《大學(xué)物理29》課程教學(xué)大綱

《大學(xué)物理（1）》課程實(shí)施大綱

目錄

1.教學(xué)理念.............................................1

2.課程介紹.............................................3

2.1課程的性質(zhì).........................................

錯(cuò)誤!未定義書簽。

2.2課程在學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)中的地位、作用...................

錯(cuò)誤!未定義書簽。

2.3課程的歷史與文化傳統(tǒng)...............................3

2.4課程的前沿及發(fā)展趨勢...............................5

2.5課程與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的關(guān)系...........................8

2.6課程內(nèi)容可能涉及到的倫理與道德問題................10

2.7學(xué)習(xí)本課程的必要性................................10

3.教師簡介.............................................14

3.1教師的職稱、學(xué)歷...................................14

3.2教育背景..........................................14

3.3研究興趣（方向）..................................14

4.先修課程.............................................14

5.課程目標(biāo).............................................14

6.課程內(nèi)容............................................16

6.1課程的內(nèi)容概要....................................16

6.2教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)....................................18

6.3學(xué)時(shí)安排..........................................18

7.課程實(shí)施...............................................19

7.1教學(xué)單元一.........................................19

7.1.1教學(xué)日期........................................19

7.1.2教學(xué)目標(biāo).......................................19

7.1.3教學(xué)內(nèi)容（含重點(diǎn)、難點(diǎn)）........................19

7.1.4教學(xué)過程.......................................19

7.1.5教學(xué)方法........................................26

7.1.6作業(yè)安排及課后反思..............................26

7.1.7課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求..................26

7.1.8參考資料........................................26

7.2教學(xué)單元二..........................................26

7.2.1教學(xué)日期.......................................26

722教學(xué)目標(biāo)........................................26

723教學(xué)內(nèi)容（含重點(diǎn)、難點(diǎn)）........................26

724教學(xué)過程........................................27

7.2.5教學(xué)方法........................................30

7.2.6作業(yè)安排及課后反思..............................30

7.2.7課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求..................30

7.2.8參考資料........................................30

7.3教學(xué)單元三.........................................30

7.3.1教學(xué)日期.......................................30

732教學(xué)目標(biāo)........................................30

7.3.3教學(xué)內(nèi)容（含重點(diǎn)、難點(diǎn)）.......................30

7.3.4教學(xué)過程.......................................31

7.3.5教學(xué)方法.......................................33

7.3.6作業(yè)安排及課后反思.............................33

7.3.7課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求.................33

7.3.8參考資料.......................................33

7.4教學(xué)單元四.........................................33

7.4.1教學(xué)日期........................................33

742教學(xué)目標(biāo)........................................33

7.4.3教學(xué)內(nèi)容（含重點(diǎn)、難點(diǎn)）........................34

7.4.4教學(xué)過程........................................34

7.4.5教學(xué)方法........................................39

746作業(yè)安排及課后反思..............................39

7.4.7課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求..................39

7.4.8參考資料........................................39

7.5教學(xué)單元五.........................................39

7.5.1教學(xué)日期........................................39

752教學(xué)目標(biāo)........................................39

7.5.3教學(xué)內(nèi)容（含重點(diǎn)、難點(diǎn)）........................39

7.5.4教學(xué)過程........................................40

7.5.5教學(xué)方法........................................50

7.5.6作業(yè)安排及課后反思..............................50

7.5.7課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求..................50

7.5.8參考資料........................................50

7.6教學(xué)單元六.........................................50

7.6.1教學(xué)日期........................................50

762教學(xué)目標(biāo)........................................50

763教學(xué)內(nèi)容（含重點(diǎn)、難點(diǎn)）........................51

7.6.4教學(xué)過程........................................51

7.6.5教學(xué)方法........................................57

7.6.6作業(yè)安排及課后反思..............................57

7.6.7課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求..................57

768參考資料........................................57

7.7教學(xué)單元七.........................................57

7.7.1教學(xué)日期........................................57

7.7.2教學(xué)目標(biāo)........................................57

7.7.3教學(xué)內(nèi)容（含重點(diǎn)、難點(diǎn)）........................58

7.7.4教學(xué)過程........................................58

7.7.5教學(xué)方法........................................63

7.7.6作業(yè)安排及課后反思..............................63

7.7.7課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求..................63

778參考資料........................................63

7.8教學(xué)單元八.........................................63

7.8.1教學(xué)日期........................................63

7.8.2教學(xué)目標(biāo)........................................63

7.8.3教學(xué)內(nèi)容（含重點(diǎn)、難點(diǎn)）........................63

7.8.4教學(xué)過程........................................64

7.8.5教學(xué)方法........................................68

786作業(yè)安排及課后反思..............................68

7.8.7課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求..................69

7.8.8參考資料........................................69

7.9教學(xué)單元九.........................................69

7.9.1教學(xué)日期........................................69

7.9.2教學(xué)目標(biāo)........................................69

7.9.3教學(xué)內(nèi)容（含重點(diǎn)、難點(diǎn)）........................69

7.9.4教學(xué)過程........................................69

7.9.5教學(xué)方法........................................71

796作業(yè)安排及課后反思..............................71

7.9.7課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求..................71

798參考資料........................................71

7.10教學(xué)單元十........................................71

7.10.1教學(xué)日期.....................................71

7.10.2教學(xué)目標(biāo).....................................71

7.10.3教學(xué)內(nèi)容（含重點(diǎn)、難點(diǎn)）......................71

7.10.4教學(xué)過程.....................................72

7.10.5教學(xué)方法......................................76

7.10.6作業(yè)安排及課后反思............................76

7.10.7課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求................76

7.10.8參考資料......................................76

7.11教學(xué)單元H-—..............................................................................76

7.11.1教學(xué)日期......................................76

7.11.2教學(xué)目標(biāo)......................................76

7.11.3教學(xué)內(nèi)容（含重點(diǎn)、難點(diǎn)）......................77

7.11.4教學(xué)過程......................................77

7.11.5教學(xué)方法......................................81

7.11.6作業(yè)安排及課后反思............................81

7.11.7課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求................81

7.11.8參考資料......................................81

8.課程要求.............................................81

8」學(xué)生自學(xué)要求.....................................81

8.2課外閱讀要求.....................................82

8.3課堂討論要求.....................................82

8.4課程實(shí)踐要求.....................................82

9.課程考核.............................................82

9.1出勤（遲到、早退等）、作業(yè)、報(bào)告等的要求..........82

9.2成績的構(gòu)成與評分規(guī)則說明.........................82

9.3考試形式及說明...................................82

10.學(xué)術(shù)誠信............................................82

10.1考試違規(guī)與作弊處理..............................82

10.2杜撰數(shù)據(jù)、信息處理等............................82

10.3學(xué)術(shù)剽竊處理等..................................82

11.課堂規(guī)范...........................................83

11.1課堂紀(jì)律........................................83

11.2課堂禮儀........................................83

12.課程資源............................................83

12.1教材與參考書....................................83

12.2專業(yè)學(xué)術(shù)著作....................................84

12.3專業(yè)刊物........................................84

12.4網(wǎng)絡(luò)課程資源....................................84

12.5課外閱讀資源....................................84

13.教學(xué)合約............................................84

13.1教師作出師德師風(fēng)承諾............................84

13.2閱讀課程實(shí)施大綱，理解其內(nèi)容....................85

13.2同意遵守課程實(shí)施大綱中闡述的標(biāo)準(zhǔn)和期望..........85

14.其他說明............................................85

1.教學(xué)理念

1.1關(guān)注學(xué)生的發(fā)展

大學(xué)的根本職能是培養(yǎng)人才，它的終極目標(biāo)應(yīng)是造就高層次全面發(fā)展的人才，是對實(shí)現(xiàn)人的全

面發(fā)展的一種高層次的追求，對實(shí)現(xiàn)社會政治、經(jīng)濟(jì)、文化和科學(xué)技術(shù)全面發(fā)展并不斷創(chuàng)新的一種

高層次的價(jià)值追求。臺灣社會學(xué)家楊國樞教授指出了大學(xué)教育必須同時(shí)達(dá)到以下五大類目標(biāo)：（1）

培養(yǎng)大學(xué)生對自己內(nèi)在身心特質(zhì)的了解；（2）培養(yǎng)大學(xué)生求取新知的方法與能力；（3）培養(yǎng)大學(xué)

