《大学物理29》课程教学大纲

《大学物理（1）》课程实施大纲

目录

1.教学理念.............................................1

2.课程介绍.............................................3

2.1课程的性质.........................................

错误!未定义书签。

2.2课程在学科专业结构中的地位、作用...................

错误!未定义书签。

2.3课程的历史与文化传统...............................3

2.4课程的前沿及发展趋势...............................5

2.5课程与经济社会发展的关系...........................8

2.6课程内容可能涉及到的伦理与道德问题................10

2.7学习本课程的必要性................................10

3.教师简介.............................................14

3.1教师的职称、学历...................................14

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

3.3研究兴趣（方向）..................................14

4.先修课程.............................................14

5.课程目标.............................................14

6.课程内容............................................16

6.1课程的内容概要....................................16

6.2教学重点、难点....................................18

6.3学时安排..........................................18

7.课程实施...............................................19

7.1教学单元一.........................................19

7.1.1教学日期........................................19

7.1.2教学目标.......................................19

7.1.3教学内容（含重点、难点）........................19

7.1.4教学过程.......................................19

7.1.5教学方法........................................26

7.1.6作业安排及课后反思..............................26

7.1.7课前准备情况及其他相关特殊要求..................26

7.1.8参考资料........................................26

7.2教学单元二..........................................26

7.2.1教学日期.......................................26

722教学目标........................................26

723教学内容（含重点、难点）........................26

724教学过程........................................27

7.2.5教学方法........................................30

7.2.6作业安排及课后反思..............................30

7.2.7课前准备情况及其他相关特殊要求..................30

7.2.8参考资料........................................30

7.3教学单元三.........................................30

7.3.1教学日期.......................................30

732教学目标........................................30

7.3.3教学内容（含重点、难点）.......................30

7.3.4教学过程.......................................31

7.3.5教学方法.......................................33

7.3.6作业安排及课后反思.............................33

7.3.7课前准备情况及其他相关特殊要求.................33

7.3.8参考资料.......................................33

7.4教学单元四.........................................33

7.4.1教学日期........................................33

742教学目标........................................33

7.4.3教学内容（含重点、难点）........................34

7.4.4教学过程........................................34

7.4.5教学方法........................................39

746作业安排及课后反思..............................39

7.4.7课前准备情况及其他相关特殊要求..................39

7.4.8参考资料........................................39

7.5教学单元五.........................................39

7.5.1教学日期........................................39

752教学目标........................................39

7.5.3教学内容（含重点、难点）........................39

7.5.4教学过程........................................40

7.5.5教学方法........................................50

7.5.6作业安排及课后反思..............................50

7.5.7课前准备情况及其他相关特殊要求..................50

7.5.8参考资料........................................50

7.6教学单元六.........................................50

7.6.1教学日期........................................50

762教学目标........................................50

763教学内容（含重点、难点）........................51

7.6.4教学过程........................................51

7.6.5教学方法........................................57

7.6.6作业安排及课后反思..............................57

7.6.7课前准备情况及其他相关特殊要求..................57

768参考资料........................................57

7.7教学单元七.........................................57

7.7.1教学日期........................................57

7.7.2教学目标........................................57

7.7.3教学内容（含重点、难点）........................58

7.7.4教学过程........................................58

7.7.5教学方法........................................63

7.7.6作业安排及课后反思..............................63

7.7.7课前准备情况及其他相关特殊要求..................63

778参考资料........................................63

7.8教学单元八.........................................63

7.8.1教学日期........................................63

7.8.2教学目标........................................63

7.8.3教学内容（含重点、难点）........................63

7.8.4教学过程........................................64

7.8.5教学方法........................................68

786作业安排及课后反思..............................68

7.8.7课前准备情况及其他相关特殊要求..................69

7.8.8参考资料........................................69

7.9教学单元九.........................................69

7.9.1教学日期........................................69

7.9.2教学目标........................................69

7.9.3教学内容（含重点、难点）........................69

7.9.4教学过程........................................69

7.9.5教学方法........................................71

796作业安排及课后反思..............................71

7.9.7课前准备情况及其他相关特殊要求..................71

798参考资料........................................71

7.10教学单元十........................................71

7.10.1教学日期.....................................71

7.10.2教学目标.....................................71

7.10.3教学内容（含重点、难点）......................71

7.10.4教学过程.....................................72

7.10.5教学方法......................................76

7.10.6作业安排及课后反思............................76

7.10.7课前准备情况及其他相关特殊要求................76

7.10.8参考资料......................................76

7.11教学单元H-—..............................................................................76

