第六節(jié)黏性流體的運動（選學(xué)）第七節(jié)固體在流體中受的阻力（選學(xué)）第八節(jié)機翼的升力（選學(xué)）教學(xué)要求：（1）掌握流體內(nèi)一點壓強的概念和流體內(nèi)壓強的分布規(guī)律并會運用。（2）掌握連續(xù)性方程和伯努利方程，并能用以解決穩(wěn)定流動時的一般問題。（3）理解速度梯度的概念，了解黏性流體的運動，對泊肅葉公式和斯托克斯公式直接給出結(jié)果，說明應(yīng)用。（4）對動量定理及角動量定理在流體中的應(yīng)用只作介紹。（5）對流體中運動物體所受的阻力和機翼的升力做一般介紹。教學(xué)重點：流體內(nèi)的壓強的分布規(guī)律，連續(xù)性方程，伯努利方程。教學(xué)難點：連續(xù)性方程，伯努利方程。第十二章相對論簡介（選學(xué)）第一節(jié)狹義相對論的歷史背景第二節(jié)洛倫茲變換第三節(jié)相對論的速度變換第四節(jié)相對論的動量和能量第五節(jié)廣義相對性原理第六節(jié)引力場與彎