《普通物理一》课程教学大纲

《普通物理一》课程教学大纲课程编号：0612051课程总学时/学分：64/3.5（其中理论64学时，实验0学时）课程类别：学科基础与专业必修课一、教学目的和任务本课程是四年制本科院校物理专业必修的重要基础课程。通过本课程的教学，应达到下列目标：(1)使学生比较系统地掌握力学基础知识并能比较灵活地加以运用，且为后继专业基础课程的学习及进一步获取有关知识奠定必要的物理基础。(2)使学生了解物理学的研究方法，培养学生独立分析问题和解决问题的能力，培养学生的创新精神。(3)使学生掌握科学的学习方法，真正达到从学会到会学，培养学生有较强的独立思考能力和创造能力，较快进入科学发展的前沿。（4）使学生比较深刻的理解中学物理力学教材，并能独立解决今后在工作中遇到的一般力学问题。(5)培养学生的辩证唯物主义世界观，提高学生综合素质。二、教学基本要求教学要求：在教学过程中，要着眼于物理学整体教学，注意用现代的观点审视、选择和组织好传统的教学内容，要适当的为物理学的前沿打开窗口和安装接口，开阔学生的眼界、启迪并激发学生的探索和创新精神，更深层次地提升其科学素质。使学生了解人类文明发展的现状是人才素质培养的一个重要方面。教学重点：质点运动学规律，描述运动的各物理量之间的关系；质点动力学规律，牛顿三定律、动量定理及动量守恒定律的正确应用；质点系动力学规律，质心运动定理，动量定理及动量守恒定律的应用，功和能的关系，动能定理、功能原理、机械能守恒定律的应用；角动量的概念，对参考点和对转轴的角动量及力矩的计算，角动量定理及角动量守恒定律的应用；开普勒三定律，万有引力定律，三个宇宙速度；刚体的运动学描述方法，刚体的动量定理、质心运动定理，，刚体定轴转动的转动惯量，动力学规律（转动定理，角动量定理及守恒定律，动能定理，机械能守恒定律等），刚体平面运动的动力学，刚体的平衡；描述简谐振动的物理量之间的关系，简谐振动的判定方法（动力学方程），简谐振动的运动学方程，旋转矢量法，简谐振动的合成规律；波的形成，平面简谐波方程，波的能量特点，驻波；伯努利方程。与教学计划中前后课程的联系：本课程是物理学专业第一门专业基础课程，需要用到高等数学知识。本课程还是后续专业课，如电磁学、热学、光学、理论力学等的基础。教学方法：本课程采用课堂理论讲授为主、精讲多练，并且安排一定数量的习题课教会学生如何利用所学知识来解题。在各章中均可安排一定内容引导学生自学，对要求自学的内容布置思考题或讨论题提高学生思考问题和解决问题的能力。在刚体、振动、波动等章节中应安排一定的演示实验并辅以多媒体教学相结合的多种教学手段开展教学。要求学生养成课前预习、课后复习的好习惯。独立、认真、按时完成作业。课堂上积极思考并参加讨论。注重掌握基本概念、基本规律，加强物理学基本方法及基本技能的训练。作为高校第一门专业基础课程，在教学过程中要注意自学能力、动手实践本领的培养。三、教学内容及学时分配第一章物理学和力学（2学时）第一节发展着的物理学第二节物理学科的特点第三节时间和长度的计量第四节单位制和量纲第五节数量级估计第六节参考系﹒坐标系与时间坐标轴第七节力学——学习物理学的开始教学要求：（1）使学生明确物理学的研究对象及其内容分类。明确力学的研究内容及它在物理学中的地位。（2）明确物理学与其他科学技术的关系及在现代化建设和科学研究过程中的地位和作用。激发学生的学习热情，巩固学生的专业思想。（3）了解大学物理学的学习方法。（4）掌握时间和空间的测量方法及标准。明确单位制、量纲的重要性。教学重点：本课程的发展概况、内容、任务、学习方法及在物理学及整个科学发展过程中所起的作用；时间与空间的计量；单位制与量纲。教学难点：量纲的计算。