7.11.1教学日期......................................76

7.11.2教学目标......................................76

7.11.3教学内容（含重点、难点）......................77

7.11.4教学过程......................................77

7.11.5教学方法......................................81

7.11.6作业安排及课后反思............................81

7.11.7课前准备情况及其他相关特殊要求................81

7.11.8参考资料......................................81

8.课程要求.............................................81

8」学生自学要求.....................................81

8.2课外阅读要求.....................................82

8.3课堂讨论要求.....................................82

8.4课程实践要求.....................................82

9.课程考核.............................................82

9.1出勤（迟到、早退等）、作业、报告等的要求..........82

9.2成绩的构成与评分规则说明.........................82

9.3考试形式及说明...................................82

10.学术诚信............................................82

10.1考试违规与作弊处理..............................82

10.2杜撰数据、信息处理等............................82

10.3学术剽窃处理等..................................82

11.课堂规范...........................................83

11.1课堂纪律........................................83

11.2课堂礼仪........................................83

12.课程资源............................................83

12.1教材与参考书....................................83

12.2专业学术著作....................................84

12.3专业刊物........................................84

12.4网络课程资源....................................84

12.5课外阅读资源....................................84

13.教学合约............................................84

13.1教师作出师德师风承诺............................84

13.2阅读课程实施大纲，理解其内容....................85

13.2同意遵守课程实施大纲中阐述的标准和期望..........85

14.其他说明............................................85

1.教学理念

1.1关注学生的发展

大学的根本职能是培养人才，它的终极目标应是造就高层次全面发展的人才，是对实现人的全

面发展的一种高层次的追求，对实现社会政治、经济、文化和科学技术全面发展并不断创新的一种

高层次的价值追求。台湾社会学家杨国枢教授指出了大学教育必须同时达到以下五大类目标：（1）