生適應(yīng)個(gè)人生活所需要之較高品質(zhì)的能力、情操及行為；（4）培養(yǎng)大學(xué)生適應(yīng)社會生活所需要之較

高品質(zhì)的能力、情操及行為；（5）培養(yǎng)大學(xué)生理解與關(guān)懷全世界、全人類所需之較高品質(zhì)的能力、

情操及行為。

大學(xué)物理課程以物理學(xué)基礎(chǔ)知識和物理學(xué)在科學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用為內(nèi)容，是工科院校學(xué)生的一門

必修課，不僅其知識內(nèi)容是學(xué)生后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)的必備基礎(chǔ)，更主要的是可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解

決問題的能力，這對他們以后的學(xué)習(xí)、工作和生活都非常重要。所以在教學(xué)中除了知識的傳授，更

要注重學(xué)生能力的培養(yǎng)和提高。

1.2關(guān)注教學(xué)的有效性

有效教學(xué)是指教師在通過一段時(shí)間的教學(xué)之后，學(xué)生獲得了具體的進(jìn)步或發(fā)展，也就是說，學(xué)

生有無進(jìn)步或發(fā)展是教學(xué)有沒有效益的唯一指標(biāo)。為保證教學(xué)的有效性促成有效教學(xué)目的的實(shí)現(xiàn)，需

做到以下幾點(diǎn)：（1）根據(jù)大學(xué)物理的特點(diǎn)，做好課堂設(shè)計(jì)；（2）努力營造以學(xué)生為本的和諧的課

堂環(huán)境；（3）課堂上師生互動(dòng)與溝通；（4）課堂外良好的師生交往。

1.3關(guān)注教學(xué)的策略

根據(jù)“以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，可將教學(xué)策略分為兩種基本類型：產(chǎn)生式教

學(xué)策略和替代式教學(xué)策略。

產(chǎn)生式教學(xué)策略是“以學(xué)為主”的策略。鼓勵(lì)學(xué)生自己從教學(xué)中建構(gòu)具有個(gè)人特有風(fēng)格的學(xué)習(xí)，

讓學(xué)生自己安排和控制學(xué)習(xí)活動(dòng)，在學(xué)習(xí)過程中處于主動(dòng)地處理教學(xué)信息的地位。優(yōu)點(diǎn)：（1）可以

積極地把信息與他們自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，對信息的處理過程主動(dòng)深入，因此學(xué)習(xí)效果較好；

（2）允許學(xué)生自主地設(shè)計(jì)、實(shí)踐和改善他們的學(xué)習(xí)策略，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力；（3）由于

產(chǎn)生式教學(xué)策略主要出自學(xué)生自己，因此可以激發(fā)起學(xué)生對學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)策略的積極

性，更利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣等。缺點(diǎn)：（1）該策略若設(shè)計(jì)不妥，可能導(dǎo)致認(rèn)知超載或情緒低落，或是

需要學(xué)生花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)；（2）學(xué)習(xí)的成功依賴于學(xué)生先前已具有的知識和學(xué)習(xí)策略的廣

度。

替代式教學(xué)策略是“以教為主''的策略。主要是教師替學(xué)生處理教學(xué)信息，它是傳統(tǒng)教學(xué)中的常

用策略。它更多地傾向于教師給學(xué)生提出教學(xué)目標(biāo)、組織提煉教學(xué)內(nèi)容、安排教學(xué)順序、指導(dǎo)學(xué)生

學(xué)習(xí)。優(yōu)點(diǎn)：（1）比產(chǎn)生式教學(xué)策略效率高，能使學(xué)生在短期內(nèi)學(xué)習(xí)許多內(nèi)容；（2）知識儲備有

限和學(xué)習(xí)策略不佳的學(xué)生可以獲得成功的學(xué)習(xí)。缺點(diǎn)：（1）因?yàn)閷W(xué)生智力投入少，信息處理的深度

不夠，因此學(xué)習(xí)效果不如產(chǎn)生式策略好；（2）由于教學(xué)安排過于周密，學(xué)生在學(xué)習(xí)中被動(dòng)學(xué)習(xí)多于

主動(dòng)學(xué)習(xí)，因而學(xué)生學(xué)習(xí)志趣難以得到充分的提升。

只有根據(jù)不同專業(yè)、不同教學(xué)內(nèi)容、不同基礎(chǔ)狀況的學(xué)生，將兩種教學(xué)策略有機(jī)地結(jié)合，才能

既充分發(fā)揮教師在教學(xué)活動(dòng)中的主導(dǎo)作用又能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。從學(xué)生的角度來說，教師

給予學(xué)生的正是學(xué)生需要的，才能激發(fā)他們學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，才能收到好的教學(xué)效果。

1.4關(guān)注教學(xué)價(jià)值觀

教學(xué)活動(dòng)不可能回避價(jià)值觀問題。從歷史來看，每當(dāng)社會發(fā)生重大轉(zhuǎn)型時(shí)，人們對教育的批判,

往往是從價(jià)值批判開始的，以重新認(rèn)識教育的價(jià)值和目的開始的，并且以此為依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)，再對

現(xiàn)實(shí)的教育活動(dòng)作出更具體的評析，提出新的原則、方案乃至方式方法。究竟什么樣的教學(xué)才是對

社會發(fā)展、國家興旺最有價(jià)值的教學(xué)，在當(dāng)今由應(yīng)試教育向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)變的時(shí)代，是當(dāng)代關(guān)于中國

社會發(fā)展和教育價(jià)值觀變革的研究的一大熱點(diǎn)。如何用正確的價(jià)值觀和人生觀去影響學(xué)生，努力使

他們成長為身心健康的、德才兼?zhèn)?、有益于社會、有益于人民的人，同樣是大學(xué)物理教學(xué)的重要內(nèi)

容。

隨著我國政治體制改革的不斷深入，經(jīng)濟(jì)的長足發(fā)展和國外各種社會思潮的不斷涌入，國際國

內(nèi)形勢的深刻變化，人們的價(jià)值觀和人生觀也發(fā)生了深刻的變化。使人們的精神思想既面臨著有利

的條件，也面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。社會思潮的多元化和差異性，導(dǎo)致人們不同程度地存在政治信仰迷

茫、理想信念模糊、價(jià)值取向扭曲等問題，這就要求必須有統(tǒng)一的基本價(jià)值觀和價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)，必須建

設(shè)中國特色社會主義核心價(jià)值體系：堅(jiān)持馬克思主義指導(dǎo)思想；堅(jiān)持中國特色社會主義共同理想；

堅(jiān)持以愛國主義為核心的民族精神和以改革創(chuàng)新為核心的時(shí)代精神；堅(jiān)持社會主義榮辱觀。

物理學(xué)的發(fā)展史也是人類文明的進(jìn)步史，科學(xué)的發(fā)展巨大地推動(dòng)了人類文明的進(jìn)步。而在物理

學(xué)的發(fā)展歷史中，處處閃爍著科學(xué)家的智慧與人格的光輝。他們?yōu)樘綄た陀^真實(shí)而不畏艱險(xiǎn)、不懼

失敗的勇氣決心；為科學(xué)的發(fā)展而前仆后繼、堅(jiān)持不懈的壯志豪情；為捍衛(wèi)真理而勇往直前的獻(xiàn)身

精神；在艱苦條件和惡劣環(huán)境中吃苦耐勞、奮斗不止的美好情操；在集體利益與個(gè)人利益發(fā)生沖突

時(shí)顧全大局、不計(jì)名利得失的寬廣胸懷等無不激勵(lì)著后人。在教學(xué)中充分挖掘和利用教學(xué)素材，將

智育與德育有機(jī)結(jié)合起來，積極培育和踐行社會主義核心價(jià)值觀，運(yùn)用社會主義核心價(jià)值體系引領(lǐng)

學(xué)生的理想信仰、價(jià)值取向是大學(xué)物理教學(xué)除知識、技能之外的又一的基本任務(wù)。在教學(xué)活動(dòng)中，

倡導(dǎo)富強(qiáng)、民主、文明、和諧；倡導(dǎo)自由、平等、公正、法治；倡導(dǎo)愛國、敬業(yè)、誠信、友善。為

全社會形成巨大的價(jià)值共識和思想共鳴，保證中國特色社會主義發(fā)展的正確方向是師生的共同責(zé)任

和義務(wù)。

2.課程介紹

2.1課程的性質(zhì)