第二章质点运动学（10学时）数学知识：微积分初步、矢量第一节质点的运动学方程、位置矢量、位移第二节瞬时速度矢量与瞬时加速度矢量第三节质点直线运动——从坐标到速度和加速度第四节质点直线运动——从加速度到速度和坐标第五节平面直角坐标系·抛体运动第六节自然坐标·切向和法向加速度第七节极坐标系、径向速度与横向速度第八节伽利略变换教学要求:（1）掌握微积分初步和矢量的基本概念和运算方法。（2）理解参照系的概念，理解引入时空坐标的必要性并能恰当地选择坐标系。正确理解质点这一理想模型。（3）能够正确理解位置坐标和位置矢量、运动学方程、位移和路程、速度和速率的基本概念，突出标量性和矢量性间的区别。（4）深刻理解速度和加速度的瞬时性，矢量性和相对性。并且能够运用简单的微积分方法研究直线运动。学会从直线运动的速度图线和位移图线计算各种直线运动的位移、速度及加速度。（5）能够利用平面直角坐标系和自然坐标系研究质点的平面运动，理解和掌握法向和切向加速度的概念，能够处理抛体运动、圆周运动等二维运动问题。（6）理解位矢、速度、加速度的矢量性、瞬时性和相对性，掌握经典速度合成公式并会运用。学会从直线运动的速度图线和位移图线计算各种直线运动的位移、速度及加速度。（7）理解相对速度的概念，并能运用于解决相对运动的速度问题。教学重点：质点的运动方程，两类运动学问题；三种坐标系；伽利略变换。教学难点：自然坐标系，极坐标系的应用。第三章动量·牛顿运动定律·动量守恒定律（8学时）第一节牛顿第一定律和惯性参考系第二节惯性质量和动量第三节主动力和被动力第四节牛顿运动定律的应用第五节非惯性系中的动力学第六节用冲量表述的动量定理第七节质点系动量定理和质心运动定理第八节动量守恒定律教学要求：（1）讲授中对动量定理的普遍意义和突出作用应进行适当的介绍。讨论牛顿运动定律的建立过程，使学生对定律的实质有所认识。（2）牢固掌握第一定律的确切表述和由该定律提出的几个概念：①力的定性定义；②惯性的定义；③惯性参照系的概念。（3）全面准确地掌握牛顿第二定律的语言表述和数学形式。真正理解力与加速度的矢量性和瞬时关系。理解“力的独立性原理”的内容。（4）牢固掌握第三定律的表述和数学形式。（5）掌握重力、弹性力、摩擦力等主动力和被动力的概念和基本规律，并能熟练地运用牛顿运动定律求解质点的动力学问题。（6）要求理解力学的相对性原理的内容及其在经典力学中的重要含义。（7）对非惯性系仅限于介绍直线加速和匀角速转动的情况，掌握在非惯性系中运用惯性力求解问题的方法。科里奥利力不做要求。（8）深入理解质点的动量、力的冲量概念，质点和质点系的动量定理和质心运动定理，以及动量守恒定律及其应用条件。教学重点：牛顿运动定律，非惯性系中的动力学问题，动量定理，质心运动定理，动量守恒定律。教学难点：非惯性力的分析，质心运动定理的应用。第四章动能和势能（7学时）第一节能量第二节功的概念、功的计算第三节质点和质点系动能定理第四节保守力与非保守力·势能第五节功能原理和机械能守恒定律第六节对心碰撞第七节非对心碰撞第八节质心参考系的运用·粒子的对撞教学要求：（1）确切理解力作功的定义。在学会变力的元功的基础上掌握变力作功的基本方法。（2）确切掌握质点动能定义，熟悉质点和质点系动能定理的推导过程，运用定理求解力学问题。（3）深刻认识功能关系，强调功是能量转换或变化的量度。（4）能区分保守力和非保守力，掌握势能的概念，会熟练计算重力势能和弹性势能。（5）正确掌握质点系的功能原理与机械能守恒定律，并能运用它们解决动力学的问题。（6）能综合运用动量和动能概念研究碰撞等力学问题。教学重点：变力做功的计算，动能定理，保守力做功的特点，势能的定义和计算，功能原理，机械能守恒定律，碰撞问题的处理方法。教学难点：变力做功的计算，势能的计算，非对心碰撞问题，柯尼希定理。