培养大学生对自己内在身心特质的了解；（2）培养大学生求取新知的方法与能力；（3）培养大学

生适应个人生活所需要之较高品质的能力、情操及行为；（4）培养大学生适应社会生活所需要之较

高品质的能力、情操及行为；（5）培养大学生理解与关怀全世界、全人类所需之较高品质的能力、

情操及行为。

大学物理课程以物理学基础知识和物理学在科学技术上的应用为内容，是工科院校学生的一门

必修课，不仅其知识内容是学生后续专业学习的必备基础，更主要的是可以培养学生分析问题、解

决问题的能力，这对他们以后的学习、工作和生活都非常重要。所以在教学中除了知识的传授，更

要注重学生能力的培养和提高。

1.2关注教学的有效性

有效教学是指教师在通过一段时间的教学之后，学生获得了具体的进步或发展，也就是说，学

生有无进步或发展是教学有没有效益的唯一指标。为保证教学的有效性促成有效教学目的的实现，需

做到以下几点：（1）根据大学物理的特点，做好课堂设计；（2）努力营造以学生为本的和谐的课

堂环境；（3）课堂上师生互动与沟通；（4）课堂外良好的师生交往。

1.3关注教学的策略

根据“以教师为主导，学生为主体”的教学理念，可将教学策略分为两种基本类型：产生式教

学策略和替代式教学策略。

产生式教学策略是“以学为主”的策略。鼓励学生自己从教学中建构具有个人特有风格的学习，

让学生自己安排和控制学习活动，在学习过程中处于主动地处理教学信息的地位。优点：（1）可以

积极地把信息与他们自己的认知结构联系起来，对信息的处理过程主动深入，因此学习效果较好；

（2）允许学生自主地设计、实践和改善他们的学习策略，有利于提高学生的学习能力；（3）由于

产生式教学策略主要出自学生自己，因此可以激发起学生对学习任务和学习过程、学习策略的积极

性，更利于培养学习兴趣等。缺点：（1）该策略若设计不妥，可能导致认知超载或情绪低落，或是

需要学生花费大量的时间进行学习；（2）学习的成功依赖于学生先前已具有的知识和学习策略的广

度。

替代式教学策略是“以教为主''的策略。主要是教师替学生处理教学信息，它是传统教学中的常

用策略。它更多地倾向于教师给学生提出教学目标、组织提炼教学内容、安排教学顺序、指导学生

学习。优点：（1）比产生式教学策略效率高，能使学生在短期内学习许多内容；（2）知识储备有

限和学习策略不佳的学生可以获得成功的学习。缺点：（1）因为学生智力投入少，信息处理的深度

不够，因此学习效果不如产生式策略好；（2）由于教学安排过于周密，学生在学习中被动学习多于

主动学习，因而学生学习志趣难以得到充分的提升。

只有根据不同专业、不同教学内容、不同基础状况的学生，将两种教学策略有机地结合，才能

既充分发挥教师在教学活动中的主导作用又能充分发挥学生的主体作用。从学生的角度来说，教师

给予学生的正是学生需要的，才能激发他们学习的积极性和主动性，才能收到好的教学效果。

1.4关注教学价值观

教学活动不可能回避价值观问题。从历史来看，每当社会发生重大转型时，人们对教育的批判,

往往是从价值批判开始的，以重新认识教育的价值和目的开始的，并且以此为依据和出发点，再对

现实的教育活动作出更具体的评析，提出新的原则、方案乃至方式方法。究竟什么样的教学才是对

社会发展、国家兴旺最有价值的教学，在当今由应试教育向素质教育转变的时代，是当代关于中国

社会发展和教育价值观变革的研究的一大热点。如何用正确的价值观和人生观去影响学生，努力使

他们成长为身心健康的、德才兼备、有益于社会、有益于人民的人，同样是大学物理教学的重要内

容。

随着我国政治体制改革的不断深入，经济的长足发展和国外各种社会思潮的不断涌入，国际国

内形势的深刻变化，人们的价值观和人生观也发生了深刻的变化。使人们的精神思想既面临着有利

的条件，也面临着严峻的考验。社会思潮的多元化和差异性，导致人们不同程度地存在政治信仰迷

茫、理想信念模糊、价值取向扭曲等问题，这就要求必须有统一的基本价值观和价值标准，必须建

设中国特色社会主义核心价值体系：坚持马克思主义指导思想；坚持中国特色社会主义共同理想；

坚持以爱国主义为核心的民族精神和以改革创新为核心的时代精神；坚持社会主义荣辱观。

物理学的发展史也是人类文明的进步史，科学的发展巨大地推动了人类文明的进步。而在物理

学的发展历史中，处处闪烁着科学家的智慧与人格的光辉。他们为探寻客观真实而不畏艰险、不惧