物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、基本運(yùn)動(dòng)形式、相互作用及其轉(zhuǎn)化規(guī)律的自然學(xué)科。本院開設(shè)

的大學(xué)物理總學(xué)時(shí)為112學(xué)時(shí)一，其內(nèi)容包括力學(xué)、電磁學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、近代物理等。該課程是理工

科各專業(yè)學(xué)生一門重要的通識性的必修基礎(chǔ)課。它不僅為學(xué)生提供必備的物理基礎(chǔ)知識，而且在培

養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的世界觀、人生觀、價(jià)值觀、思維方法、探索精神、創(chuàng)新意識等方面具有不可替代的作

用。

本期開設(shè)的《大學(xué)物理》（1）,要求學(xué)生掌握描述運(yùn)動(dòng)的物理量：位矢、位移、運(yùn)動(dòng)方程、

速度、加速度、角速度、角加速度概念；能夠運(yùn)用牛頓定律和轉(zhuǎn)動(dòng)定律分析計(jì)算力學(xué)問題；掌握動(dòng)

量守恒定理、機(jī)械能守恒定理和角動(dòng)量守恒定律；理解磁感應(yīng)線、磁通量的概念，能計(jì)算磁通量；

理解磁場的高斯定理，理解安培環(huán)路定理，掌握應(yīng)用安培環(huán)路定理計(jì)算某些具有特殊對稱性電流分

布的磁場分布的基本知識，基本規(guī)律，解決物理問題的基本方法，以奠定后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

2.2課程在學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)中的地位、作用

物理學(xué)借助數(shù)學(xué)建立統(tǒng)一的理論體系，旨在盡可能廣泛深刻地揭示自然界的基本規(guī)律，從而使

得物理學(xué)成為了自然科學(xué)和工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。它的基本理論滲透在自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用

于生產(chǎn)技術(shù)的各個(gè)部門。物理學(xué)基礎(chǔ)理論的突破導(dǎo)致重大高新技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)立；通過物理學(xué)的進(jìn)展

而逐步形成科學(xué)的物質(zhì)觀、自然觀、時(shí)空觀和宇宙觀，對整個(gè)人類的文化發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。

物理學(xué)不但為科學(xué)發(fā)展提供原理和知識，而且對社會各個(gè)方面產(chǎn)生直接巨大的推動(dòng)或沖擊。在物理

學(xué)研究中注重理性、崇尚實(shí)踐的精神尤為突出，是創(chuàng)造性人才必須具備的素質(zhì)。

非物理類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)的目的，是掌握物質(zhì)世界最基本、最普遍的規(guī)律，掌握物理學(xué)的

科學(xué)思想和科學(xué)思維方法，為學(xué)習(xí)各自的專業(yè)和在各自的方向做出重大發(fā)現(xiàn)（通常與物理學(xué)有密切

聯(lián)系）、發(fā)明，成為現(xiàn)代社會生活中的強(qiáng)者，為提高學(xué)生的整體素質(zhì)和培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力與

創(chuàng)新意識奠定基礎(chǔ)。

2.3課程的歷史與文化傳統(tǒng)

（1）物理學(xué)為其它學(xué)科創(chuàng)立原理和技術(shù)

近代幾乎所有的新技術(shù)領(lǐng)域(如微電子、原子核能、激光和信息技術(shù)等)的創(chuàng)立，事前均在物理學(xué)

中經(jīng)過了長期的醞釀，在理論和實(shí)驗(yàn)上積累了大量的知識，然后才取得了突破。例如，1947年貝爾

實(shí)驗(yàn)室的巴丁、布拉頓和肖克萊發(fā)明了晶體管，標(biāo)志著信息時(shí)代的開始，繼而發(fā)明了集成電路、大

規(guī)模集成電路直到現(xiàn)代的信息技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，是一部科學(xué)界幾乎人人都熟悉的輝煌歷史。但鮮

為人知的是，在此之前至少存在20年的“史前期”，在這個(gè)“史前期”中物理學(xué)為孕育它的誕生作了

大量的理論和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。進(jìn)一步的事實(shí)說明，工程技術(shù)中的基本規(guī)律均反映在物理學(xué)的各個(gè)分支領(lǐng)

域中，物理學(xué)在交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科的發(fā)展中最有生命力和最活躍的學(xué)科，當(dāng)今納米技術(shù)的發(fā)展同

樣也體現(xiàn)了物理理論的基礎(chǔ)地位。

(2)物理學(xué)為一切學(xué)科提供了基本的實(shí)驗(yàn)手段和基本研究方法

實(shí)驗(yàn)表明，幾乎一切現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)分析方法或設(shè)備都源于物理學(xué)的相應(yīng)原理或效應(yīng)，如光譜分析

法、X光分析、核磁共振譜分析等。

(3)物理知識是促進(jìn)各學(xué)科發(fā)展的重要基礎(chǔ)知識

當(dāng)今，科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的周期在迅速縮短，知識更新的周期也在不斷地縮短，但作為

知識的核心，物理基本理論相對而言更為成熟長久。物理基礎(chǔ)知識、原理和方法將使人們終生受益。

深厚的科學(xué)素養(yǎng)、深刻的科學(xué)洞察力以及在此基礎(chǔ)上的不懈努力可以造就偉大的科學(xué)家，完成大發(fā)

明。如新式顯微鏡——掃描隧道顯微鏡(STM)的發(fā)明就是巧妙地應(yīng)用了物理學(xué)中的“隧道效應(yīng)”

改進(jìn)了“場發(fā)射顯微鏡”，從而翻開了顯微鏡發(fā)展的新篇章.STM的分辨率達(dá)到O.lOnm,使人類第一

次能夠立體顯示單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài).不僅如此，人們還根據(jù)其原理研制了原子力顯微

鏡，從而使人們實(shí)現(xiàn)了操縱原子的夢想。

(4)物理學(xué)與數(shù)學(xué)的關(guān)系

物理學(xué)包括其他的自然科學(xué)，都需要以數(shù)學(xué)為工具。因?yàn)閿?shù)學(xué)是對數(shù)與形的簡捷的概括和優(yōu)美

的表達(dá)方式，所以物理規(guī)律需要用數(shù)學(xué)語言來表達(dá)，對物理規(guī)律的歸納和演繹也必須遵循數(shù)學(xué)邏輯。

高等數(shù)學(xué)的微積分是由萊布尼茲和牛頓兩位科學(xué)家各自獨(dú)立地創(chuàng)建的理論。數(shù)學(xué)家萊布尼茲在研究

曲線斜率時(shí)，發(fā)現(xiàn)了微積分。而當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家牛頓，為了描述他的力學(xué)定律而促使他創(chuàng)建了微積

分(這也是他成為著名數(shù)學(xué)家的原因)。由此可見數(shù)學(xué)在物理學(xué)中的重要作用及密切關(guān)系。同樣，

物理學(xué)對數(shù)學(xué)也有同等重要的作用。物理學(xué)是數(shù)學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，很多數(shù)學(xué)模型的建立都是離不開具

體的物理問題的。可以說數(shù)學(xué)和物理是一對姊妹學(xué)科，二者相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)，共同發(fā)展。

數(shù)學(xué)是邏輯學(xué)，很容易漫無邊際地“歪曲”自然，而物理學(xué)是求實(shí)求真的科學(xué)，其根本任務(wù)是

揭示自然界的真實(shí)面目。但是物理學(xué)要向前發(fā)展，從微觀和宇觀兩個(gè)方向更加逼近客觀真實(shí)的自然,

產(chǎn)生新的理論，又必須依賴于數(shù)學(xué)上的突破。數(shù)學(xué)為物理學(xué)提供極至的思維和想象空間，而物理學(xué)

又可以修正數(shù)學(xué)上的“異想天開”，數(shù)學(xué)中所有的悖論，本質(zhì)上都是因?yàn)閿?shù)學(xué)偏離了物理學(xué)所定義的