第五章角动量·关于对称性（5学时）第一节质点的角动量第二节质点系的角动量定理及角动量守恒定律第三节质点系对质心的角动量定理和守恒定律第四节对称性、守恒律（选学）第五节经典动力学的适用范围教学要求：（1）理解力对某参考点的矩的定义，牢固掌握力对某轴的矩的概念。了解力对点和力对轴的矩之间的关系。（2）理解质点对某点的角动量概念和角动量定理及其守恒定律的内容、数学表述，并能推导上述公式。（3）掌握质点对轴的角动量定理及其守恒定律的内容和数学表述，学会运用该定理和定律解决质点对绕某点某轴运动的问题。（4）掌握质点系对点对轴的角动量定理及其守恒定律的内容和数学表述。（要求重点掌握对轴的规律）。（5）介绍能量、动量和角动量守恒定律与时空对称性的关系。（6）明确经典动力学的适用范围。教学重点：角动量的概念，角动量定理及守恒定律的应用。教学难点：角动量和力矩的概念，角动量定理及守恒定律的应用。第六章万有引力定律（3学时）第一节开普勒定律第二节万有引力定律·引力质量与惯性质量第三节引力势能第四节潮汐（选学）教学要求：（1）了解和掌握开普勒三定律在天文学中的重要作用和具体内容。（2）介绍万有引力定律的建立过程和其重要地位。（3）掌握由万有引力的功确定引力势能的方法。（4）能推导第一、第二宇宙速度，了解三种宇宙速度的意义。（5）明确重力与万有引力之间的联系和区别，明确地球自转对重量的影响。教学重点：开普勒定律，万有引力定律，三个宇宙速度的计算，地球自转对重量的影响。教学难点：万有引力定律的推导，第二、三宇宙速度的计算。第七章刚体力学（10学时）第一节刚体运动的描述第二节刚体的动量和质心运动定理第三节刚体定轴转动的角动量·转动惯量第四节刚体定轴转动的动能定理第五节刚体平面运动的动力学第六节刚体的平衡第七节自转与旋进（选学）教学要求：（1）理解刚体模型的特征。掌握刚体力学中的主要概念和规律。（2）区别刚体绕定轴转动和平动的定义。牢固掌握刚体定轴转动的运动学方程、角位移、角速度和角加速度的定义及其数学表式。熟练掌握定轴转动刚体的角量与其上一点的线量之间的关系，并要求能够运用角位移、角速度概念、匀变角速运动公式及角量线量关系处理刚体定轴转动运动学问题。（3）明确质心和重心的区别和联系，要求用简单的积分法求刚体的质心。掌握质心运动定理并能正确应用。（4）掌握刚体对某定轴转动惯量的定义，要求能用积分法求对称刚体对轴的转动惯量和熟练地应用转动惯量的可加性、平行轴定理和垂直轴定理求转动惯量。并着重指出计算刚体转动惯量与质心的区别。（5）着重掌握刚体定轴转动定理的内容和数学表式；要求能联合运用刚体定轴转动定理以及牛顿定律和质心运动定理解决涉及刚体定轴转动的动力学问题。（6）牢固掌握绕定轴转动刚体的动能和重力势能的概念。明确力矩的功实际上是力的功的具体体现。较熟练地运用刚体定轴转动的动能定理和机械能守恒定律解题。（7）对角动量只要求掌握对轴的角动量定理和角动量守恒定律。掌握力矩对轴的冲量矩概念，理解质点和定轴转动刚体组成的物体系对转轴的角动量，并掌握该体系所满足的角动量定理以及守恒定律，能应用以上规律列出的方程求解问题。（8）明确作用在刚体上的力是滑移矢量，了解力偶矩与力矩的区别和联系，掌握平面力系的简化方法，牢固掌握并熟练运用刚体的平衡方程。明确刚体所受的力是滑移矢量，介绍力偶概念，掌握几种类型的刚体平衡方程。（9）对刚体的平面平行运动仅讨论圆柱体的纯滚动。对滚动摩擦力偶矩只作简单介绍。掌握刚体平面运动的基本运动学方程，能求解简单的刚体平面运动动力学问题。（10）了解自转与旋进，了解回转仪的应用。教学重点：刚体的定轴转动的运动学和动力学规律，转动惯量的计算，平面运动的动力学方程，刚体的平衡条件。教学难点：刚体定轴转动的转动定理，转动惯量的计算，综合应用转动定理、质心运动定理、牛顿定律解决动力学问题的方法，平面运动的动力学，刚体的平衡条件。