失败的勇气决心；为科学的发展而前仆后继、坚持不懈的壮志豪情；为捍卫真理而勇往直前的献身

精神；在艰苦条件和恶劣环境中吃苦耐劳、奋斗不止的美好情操；在集体利益与个人利益发生冲突

时顾全大局、不计名利得失的宽广胸怀等无不激励着后人。在教学中充分挖掘和利用教学素材，将

智育与德育有机结合起来，积极培育和践行社会主义核心价值观，运用社会主义核心价值体系引领

学生的理想信仰、价值取向是大学物理教学除知识、技能之外的又一的基本任务。在教学活动中，

倡导富强、民主、文明、和谐；倡导自由、平等、公正、法治；倡导爱国、敬业、诚信、友善。为

全社会形成巨大的价值共识和思想共鸣，保证中国特色社会主义发展的正确方向是师生的共同责任

和义务。

2.课程介绍

2.1课程的性质

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用及其转化规律的自然学科。本院开设

的大学物理总学时为112学时一，其内容包括力学、电磁学、波动光学、近代物理等。该课程是理工

科各专业学生一门重要的通识性的必修基础课。它不仅为学生提供必备的物理基础知识，而且在培

养学生科学的世界观、人生观、价值观、思维方法、探索精神、创新意识等方面具有不可替代的作

用。

本期开设的《大学物理》（1）,要求学生掌握描述运动的物理量：位矢、位移、运动方程、

速度、加速度、角速度、角加速度概念；能够运用牛顿定律和转动定律分析计算力学问题；掌握动

量守恒定理、机械能守恒定理和角动量守恒定律；理解磁感应线、磁通量的概念，能计算磁通量；

理解磁场的高斯定理，理解安培环路定理，掌握应用安培环路定理计算某些具有特殊对称性电流分

布的磁场分布的基本知识，基本规律，解决物理问题的基本方法，以奠定后续专业课程学习的基础。

2.2课程在学科专业结构中的地位、作用

物理学借助数学建立统一的理论体系，旨在尽可能广泛深刻地揭示自然界的基本规律，从而使

得物理学成为了自然科学和工程技术的理论基础。它的基本理论渗透在自然科学的各个领域，应用

于生产技术的各个部门。物理学基础理论的突破导致重大高新技术领域的创立；通过物理学的进展

而逐步形成科学的物质观、自然观、时空观和宇宙观，对整个人类的文化发展产生了深刻的影响。

物理学不但为科学发展提供原理和知识，而且对社会各个方面产生直接巨大的推动或冲击。在物理

学研究中注重理性、崇尚实践的精神尤为突出，是创造性人才必须具备的素质。

非物理类专业学生学习物理学的目的，是掌握物质世界最基本、最普遍的规律，掌握物理学的

科学思想和科学思维方法，为学习各自的专业和在各自的方向做出重大发现（通常与物理学有密切

联系）、发明，成为现代社会生活中的强者，为提高学生的整体素质和培养学生的科学研究能力与

创新意识奠定基础。

2.3课程的历史与文化传统

（1）物理学为其它学科创立原理和技术

近代几乎所有的新技术领域(如微电子、原子核能、激光和信息技术等)的创立，事前均在物理学

中经过了长期的酝酿，在理论和实验上积累了大量的知识，然后才取得了突破。例如，1947年贝尔

实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱发明了晶体管，标志着信息时代的开始，继而发明了集成电路、大

规模集成电路直到现代的信息技术的应用和发展，是一部科学界几乎人人都熟悉的辉煌历史。但鲜

为人知的是，在此之前至少存在20年的“史前期”，在这个“史前期”中物理学为孕育它的诞生作了

大量的理论和实验准备。进一步的事实说明，工程技术中的基本规律均反映在物理学的各个分支领

域中，物理学在交叉学科、边缘学科的发展中最有生命力和最活跃的学科，当今纳米技术的发展同

样也体现了物理理论的基础地位。

(2)物理学为一切学科提供了基本的实验手段和基本研究方法

实验表明，几乎一切现代的实验分析方法或设备都源于物理学的相应原理或效应，如光谱分析

法、X光分析、核磁共振谱分析等。

(3)物理知识是促进各学科发展的重要基础知识

当今，科研成果转化为生产力的周期在迅速缩短，知识更新的周期也在不断地缩短，但作为

知识的核心，物理基本理论相对而言更为成熟长久。物理基础知识、原理和方法将使人们终生受益。

深厚的科学素养、深刻的科学洞察力以及在此基础上的不懈努力可以造就伟大的科学家，完成大发

明。如新式显微镜——扫描隧道显微镜(STM)的发明就是巧妙地应用了物理学中的“隧道效应”