自然，數(shù)學(xué)上遇到的問題往往可以通過物理思維解決。

(5)物理學(xué)對化學(xué)的基礎(chǔ)作用

物理學(xué)和化學(xué)從來都是并肩前進(jìn)的。1998年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了W.Kohn和J.A.Pople,以鼓

勵(lì)他們在量子化學(xué)方面所做的開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。頒獎(jiǎng)的公報(bào)說，量子化學(xué)將化學(xué)帶入一個(gè)新的時(shí)代，

化學(xué)不再是純實(shí)驗(yàn)科學(xué)了。如果說物理化學(xué)還是物理學(xué)與化學(xué)在唯象層次上的結(jié)合，則量子化學(xué)已

深入到化學(xué)現(xiàn)象的微觀機(jī)理。近年來，量子化學(xué)、激光化學(xué)、分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、固體表面催化和功

能材料等物理學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科，取得了長足的發(fā)展，今后兩學(xué)科之間的合作將越來越密切。

(6)物理學(xué)與生物學(xué)的關(guān)系

物理學(xué)與其他自然科學(xué)學(xué)科的交叉和相互作用，曾經(jīng)產(chǎn)生并形成了物理化學(xué)、化學(xué)物理學(xué)、生

物物理學(xué)和心理物理學(xué)以及天體物理、地球物理、大氣物理、海洋物理和空間物理等諸多交叉學(xué)科。

但這種交叉和相互作用最突出的表現(xiàn)還在于20世紀(jì)生命科學(xué)在物理學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)生了革命性的的

變化，結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)及其帶來的廣泛而深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)前生命科學(xué)中分子生物學(xué)、量子生物學(xué)、遺傳

信息學(xué)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)等新興學(xué)科的研究正方興未艾。人們說21世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)，一位物理學(xué)

家則說，21世紀(jì)是物理科學(xué)全面介入生命科學(xué)的世紀(jì)。

以上列舉的僅僅是物理學(xué)與其它幾個(gè)最基礎(chǔ)的自然科學(xué)學(xué)科的關(guān)系及物理學(xué)的作用。實(shí)際上，

物理學(xué)在所有的自然科學(xué)學(xué)科中都有重要的作用。同時(shí)物理學(xué)的研究也滲透到眾多學(xué)科?？纯醋罱?/p>

兒年物理學(xué)的許多重要期刊以及許多國際物理學(xué)術(shù)會議的議程，就會發(fā)現(xiàn)，諸如蛋白質(zhì)折疊、免疫

網(wǎng)絡(luò)、化學(xué)健斷裂、水土流失、交通堵塞等。大量本不屬于物理學(xué)內(nèi)容的標(biāo)題，赫然入目。不管什

么問題，當(dāng)物理學(xué)家用物理學(xué)的方法去研究它時(shí)，就把它變成了物理問題。

物理學(xué)是一門理論與實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合結(jié)合的精確科學(xué)，物理學(xué)中有一套最全面、最有效的科學(xué)方

法。我們說，在對學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)教育中，物理課有著不可替代的重要作用，根據(jù)就在于此。

2.4課程的前沿及發(fā)展趨勢

自20世紀(jì)以來，人們目睹了人類分裂原子、拼接基因、克隆動(dòng)物、開通信息高速公路、納米加工

和探索太空。很難設(shè)想，沒有科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，沒有原子能、沒有計(jì)算機(jī)、沒有半導(dǎo)體，

現(xiàn)代生活將是什么樣子。與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展一樣，物理學(xué)也經(jīng)歷了深刻的革命。可以說，物理

學(xué)每時(shí)每刻都在不停的發(fā)展，其活躍的前沿領(lǐng)域很多，是最有生命力、成果最多的學(xué)科之一。

(1)物理學(xué)的前沿學(xué)科：從20世紀(jì)30年代開始，物理學(xué)理論和物理學(xué)的研究方法與其它學(xué)科

滲透產(chǎn)生了一系列的新學(xué)科：如量子化學(xué)、生物物理學(xué)、天體物理學(xué)、廣義相對論宇宙學(xué)、高能物

理學(xué).研究的動(dòng)態(tài)情況主要趨于兩個(gè)方向：一是對無限大系統(tǒng)的研究，偏重于對天體和宇宙的研究,

如宇宙的產(chǎn)生、構(gòu)成、物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)，宇宙的大爆炸形成理論等。二是對無限小系統(tǒng)的研究，偏

重于對原子、原子核、基本粒子的研究，如基本粒子劃分的標(biāo)準(zhǔn)模型，基本粒子之間的相互作用等。

(2)“無限大”和“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)：“無限大”和“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)是當(dāng)今物理學(xué)發(fā)展

非?；钴S的領(lǐng)域。天體物理和宇宙物理學(xué)就屬于“無限大”系統(tǒng)物理學(xué)的范疇，它從早期對太陽系

的研究，逐步發(fā)展到銀河系，直到對整個(gè)宇宙的研究。熱大爆炸宇宙模型作為上世紀(jì)后半葉自然科

學(xué)中四大成就之一是當(dāng)之無愧的。利用該模型已經(jīng)成功地解釋了宇宙觀測的最新結(jié)果。如宇宙膨脹,

宇宙年齡下限，宇宙物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)，宇宙在大尺度范圍是各向同性等重要結(jié)果。可以說具有暴脹

機(jī)制的熱大爆炸宇宙模型已經(jīng)現(xiàn)代宇宙學(xué)奠定了一定基礎(chǔ)。但是到目前為止，關(guān)于宇宙起源的問題

仍然沒有得到完全的解決，暴脹宇宙論也并非十全十美，要建立完善的宇宙理論還有待于進(jìn)一步的

努力和探索。

“無限大”系統(tǒng)物理學(xué)還有兩個(gè)比較重要的問題是“類星體”、“暗物質(zhì)”和“暗能量”。“類

星體”是1961年發(fā)現(xiàn)的，一個(gè)類星體發(fā)出的光相當(dāng)于幾千個(gè)星云，而每個(gè)星云又相當(dāng)于一萬億個(gè)太

陽發(fā)出的光，所以對類星體的研究具有十分重大的意義。60年代末，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一個(gè)編號為3c271

的類星體，一天之內(nèi)它的能量增加了一倍，到底是什么原因使它的能量如此迅速有待于21世紀(jì)得到

解決。“暗物質(zhì)”及“暗能量”被認(rèn)為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題。根據(jù)最新的觀測結(jié)果，“暗

物質(zhì)”及“暗能量”代表了宇宙中96%左右的物質(zhì)含量，而我們可以看到的物質(zhì)(普通物質(zhì))只占

宇宙物質(zhì)總量的4%左右。暗物質(zhì)及暗能量雖然無法直接觀察到，但它卻能干擾星體發(fā)出的光波或引

力，其存在能被明顯的感受到。

“暗物質(zhì)”與“暗能量”是相區(qū)別的，科學(xué)家們從引力場觀測到了暗物質(zhì)的存在，約占宇宙物

質(zhì)總量的23%,但暗物質(zhì)究竟是什么至今尚未搞清楚。暗能量是在近些年宇宙學(xué)研究中才發(fā)現(xiàn)的一

個(gè)里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要證據(jù)有兩個(gè)。一是對遙遠(yuǎn)的超新星所進(jìn)行的大量觀測表

明，宇宙在加速膨脹。按照愛因斯坦引力場方程，加速膨脹的現(xiàn)象推論出宇宙中存在著壓強(qiáng)為負(fù)的

“暗能量”。另一個(gè)證據(jù)來自于近年對微波背景輻射的研究精確地測量出宇宙中物質(zhì)的總密度。所

有的普通物質(zhì)與暗物質(zhì)加起來與宇宙中物質(zhì)的總密度出現(xiàn)了73%的短缺，這一短缺的物質(zhì)稱為暗能

量，其基本特征是具有負(fù)壓，在宇宙空間中幾乎均勻分布或完全不結(jié)團(tuán)。按照相對論，這種負(fù)壓強(qiáng)

的暗能量在長距離類似于一種反引力，近年來所發(fā)現(xiàn)的宇宙加速膨脹現(xiàn)象表明，主導(dǎo)今天宇宙的就

是占絕對統(tǒng)治地位的暗能量。

但是，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者美國華裔科學(xué)家李政道在探討暗能量的可能來源研究中，提出了