第八章弹性体的应力和应变（2学时）第一节弹性体的拉伸和压缩第二节弹性体的剪切形变第三节弯曲和扭转（选学）教学要求：（1）了解杆内正应力的定义和数学表述及拉伸压缩的胡克定律，理解杨氏模量的物理意义和胡克定律的适用条件。（2）介绍固体拉伸压缩形变势能和势能密度公式。（3）理解剪切应力和剪切形变和胡克定律的内容和数学表示式，理解剪切模量的概念。（4）了解梁的弯曲和杆的扭转的基本知识。教学重点：应力和应变的概念，胡克定律，杨氏模量的定义。教学难点：杨氏模量的物理意义。第九章振动（6学时）第一节简谐振动的动力学特征第二节简谐振动的运动学第三节简谐振动的能量转换第四节简谐振动的合成第五节振动的分解第六节阻尼振动（选学）第七节受迫振动（选学）第八节混沌行为（选学）第九节参数振动·自激振动（选学）教学要求：（1）牢固掌握简谐振动的动力学特征，深刻理解振幅、圆频率、位相差等概念，并能熟练地运用动力学方程、线性回复力（力矩)来判断系统是否作简谐振动。（2）熟练掌握用简谐振动运动学方程、图线表示法和矢量表示法来描述简谐振动。学会确定系统的固有圆频率、振幅和初相位。熟练确定振动系统的运动状态与相位间的关系。根据已知条件正确写出作简谐振动系统的运动学方程，画出图线，定出旋转矢量的位置。（3）能够推导简谐振动的动能、势能及总机械能的表达式，从而认识简谐振动的能量转化关系。（4）简谐振动的合成主要重点放在讲授同方向同频率的两个振动的合成，介绍“拍”现象及产生条件。介绍相互垂直同频率两简谐振动的合成方法，对李萨如图形进行适当的讨论。（5）简单介绍振动的分解。（6）阻尼振动和受迫振动以定性讨论为主，对共振现象应予足够的重视。（7）对参数振动、自激振动及混沌行为只作简单介绍。教学重点：简谐振动的动力学特征、判定方法，简谐振动运动学方程的确定，旋转矢量图法，简谐振动的能量特点，简谐振动的合成。教学难点：旋转矢量图，振幅和初相位的确定，拍现象“拍频”的确定方法。第十章波动和声（7学时）第一节波的基本概念第二节平面简谐波方程第三节波动方程与波速第四节平均能流密度·声强与声压第五节波的叠加和干涉·驻波第六节多普勒效应教学要求：（1）理解振动与波动的区别和联系。正确理解波是振动状态的传播，明确形成机械波的条件，了解波的分类。建立波面、波前及波射线的概念。（2）牢固掌握平面简谐波方程，熟练地进行有关计算。（3）掌握波的干涉，明确驻波与行波的区别。（4）对声波只作一般介绍，以弦及气体柱振动为例来讨论声源，对超声波只作简单介绍。（5）理解多普勒效应产生的原因，掌握其公式并会运用。教学重点：波的形成，平面简谐波方程的确定，波的干涉条件，驻波的特点，多普勒效应的分析。教学难点：平面简谐波方程的确定，驻波的分析，多普勒效应的理解。第十一章流体力学（4学时）第一节理想流体第二节静止流体内的压强第三节流体运动学的基本概念第四节伯努利方程及其应用第五节流体的动量和角动量（选学）第六节黏性流体的运动（选学）第七节固体在流体中受的阻力（选学）第八节机翼的升力（选学）教学要求：（1）掌握流体内一点压强的概念和流体内压强的分布规律并会运用。（2）掌握连续性方程和伯努利方程，并能用以解决稳定流动时的一般问题。（3）理解速度梯度的概念，了解黏性流体的运动，对泊肃叶公式和斯托克斯公式直接给出结果，说明应用。（4）对动量定理及角动量定理在流体中的应用只作介绍。（5）对流体中运动物体所受的阻力和机翼的升力做一般介绍。教学重点：流体内的压强的分布规律，连续性方程，伯努利方程。教学难点：连续性方程，伯努利方程。第十二章相对论简介（选学）第一节狭义相对论的历史背景第二节洛伦兹变换第三节相对论的速度变换第四节相对论的动量和能量第五节广义相对性原理第六节引力场与弯