改进了“场发射显微镜”，从而翻开了显微镜发展的新篇章.STM的分辨率达到O.lOnm,使人类第一

次能够立体显示单个原子在物质表面的排列状态.不仅如此，人们还根据其原理研制了原子力显微

镜，从而使人们实现了操纵原子的梦想。

(4)物理学与数学的关系

物理学包括其他的自然科学，都需要以数学为工具。因为数学是对数与形的简捷的概括和优美

的表达方式，所以物理规律需要用数学语言来表达，对物理规律的归纳和演绎也必须遵循数学逻辑。

高等数学的微积分是由莱布尼兹和牛顿两位科学家各自独立地创建的理论。数学家莱布尼兹在研究

曲线斜率时，发现了微积分。而当时的物理学家牛顿，为了描述他的力学定律而促使他创建了微积

分(这也是他成为著名数学家的原因)。由此可见数学在物理学中的重要作用及密切关系。同样，

物理学对数学也有同等重要的作用。物理学是数学发展的基础，很多数学模型的建立都是离不开具

体的物理问题的。可以说数学和物理是一对姊妹学科，二者相互补充、相互促进，共同发展。

数学是逻辑学，很容易漫无边际地“歪曲”自然，而物理学是求实求真的科学，其根本任务是

揭示自然界的真实面目。但是物理学要向前发展，从微观和宇观两个方向更加逼近客观真实的自然,

产生新的理论，又必须依赖于数学上的突破。数学为物理学提供极至的思维和想象空间，而物理学

又可以修正数学上的“异想天开”，数学中所有的悖论，本质上都是因为数学偏离了物理学所定义的

自然，数学上遇到的问题往往可以通过物理思维解决。

(5)物理学对化学的基础作用

物理学和化学从来都是并肩前进的。1998年的诺贝尔化学奖颁给了W.Kohn和J.A.Pople,以鼓

励他们在量子化学方面所做的开创性的贡献。颁奖的公报说，量子化学将化学带入一个新的时代，

化学不再是纯实验科学了。如果说物理化学还是物理学与化学在唯象层次上的结合，则量子化学已

深入到化学现象的微观机理。近年来，量子化学、激光化学、分子反应动力学、固体表面催化和功

能材料等物理学与化学的交叉学科，取得了长足的发展，今后两学科之间的合作将越来越密切。

(6)物理学与生物学的关系

物理学与其他自然科学学科的交叉和相互作用，曾经产生并形成了物理化学、化学物理学、生

物物理学和心理物理学以及天体物理、地球物理、大气物理、海洋物理和空间物理等诸多交叉学科。

但这种交叉和相互作用最突出的表现还在于20世纪生命科学在物理学的基础上发生了革命性的的

变化，结构的发现及其带来的广泛而深远的影响。当前生命科学中分子生物学、量子生物学、遗传

信息学、蛋白质结构等新兴学科的研究正方兴未艾。人们说21世纪是生命科学的世纪，一位物理学

家则说，21世纪是物理科学全面介入生命科学的世纪。

以上列举的仅仅是物理学与其它几个最基础的自然科学学科的关系及物理学的作用。实际上，

物理学在所有的自然科学学科中都有重要的作用。同时物理学的研究也渗透到众多学科。看看最近

儿年物理学的许多重要期刊以及许多国际物理学术会议的议程，就会发现，诸如蛋白质折叠、免疫

网络、化学健断裂、水土流失、交通堵塞等。大量本不属于物理学内容的标题，赫然入目。不管什

么问题，当物理学家用物理学的方法去研究它时，就把它变成了物理问题。

物理学是一门理论与实验高度结合结合的精确科学，物理学中有一套最全面、最有效的科学方

法。我们说，在对学生的科学素质教育中，物理课有着不可替代的重要作用，根据就在于此。

2.4课程的前沿及发展趋势

自20世纪以来，人们目睹了人类分裂原子、拼接基因、克隆动物、开通信息高速公路、纳米加工

和探索太空。很难设想，没有科学技术的飞速发展，没有原子能、没有计算机、没有半导体，

现代生活将是什么样子。与科学技术的发展一样，物理学也经历了深刻的革命。可以说，物理

学每时每刻都在不停的发展，其活跃的前沿领域很多，是最有生命力、成果最多的学科之一。

(1)物理学的前沿学科：从20世纪30年代开始，物理学理论和物理学的研究方法与其它学科

渗透产生了一系列的新学科：如量子化学、生物物理学、天体物理学、广义相对论宇宙学、高能物

理学.研究的动态情况主要趋于两个方向：一是对无限大系统的研究，偏重于对天体和宇宙的研究,

如宇宙的产生、构成、物质的层次结构，宇宙的大爆炸形成理论等。二是对无限小系统的研究，偏

重于对原子、原子核、基本粒子的研究，如基本粒子划分的标准模型，基本粒子之间的相互作用等。

(2)“无限大”和“无限小”系统物理学：“无限大”和“无限小”系统物理学是当今物理学发展

非常活跃的领域。天体物理和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴，它从早期对太阳系

的研究，逐步发展到银河系，直到对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为上世纪后半叶自然科

学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型已经成功地解释了宇宙观测的最新结果。如宇宙膨胀,

宇宙年龄下限，宇宙物质的层次结构，宇宙在大尺度范围是各向同性等重要结果。可以说具有暴胀

机制的热大爆炸宇宙模型已经现代宇宙学奠定了一定基础。但是到目前为止，关于宇宙起源的问题

仍然没有得到完全的解决，暴胀宇宙论也并非十全十美，要建立完善的宇宙理论还有待于进一步的

努力和探索。

“无限大”系统物理学还有两个比较重要的问题是“类星体”、“暗物质”和“暗能量”。“类

星体”是1961年发现的，一个类星体发出的光相当于几千个星云，而每个星云又相当于一万亿个太

阳发出的光，所以对类星体的研究具有十分重大的意义。60年代末，科学家们发现一个编号为3c271

的类星体，一天之内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世纪得到

解决。“暗物质”及“暗能量”被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题。根据最新的观测结果，“暗