一個(gè)新的觀念是“天外有天”：因?yàn)榘的芰?，我們的宇宙之外可能有很多個(gè)宇宙；而在另一項(xiàng)試探

和解釋美國高能核物理的新發(fā)現(xiàn)和暗能量的關(guān)系的研究中，他提出的觀念是“核天相連”：核能也

許可以和宇宙中的暗能量相變相連。李政道認(rèn)為，“20世紀(jì)初的大問題是太陽能的來源；21世紀(jì)初

的大問題是暗能量的來源”。他說，了解暗物質(zhì)和暗能量，是人類在21世紀(jì)向科學(xué)的大挑戰(zhàn)。

原子核物理和粒子物理學(xué)則屬于“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)的范疇，它從早期對原子和原子核的研

究，逐步發(fā)展到對粒子的研究。粒子主要包括強(qiáng)子（中子、質(zhì)子、超子、K介子、K介子等）、輕

子（電子、N子、t子、中微子等）和媒介子（光子、膠子等）。強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子的總

稱，其數(shù)量占粒子種類的絕大部分；輕子是參與弱相互作用和電磁相互作用的粒子，不參與強(qiáng)相互

作用；而媒介子是傳遞相互作用的粒子。

目前，粒子物理學(xué)已經(jīng)建立起了關(guān)于基本粒子的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，“標(biāo)準(zhǔn)模型”可以正確地描述

基本粒子之間的相互作用。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，科學(xué)家把基本粒子分為玻色子和費(fèi)米子兩大類，玻色子

和費(fèi)米子是物質(zhì)世界的兩種存在。玻色子是物質(zhì)存在的基礎(chǔ)，費(fèi)米子是物質(zhì)存在的形式?；玖Ｗ?/p>

中所有的物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料（如輕子中的電子、組成質(zhì)子和中子的夸克、中

微子）。而傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子、W和Z玻色子）都是玻色子。

粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中，所有的強(qiáng)子都是由夸克組成，夸克分為上夸克、下夸克、底夸克、頂

夸克、粲夸克、奇異夸克6味（flavour））,每一味又分為紅綠藍(lán)三色，而且都有其反粒子，共36種。

輕子有電子、四子、t子、中微子Ve、中微子作、中微子”及對應(yīng)的6種反粒子，共12種。膠子分

為8種色荷，共8種膠子。因W玻色子有反粒子，所以W玻色子有2種。光子、Z玻色子和希格

斯玻色子都沒有反粒子。所以，在粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子總共有36+12+8+2+3=61種。

標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)計(jì)算出已知的各種費(fèi)米子彼此間以強(qiáng)力、弱力、電磁力或引力作用于對方，這些

粒子通過交換規(guī)范玻色子（膠子、光子、引力子、W及Z玻色子）而實(shí)現(xiàn)相互作用。

粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的61種基本粒子，現(xiàn)今只剩下希格斯玻色子（H粒子）尚未被發(fā)現(xiàn)。希

格斯玻色子也被稱之為“上帝粒子”，被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，在宇宙的形成和演化扮演著重要

角色.2010年，據(jù)國外媒體報(bào)道，參與大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）項(xiàng)目的科學(xué)家表示，他們可能已

經(jīng)“接近”了希格斯玻色子，一旦找到了“上帝粒子”，人類對時(shí)空及宇宙的認(rèn)識將進(jìn)入一個(gè)嶄新

的時(shí)代。

從表面上看，“無限大”系統(tǒng)物理學(xué)與“無限小”系統(tǒng)物理學(xué)似乎沒有必然聯(lián)系。其實(shí)不然，

宇宙系統(tǒng)與原子系統(tǒng)在某些方面有著驚人的相似性。宇宙和天體物理學(xué)家利用廣義相對論來描述引

力和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)；而粒子物理學(xué)家則用量子力學(xué)來處理一些微觀區(qū)域的現(xiàn)象。熱大爆炸宇宙

模型就是這兩種物理學(xué)的結(jié)合的典范。21世紀(jì)這兩種物理學(xué)的結(jié)合會更加緊密，這兩種物理學(xué)的結(jié)

合對人類加深對宇宙起源的認(rèn)識以及科技的發(fā)展和應(yīng)用方面都會產(chǎn)生巨大的影響。

（3）物理學(xué)發(fā)展的前沿技術(shù)：在21世紀(jì)，物理與其它學(xué)科交叉應(yīng)用產(chǎn)生了一系列的新技術(shù):

如新材料（超導(dǎo)、納米、硅、無機(jī)稀有非金屬、網(wǎng)絡(luò)硬件材料等），如信息技術(shù)（光電子技術(shù)、人

工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等），如新能源技術(shù)（核聚變能、太陽能、海洋發(fā)電技術(shù)等），如

空間技術(shù)（航天飛機(jī)、永久太空站等），還有激光技術(shù)，微電子技術(shù)，海洋開發(fā)技術(shù)，環(huán)境污染防

治技術(shù)，生物工程技術(shù)等。

今天的物理學(xué)是什么，已經(jīng)很難用傳統(tǒng)的眼光來界定了。今天的物理學(xué)代表著一整套獲取知識、

組織知識、運(yùn)用知識的有效步驟和方法，即現(xiàn)在的物理學(xué)家們所做的工作就是物理學(xué)。

2.5課程與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的關(guān)系

①、蒸蒸日上的凝聚態(tài)物理學(xué)

自從上世紀(jì)80年代中期發(fā)現(xiàn)了所謂高臨界溫度超導(dǎo)體以來，世界上對這種有著廣泛的應(yīng)用前景

的新材料的研究熱情不減。這種新材料在液氮溫區(qū)下傳到電流而沒有阻抗。高臨界溫度超導(dǎo)材料的

研究仍是今后凝聚態(tài)物理學(xué)中活躍的領(lǐng)域之一，目前，許多國家的科學(xué)工作者仍在爭分奪秒向更高

溫區(qū)甚至室溫溫區(qū)超導(dǎo)材料的研究和應(yīng)用努力，而且有些技術(shù)難題已經(jīng)逐步得到解決。今天，超導(dǎo)

技術(shù)已經(jīng)取得了巨大突破，超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)船、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等已經(jīng)逐步面向市場,

當(dāng)今的磁懸浮列車已經(jīng)用上了高溫超導(dǎo)技術(shù)。目前，中國擁有全球速度最快的計(jì)算機(jī)，在中國和日

本的競爭下，美國情報(bào)部門已經(jīng)啟動(dòng)了為期多年的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)研發(fā)項(xiàng)目，打造新一代的超級電腦。

科學(xué)家們預(yù)測，隨著超導(dǎo)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，可能引起一場新的工業(yè)革命。

由不同材料的薄膜交替組成的超晶格材料可望成為新一代的微電子、光電子材料。目前，已利

用半導(dǎo)體超晶格材料研制成很多新器件，它可以在原子上對半導(dǎo)體的組分摻雜進(jìn)行人工“設(shè)計(jì)”，

從而可以研究一般半導(dǎo)體根本不存在的物理現(xiàn)象，并將固態(tài)電子器件的應(yīng)用推向一個(gè)新階段。一些

科學(xué)家預(yù)測，下一代的電子器件，可能會被微結(jié)構(gòu)器件替代，從而可能會帶來一場電子工業(yè)的革命。

不過，微結(jié)構(gòu)物理的研究還有許多新的物理現(xiàn)象有待于揭示，這一領(lǐng)域的研究在21世紀(jì)可能會說過

累累，前景不可低估。

近年來，兩種與磁阻有關(guān)的引起人們強(qiáng)烈興趣的現(xiàn)象就是所謂的巨磁阻與超巨磁阻現(xiàn)象。一般

磁阻物質(zhì)的電阻率在磁場中只發(fā)生輕微的變化，而巨磁阻和超巨磁阻物質(zhì)的電阻率可以達(dá)到幾倍甚

至幾千倍的變化。超巨磁現(xiàn)象令人吃驚的是，在很強(qiáng)的磁場中某些絕緣體會突變?yōu)閷?dǎo)體。其中的原

因目前尚不清楚，就像高臨界溫度超導(dǎo)材料超導(dǎo)性的原因難以捉摸一樣。目前，巨磁和超巨磁實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用的主要障礙是強(qiáng)磁場和低溫的要求，這一難題一旦解決，前景是十分誘人的。

新材料的發(fā)展已成為21世紀(jì)凝聚態(tài)物理學(xué)研究重要的發(fā)展方向之一。新材料的發(fā)展趨勢是：復(fù)

合化、功能特殊化、性能極限化和結(jié)構(gòu)微觀化。如：成分密度和功能不均勻的梯度材料?；可隨空間

時(shí)間條件而變化的智能材料；變形速度快的壓電材料以及精細(xì)陶瓷材料等都將成為重要的新材料。

材料專家預(yù)計(jì)，21世紀(jì)新材料品種可能突破100萬種。

②、等離子物理與核聚變

當(dāng)物質(zhì)被加熱到足夠高的溫度或其他原因，原子的外層甚至內(nèi)層的電子將擺脫原子核的束縛，

成為自由電子，這時(shí)的物質(zhì)變成了由正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)（俗稱離子漿），由于它近

似為電中性，所以稱為等離子體，等離子體常被視為物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體的運(yùn)動(dòng)主要受電

磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。它廣泛存在于宇宙中，是一種很好的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過巧妙

設(shè)計(jì)的磁場可以捕捉、移動(dòng)和加速等離子體。等離子體物理的發(fā)展為材料、能源、信息、環(huán)境空間、

空間物理、地球物理等科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的技術(shù)和工藝。

海水中含有大量的氫和它的同位素氣和僦。笊即重氫，氧化笊就是重水，每一噸海水中含有140

克重水。如果將地球海水中所有的笊核能都通過核聚變方式釋放出來，那么它產(chǎn)生的能量足以提供

人類使用數(shù)百億年。但是，核聚變需要幾億度的高溫，笊瓶混合燃料形成高溫等離子體態(tài)，所以等

離子體物理是核聚變反應(yīng)的理論基礎(chǔ)。1991年II月在英國卡拉姆的JET實(shí)驗(yàn)裝置上首次成功地進(jìn)

行了笊僦等離子體聚變實(shí)驗(yàn)。在圓線圈內(nèi)2億度的高溫下，氣危氣體相遇爆炸成功，產(chǎn)生了200kw

的能量，雖然只持續(xù)了1.3秒，但這為人類探索新能源——核聚變能的實(shí)現(xiàn)邁出了一大步。要實(shí)現(xiàn)

人工控制核聚變反應(yīng)速度，將核聚變能平穩(wěn)而緩慢地釋放出來，投入實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)大的距離，

技術(shù)上還有許多難題需要解決。如：在實(shí)驗(yàn)室怎樣才能將等離子加熱到幾億度的高溫？高溫等離子

體與盛裝它的容器壁相接觸時(shí)，等離子體要降溫，容器也會被燒壞，這就是如何約束的問題。這些

難題在21世紀(jì)極有可能突破，核聚變能作為一種重要的新能源的夢想總有一天會變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

③、納米技術(shù)正向我們走來

所謂納米技術(shù)就是在lO'm（十億分之一米）水平上，研究應(yīng)用原子和分子現(xiàn)象及其結(jié)構(gòu)信息的

技術(shù)，即通過特定的技術(shù)設(shè)計(jì)，在納米量級的粒子表面實(shí)現(xiàn)原子或分子的排列組成，使其產(chǎn)生某種

特殊結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)特異的技術(shù)性能或功能。運(yùn)用納米技術(shù)，可以制造出在光、電、熱、磁、吸收、

反射、吸附、催化、生物活性、硬度、強(qiáng)度、韌性及導(dǎo)電性等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)材料的新材料。

所以，納米材料被譽(yù)為“21世紀(jì)最有前途的材料”。

納米機(jī)械加工，也稱為分子機(jī)器，它可以不用部件制造出幾乎無任何縫隙的物體，每秒可完成

幾十億次的操作，可以制造出人類想得到的任何微型產(chǎn)品。目前采用分子機(jī)器加工已研制出世界上

最小的（米粒大?。┑恼羝麢C(jī)、微型汽車、微型發(fā)電機(jī)、微型馬達(dá)、微型機(jī)器人和微型手術(shù)刀。微

型機(jī)器人可以進(jìn)入血管清理血管壁上的沉積脂肪，疏通腦血管的血栓，殺死癌細(xì)胞，嚼碎泌尿系統(tǒng)

的結(jié)石、修復(fù)損壞的組織和基因等。微型手術(shù)刀只有一根頭發(fā)絲的百分之一大小，不用開胸破腹就

能完成手術(shù)。生物分子機(jī)器在不久的將來也會出現(xiàn)，放在人腦中的納米計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，并

且有自身復(fù)制的能力。人類利用納米技術(shù)還可能制造出新的智能生命，實(shí)現(xiàn)物種再構(gòu)。

隨著人們生活水平的日益提高，人們對環(huán)保的重視程度不斷加強(qiáng)，空氣質(zhì)量與工業(yè)廢水處理已

經(jīng)城市的一個(gè)生活生存質(zhì)量標(biāo)志，納米材料由于其特有的表面吸附特性，使其在空氣凈化與工業(yè)廢

水處理方面有著很大的發(fā)展前景。

納米技術(shù)與電子學(xué)的交叉形成的納米電子技術(shù)，是以研究納米級芯片、器件、超高密度信息存

儲為主要內(nèi)容的一門新技術(shù)，目前超高密度的信息存儲的最高存儲密度己超過1()12比特/平方厘米，

其信息存儲量為常規(guī)光盤的1倍以上。

在紡織和化纖制品中添加納米微粒，可以除味殺菌、消除靜電現(xiàn)象；在玻璃和瓷磚表面涂上納

米薄層，可以制成自潔玻璃和自潔瓷磚，不用擦洗；含有納米微粒的建筑材料，可以吸收對人體有

害的紫外線；納米陶瓷有望成為汽車、輪船、飛機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)部件的理想材料，能大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)效

率、工作壽命和可靠性；納米衛(wèi)星可以隨時(shí)向駕駛?cè)藛T提供交通信息，幫助其安全駕駛。納米技術(shù)

的應(yīng)用已經(jīng)深入到人類的衣食住行醫(yī)的各個(gè)方面。

以上兒個(gè)方面越來越對社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。

2.6課程內(nèi)容可能涉及到的倫理與道德問題

從物理學(xué)歷史發(fā)展來看，本門課程基本上只存在對問題的爭論，通常不涉及倫理與道德問題。

2.7學(xué)習(xí)本課程的必要性

《大學(xué)物理》作為高等院校理工科各專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課程，對人才培養(yǎng)有著不可替代的作

用。

(1)通過本課程學(xué)習(xí)，獲取必備的物理基礎(chǔ)知識和基本技能，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)

物理學(xué)的研究對象十分廣泛，大至宏觀宇宙，小至微觀粒子，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、基本結(jié)構(gòu)、演

化過程無所不包。一切的其它自然科學(xué)學(xué)科與物理學(xué)都存在不同程度的交叉滲透，物理學(xué)的基本概

念、基本規(guī)律、分析和解決問題的基本方法、物理實(shí)驗(yàn)的基本技能等都是其它學(xué)科所要求、或多或

少要用到的。所以物理學(xué)是一切自然科學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)，它對于其他學(xué)科的作用并不亞于數(shù)學(xué)。沒有

《大學(xué)物理》作為先行課程，或者對該門課程的學(xué)習(xí)未能達(dá)標(biāo)的理工科大學(xué)生，勢必會影響后續(xù)專

業(yè)課學(xué)習(xí)。

(2)通過本課程學(xué)習(xí)，提高科學(xué)素質(zhì)和科學(xué)研究能力

物理學(xué)的特點(diǎn)是以系統(tǒng)的觀察、實(shí)驗(yàn)同嚴(yán)密的邏輯體系相結(jié)合，把實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行高度的分析和

概括，或運(yùn)用數(shù)學(xué)為推理工具，建立物理量之間的定量關(guān)系，從而得出反映客觀事物的基本規(guī)律，

最后運(yùn)用它們分析和解決實(shí)際問題。所以，大學(xué)物理學(xué)習(xí)是理工科大學(xué)生科學(xué)能力提升的重要途徑.

①、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和頑強(qiáng)的意志

科學(xué)活動(dòng)是人類追求真理本性的集中體現(xiàn)，物理學(xué)是探求自然真理的事業(yè)。事物的本質(zhì)屬性和

相互關(guān)系并不是裸露直呈的，科學(xué)規(guī)律往往深藏于表象的背后，只有在求真的基礎(chǔ)上，以實(shí)事求是

的科學(xué)態(tài)度，運(yùn)用正確的科學(xué)方法，進(jìn)行深入的探索、思考才能得到。物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)都經(jīng)歷了

實(shí)踐——認(rèn)識——再實(shí)踐——再認(rèn)識...的艱難歷程，也正是歷代科學(xué)家鍥而不舍地長期探究物

理世界內(nèi)在奧秘的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，逐漸認(rèn)識了物質(zhì)世界的本來面目，揭示了物質(zhì)世界運(yùn)動(dòng)變化的

客觀規(guī)律，創(chuàng)造了豐富的理論與應(yīng)用的成果，鑄就了人類矢志不渝追求真理的科學(xué)傳統(tǒng)與求真精神。

物理學(xué)史中有很多科學(xué)家堅(jiān)定不移地追求真理的故事，在教學(xué)過程中，用科學(xué)家堅(jiān)忍不拔、奮斗拼

搏的精神去熏陶和感染學(xué)生，可以引導(dǎo)學(xué)生與困難做堅(jiān)決的斗爭，培養(yǎng)學(xué)生頑強(qiáng)的意志。

②、培養(yǎng)學(xué)生的觀察和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

觀察和實(shí)驗(yàn)是一切自然科學(xué)學(xué)科發(fā)現(xiàn)規(guī)律、建立理論的共同手段，也是一切理工科專業(yè)學(xué)生獲

取知識、提升能力的共同途徑。形成良好的實(shí)驗(yàn)和觀察習(xí)慣、掌握正確實(shí)驗(yàn)及觀察方法和技能，是

學(xué)習(xí)好相關(guān)理論課程的重要保證。

《大學(xué)物理》雖然只是一門理論課，但在教學(xué)過程中的演示實(shí)驗(yàn)是必不可少的，可以是用儀器

進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，也可以是用動(dòng)畫做模擬的實(shí)驗(yàn)演示，還可以是真實(shí)實(shí)驗(yàn)與模擬演示相結(jié)合。

不管哪一種方式，在實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、操作過程的控制、現(xiàn)象的觀察、數(shù)據(jù)的記錄與分析，在每一

個(gè)環(huán)節(jié)都是師生共同從事的科學(xué)研究活動(dòng)。學(xué)生通過演示實(shí)驗(yàn)，借助于科學(xué)儀器，有目的、有計(jì)劃

地感知客觀現(xiàn)象而獲取科學(xué)知識，教師教給學(xué)生正確的操作要點(diǎn)、科學(xué)的觀察方法，分析和處理數(shù)

據(jù)的注意事項(xiàng)，鼓勵(lì)學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)和觀察習(xí)慣。理論課中的演示實(shí)驗(yàn)，是為相關(guān)理論的教學(xué)

做準(zhǔn)備，具有直接的針對性，既促進(jìn)了理論知識的教學(xué)，又提高了學(xué)生的觀察、實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究能

力。

③、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和分析解決問題的能力

物理學(xué)的形成和發(fā)展是科學(xué)的思想與科學(xué)的方法論相結(jié)合的結(jié)果。普通物理學(xué)中的研究對象基

本上都是理想化的物理模型，理想化模型作為從簡單研究過渡到復(fù)雜研究的一種手段，是一種重要

的研究方法。利用理想化模型方法，能夠排除非本質(zhì)因素的干擾，舍棄次要因素和無關(guān)因素，突出

反映事物的本質(zhì)特征從而使現(xiàn)象或過程得到簡化和理想化。在大學(xué)物理教學(xué)中，學(xué)生通過對理想模

型和理想化方法的學(xué)習(xí)，不僅可以培育理工科學(xué)生的科學(xué)思想和方法，培養(yǎng)科學(xué)的抽象思維能力，

同時(shí)也為今后更深入地學(xué)習(xí)和研究做好思想和方法上的準(zhǔn)備。

教師通過對物理學(xué)中各類微積分問題的講解，可以讓學(xué)生形成將復(fù)雜對象或過程進(jìn)行分割求和、

等效替代的科學(xué)思想和微元法處理問題的方法技能。利用微積分工具在處理連續(xù)的非均勻分布的物

理對象、連續(xù)的非均勻變化物理過程時(shí)，通過無限分割，將非均勻簡化為“均勻”，將變化簡化為

“恒定”，將彎曲簡化為“平直”，從復(fù)雜形狀中切割出“簡單圖形”，從紛亂無序中建立“局域

有序”，利用有關(guān)物理規(guī)律或公式對極端簡化后的微元寫出元量后，再累積求和（積分）。微積分

中充滿了科學(xué)家的智慧，用微積分方法分析和解決較為復(fù)雜的物理問題，不僅能讓學(xué)生感受到物理

學(xué)研究中的美妙與神奇，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維和哲學(xué)素養(yǎng)。

觀察、實(shí)驗(yàn)、假說、驗(yàn)證等是物理學(xué)的基本研究方法，不僅適用于自然科學(xué)的研究，也適用于

其它科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和各種工作領(lǐng)域。分析、綜合、抽象、概括、歸納、演繹、類比等是物理學(xué)科中

常用的科學(xué)方法，更普遍應(yīng)用于各種生活和工作活動(dòng)中，科學(xué)方法可以說是一個(gè)人終身不可缺少的

基本素質(zhì)。理工科學(xué)生在物理課中受到的科學(xué)方法教育，以及在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題過

程中運(yùn)用科學(xué)方法取得成功的經(jīng)驗(yàn)，會在以后的問題中自覺地運(yùn)用并逐漸得到升化。當(dāng)今后走上工

作崗位，即使忘記了具體的物理概念和規(guī)律，但物理思想方法仍然能指導(dǎo)他們作為社會的人，形成

善于分析問題、歸納總結(jié)、分類評價(jià)、綜合比較、概括判斷等工作方法，自覺運(yùn)用內(nèi)化了的物理思

想方法思考問題、解決問題，并具備實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的意識。理工科學(xué)生在普通物理中受到的

物理思想方法的教育和培育，將終身受益。

④、培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力

物理學(xué)在長期的發(fā)展過程中，形成了一整套科學(xué)思維方法，這些思維方法是物理學(xué)的紐帶，使

整個(gè)物理學(xué)體系渾然一體。在大學(xué)物理學(xué)習(xí)中了解科學(xué)家建立物理概念、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的歷史過程,

循著科學(xué)家的思維方法和探索途徑來“發(fā)現(xiàn)”物理概念和規(guī)律，從而受到科學(xué)家的思維方法和研究

方法的熏陶。如科學(xué)家通過抽象與概括得出了質(zhì)點(diǎn)、剛體、理想氣體、點(diǎn)電荷、試驗(yàn)電荷、純電阻、

純電容等物理模型來區(qū)分物理對象及過程的主要因素和次要因素，以便于思考和研究；牛頓通過分

析和綜合的方法得出了最基本的力學(xué)定律——牛頓第二定律；庫侖在萬有引力定律的啟發(fā)下精心設(shè)

計(jì)扭秤實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電磁學(xué)史上的第一個(gè)定量規(guī)律——庫侖定律；愛因斯坦受麥克斯韋電磁場理論

中的真空中光速為普適量，與光源和觀察者的運(yùn)動(dòng)無關(guān)的啟發(fā)，為了解釋邁克爾孫——莫雷實(shí)驗(yàn)的

“零結(jié)果”，提出了光速不變原理及相對性原理，在此基礎(chǔ)上建立了全新的時(shí)空理論——狹義相對

論，并在狹義相對論的基礎(chǔ)上，巧妙地運(yùn)用等效思維，將引力幾何化，進(jìn)一步發(fā)表了廣義相對論；

普朗克為了解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，徹底打破了經(jīng)典的能量連續(xù)觀念，提出了全新的量子化概念,

為量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。相對論和量子力學(xué)成為了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論支柱。通過物理課

的學(xué)習(xí)，明白物理學(xué)家是如何進(jìn)行研究工作的，可以幫助學(xué)生奠定科研基礎(chǔ)，提高專業(yè)素質(zhì)。

學(xué)習(xí)大學(xué)物理是培養(yǎng)創(chuàng)造力的一種有效措施。在大學(xué)物理教學(xué)中，從真實(shí)的物理學(xué)認(rèn)識發(fā)展的

歷史進(jìn)程中，展示物理學(xué)探索過程中問題背景的演化，闡明重大物理學(xué)問題的產(chǎn)生的歷史條件，及

其所導(dǎo)致的深遠(yuǎn)影響，可以培養(yǎng)學(xué)生提出科學(xué)問題的能力和獨(dú)立思考的能力。物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)

為基礎(chǔ)的科學(xué)，它的基本理論和公式的得出過程完整地再現(xiàn)了科學(xué)家通過獨(dú)立思考、實(shí)驗(yàn)、分析、

綜合、創(chuàng)造和再發(fā)現(xiàn)的認(rèn)知過程。在物理學(xué)習(xí)的過程中，可以學(xué)習(xí)復(fù)制各種與物理學(xué)家曾今使用過

的類似的實(shí)驗(yàn)儀器，重復(fù)和驗(yàn)證物理學(xué)的重要規(guī)律，使用構(gòu)建現(xiàn)代科學(xué)的系統(tǒng)方法、信息方法、統(tǒng)

計(jì)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行物理系統(tǒng)的分析和研究，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)建一些新的實(shí)例，通過觀

察分析圖表數(shù)據(jù)的變化，對實(shí)例進(jìn)行研究，總結(jié)出新的結(jié)論，不斷嘗試用此方法分析和研究新的問

題，在潛移默化中不斷形成和提高創(chuàng)新能力。

(2)通過本課程學(xué)習(xí)，培養(yǎng)人文素養(yǎng)和辯證唯物主義世界觀

物理學(xué)的發(fā)展史物理學(xué)與人文學(xué)科相互融合滲透的過程，從亞里士多德時(shí)代的自然哲學(xué)到牛頓

時(shí)代的經(jīng)典力學(xué)，直到現(xiàn)代物理學(xué)中的相對論和量子力學(xué)，都是物理學(xué)家的科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)精神以

及科學(xué)思維的有形體現(xiàn)。在大學(xué)物理教學(xué)中多視角、多方面、多途徑的滲透人文教育，可以提高學(xué)

生的思想品質(zhì)、倫理道德和品格情操。

①、培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感和愛國主義熱情

早在春秋戰(zhàn)國時(shí)期，以《墨經(jīng)》和《考工記》為代表的中國古代典籍中就大量記載了對物理現(xiàn)

象的認(rèn)識和應(yīng)用，尤其是《墨經(jīng)》對力學(xué)和光學(xué)方面的探索，當(dāng)時(shí)就給出了杠桿定律的定性表述和

光學(xué)方面的基本規(guī)律，完全可以與阿基米德的杠桿定律和歐幾里得的相媲美。先秦兩漢開始到隋唐

五代1200年間，我國的古代物理學(xué)取得了較大發(fā)展，如漢代的透光鏡、銅鏡，東漢的渾天儀和地動(dòng)

儀，后漢的龍骨水車等，都在全世界的科學(xué)史上留下了光輝的一頁。通過對我國物理學(xué)史的介紹，

有利于學(xué)生樹立民族自豪感和自信心，激發(fā)學(xué)生對祖國的熱愛，肩負(fù)起強(qiáng)烈的社會責(zé)任感和民族復(fù)

興的使命感。

②、培養(yǎng)學(xué)生的審美素養(yǎng)加深對科學(xué)美的認(rèn)識

大學(xué)物理中蘊(yùn)含著大量的形式多樣的科學(xué)美，如對稱、和諧、簡潔、多樣統(tǒng)一等。物理學(xué)之美

包括理論之美和現(xiàn)象之美。簡潔生動(dòng)的愛因斯坦相對論，對稱和諧的麥克斯韋方程組，婀娜百態(tài)的

李薩茹曲線，絢麗多彩的牛頓環(huán)光斑都給人美的享受。愛因斯坦相對論是科學(xué)美的典范，集經(jīng)典物

理之大成而加以發(fā)展，使空間和時(shí)間、質(zhì)量與能量、慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量、動(dòng)量守恒與能量守恒、

慣性系與非慣性系統(tǒng)一了起來，無論是內(nèi)容還是形式都給人美不勝收的感受。

對科學(xué)美認(rèn)識越深刻，則對物理規(guī)律的理解也就越透徹，例如對“洛倫茲變換”的理解。讓我們

從審美的角度來學(xué)習(xí)這組方程，理解其深刻的內(nèi)涵。首先，從簡潔美的角度理解：洛倫茲變換應(yīng)該

是線性的，否則會破壞時(shí)間和空間的均勻性。其次，從對稱美的角度理解：時(shí)間和空間的地位應(yīng)該

是對等的，空間和時(shí)間變換相互依賴。最后，從和諧美的角度理解：時(shí)間不再是一個(gè)獨(dú)立的參量，

應(yīng)該是“時(shí)空四維坐標(biāo)”中的一個(gè)坐標(biāo)軸。大學(xué)物理中的科學(xué)美比比皆是，通過大學(xué)物理學(xué)習(xí)，能

加深對科學(xué)美的認(rèn)識，提高對自然科學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

③、培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀

通過《大學(xué)物理》學(xué)習(xí)，加深對辯證唯物主義認(rèn)識論、方法論的理解，如“世界是物質(zhì)的”、

“運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)不可分割的屬性”、“物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)的發(fā)展變化是有其基本規(guī)律的”。物理學(xué)的發(fā)展與

人類哲學(xué)理論的發(fā)展有著極為特殊的密切關(guān)系。大學(xué)物理教學(xué)結(jié)合物理學(xué)的具體內(nèi)容，可以生動(dòng)而

深刻揭示物質(zhì)第一性、物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)性、對立與統(tǒng)一、量變與質(zhì)變、否定之否定等規(guī)律。從而使學(xué)生

深刻領(lǐng)會辯證唯物論是關(guān)于自然界、人類社會和思維發(fā)展最一般的規(guī)律，是正確且科學(xué)的世界觀。

例如：從盧瑟福對原子核式結(jié)構(gòu)模型的建立，到玻爾將量子論引入原子系統(tǒng)對盧瑟福原子模型的修

正，再到現(xiàn)代量子力學(xué)對玻爾原子理論的揚(yáng)棄：從亞里士多德自然哲學(xué)對運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系的認(rèn)識，

到牛頓在伽利略斜面實(shí)驗(yàn)啟發(fā)下建立的力學(xué)運(yùn)動(dòng)定律，再到愛因斯坦相對論對牛頓力學(xué)的修改和發(fā)

展等都會使學(xué)生體會到只有辯證唯物主義才是真正科學(xué)的世界觀，而且人類對客觀世界的認(rèn)識是永

無止境的，需要我們用辯證唯物主義認(rèn)識論和方法論來進(jìn)行研究。

3.教師簡介

4.先修課程：高等數(shù)學(xué)

5.課程目標(biāo)

5.1知識與技能方面

根據(jù)《大學(xué)物理（1）教學(xué)大綱》的要求，本課程一方面在于為學(xué)生較系統(tǒng)地打好必要的物理基

礎(chǔ)，為理工科各專業(yè)課及其技術(shù)基礎(chǔ)課打好基礎(chǔ)。本期教學(xué)內(nèi)容主要是“質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)”、“牛頓運(yùn)

動(dòng)定理”、“功和能”、“動(dòng)量和沖量定理”、“剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)”、“真空中的靜電場”、“靜

電場中的導(dǎo)體和電介質(zhì)”、“真空中穩(wěn)恒電流的磁場”、“磁介質(zhì)”、“電磁感應(yīng)”等章節(jié)，除此

之外，適當(dāng)介紹近代與現(xiàn)代物理的最新發(fā)展以及對于當(dāng)代科技有重大影響的物理學(xué)研究成果及應(yīng)用。

另一方面著眼于學(xué)生能力的培養(yǎng)和科學(xué)