物质”及“暗能量”代表了宇宙中96%左右的物质含量，而我们可以看到的物质(普通物质)只占

宇宙物质总量的4%左右。暗物质及暗能量虽然无法直接观察到，但它却能干扰星体发出的光波或引

力，其存在能被明显的感受到。

“暗物质”与“暗能量”是相区别的，科学家们从引力场观测到了暗物质的存在，约占宇宙物

质总量的23%,但暗物质究竟是什么至今尚未搞清楚。暗能量是在近些年宇宙学研究中才发现的一

个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表

明，宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的

“暗能量”。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。所

有的普通物质与暗物质加起来与宇宙中物质的总密度出现了73%的短缺，这一短缺的物质称为暗能

量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。按照相对论，这种负压强

的暗能量在长距离类似于一种反引力，近年来所发现的宇宙加速膨胀现象表明，主导今天宇宙的就

是占绝对统治地位的暗能量。

但是，诺贝尔物理学奖获得者美国华裔科学家李政道在探讨暗能量的可能来源研究中，提出了

一个新的观念是“天外有天”：因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多个宇宙；而在另一项试探

和解释美国高能核物理的新发现和暗能量的关系的研究中，他提出的观念是“核天相连”：核能也

许可以和宇宙中的暗能量相变相连。李政道认为，“20世纪初的大问题是太阳能的来源；21世纪初

的大问题是暗能量的来源”。他说，了解暗物质和暗能量，是人类在21世纪向科学的大挑战。

原子核物理和粒子物理学则属于“无限小”系统物理学的范畴，它从早期对原子和原子核的研

究，逐步发展到对粒子的研究。粒子主要包括强子（中子、质子、超子、K介子、K介子等）、轻

子（电子、N子、t子、中微子等）和媒介子（光子、胶子等）。强子是参与强相互作用的粒子的总

称，其数量占粒子种类的绝大部分；轻子是参与弱相互作用和电磁相互作用的粒子，不参与强相互

作用；而媒介子是传递相互作用的粒子。

目前，粒子物理学已经建立起了关于基本粒子的“标准模型”，“标准模型”可以正确地描述

基本粒子之间的相互作用。在标准模型中，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类，玻色子

和费米子是物质世界的两种存在。玻色子是物质存在的基础，费米子是物质存在的形式。基本粒子

中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料（如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中

微子）。而传递作用力的粒子（光子、介子、胶子、W和Z玻色子）都是玻色子。

粒子物理学标准模型中，所有的强子都是由夸克组成，夸克分为上夸克、下夸克、底夸克、顶

夸克、粲夸克、奇异夸克6味（flavour））,每一味又分为红绿蓝三色，而且都有其反粒子，共36种。

轻子有电子、四子、t子、中微子Ve、中微子作、中微子”及对应的6种反粒子，共12种。胶子分

为8种色荷，共8种胶子。因W玻色子有反粒子，所以W玻色子有2种。光子、Z玻色子和希格

斯玻色子都没有反粒子。所以，在粒子物理学标准模型中的基本粒子总共有36+12+8+2+3=61种。

标准模型已经计算出已知的各种费米子彼此间以强力、弱力、电磁力或引力作用于对方，这些

粒子通过交换规范玻色子（胶子、光子、引力子、W及Z玻色子）而实现相互作用。

粒子物理学标准模型中的61种基本粒子，现今只剩下希格斯玻色子（H粒子）尚未被发现。希

格斯玻色子也被称之为“上帝粒子”，被认为是物质的质量之源，在宇宙的形成和演化扮演着重要

角色.2010年，据国外媒体报道，参与大型强子对撞机（LHC）项目的科学家表示，他们可能已

经“接近”了希格斯玻色子，一旦找到了“上帝粒子”，人类对时空及宇宙的认识将进入一个崭新

的时代。

从表面上看，“无限大”系统物理学与“无限小”系统物理学似乎没有必然联系。其实不然，

宇宙系统与原子系统在某些方面有着惊人的相似性。宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引

力和宇宙的大尺度结构；而粒子物理学家则用量子力学来处理一些微观区域的现象。热大爆炸宇宙

模型就是这两种物理学的结合的典范。21世纪这两种物理学的结合会更加紧密，这两种物理学的结

合对人类加深对宇宙起源的认识以及科技的发展和应用方面都会产生巨大的影响。

（3）物理学发展的前沿技术：在21世纪，物理与其它学科交叉应用产生了一系列的新技术:

如新材料（超导、纳米、硅、无机稀有非金属、网络硬件材料等），如信息技术（光电子技术、人

工智能技术、网络、计算机技术等），如新能源技术（核聚变能、太阳能、海洋发电技术等），如

空间技术（航天飞机、永久太空站等），还有激光技术，微电子技术，海洋开发技术，环境污染防

治技术，生物工程技术等。

今天的物理学是什么，已经很难用传统的眼光来界定了。今天的物理学代表着一整套获取知识、

组织知识、运用知识的有效步骤和方法，即现在的物理学家们所做的工作就是物理学。

2.5课程与经济社会发展的关系

①、蒸蒸日上的凝聚态物理学

自从上世纪80年代中期发现了所谓高临界温度超导体以来，世界上对这种有着广泛的应用前景

的新材料的研究热情不减。这种新材料在液氮温区下传到电流而没有阻抗。高临界温度超导材料的

研究仍是今后凝聚态物理学中活跃的领域之一，目前，许多国家的科学工作者仍在争分夺秒向更高

温区甚至室温温区超导材料的研究和应用努力，而且有些技术难题已经逐步得到解决。今天，超导

技术已经取得了巨大突破，超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导计算机等已经逐步面向市场,

当今的磁悬浮列车已经用上了高温超导技术。目前，中国拥有全球速度最快的计算机，在中国和日

本的竞争下，美国情报部门已经启动了为期多年的超导计算机研发项目，打造新一代的超级电脑。

科学家们预测，随着超导技术的大规模应用，可能引起一场新的工业革命。

由不同材料的薄膜交替组成的超晶格材料可望成为新一代的微电子、光电子材料。目前，已利

用半导体超晶格材料研制成很多新器件，它可以在原子上对半导体的组分掺杂进行人工“设计”，

从而可以研究一般半导体根本不存在的物理现象，并将固态电子器件的应用推向一个新阶段。一些

科学家预测，下一代的电子器件，可能会被微结构器件替代，从而可能会带来一场电子工业的革命。

不过，微结构物理的研究还有许多新的物理现象有待于揭示，这一领域的研究在21世纪可能会说过

累累，前景不可低估。

近年来，两种与磁阻有关的引起人们强烈兴趣的现象就是所谓的巨磁阻与超巨磁阻现象。一般

磁阻物质的电阻率在磁场中只发生轻微的变化，而巨磁阻和超巨磁阻物质的电阻率可以达到几倍甚

至几千倍的变化。超巨磁现象令人吃惊的是，在很强的磁场中某些绝缘体会突变为导体。其中的原

因目前尚不清楚，就像高临界温度超导材料超导性的原因难以捉摸一样。目前，巨磁和超巨磁实现

应用的主要障碍是强磁场和低温的要求，这一难题一旦解决，前景是十分诱人的。

新材料的发展已成为21世纪凝聚态物理学研究重要的发展方向之一。新材料的发展趋势是：复

合化、功能特殊化、性能极限化和结构微观化。如：成分密度和功能不均匀的梯度材料•；可随空间

时间条件而变化的智能材料；变形速度快的压电材料以及精细陶瓷材料等都将成为重要的新材料。

材料专家预计，21世纪新材料品种可能突破100万种。

②、等离子物理与核聚变

当物质被加热到足够高的温度或其他原因，原子的外层甚至内层的电子将摆脱原子核的束缚，

成为自由电子，这时的物质变成了由正负离子组成的离子化气体状物质（俗称离子浆），由于它近

似为电中性，所以称为等离子体，等离子体常被视为物质存在的第四态。等离子体的运动主要受电

磁力支配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，是一种很好的导电体，利用经过巧妙

设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、

空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。

海水中含有大量的氢和它的同位素气和僦。笊即重氢，氧化笊就是重水，每一吨海水中含有140

克重水。如果将地球海水中所有的笊核能都通过核聚变方式释放出来，那么它产生的能量足以提供

人类使用数百亿年。但是，核聚变需要几亿度的高温，笊瓶混合燃料形成高温等离子体态，所以等

离子体物理是核聚变反应的理论基础。1991年II月在英国卡拉姆的JET实验装置上首次成功地进

行了笊僦等离子体聚变实验。在圆线圈内2亿度的高温下，气危气体相遇爆炸成功，产生了200kw

的能量，虽然只持续了1.3秒，但这为人类探索新能源——核聚变能的实现迈出了一大步。要实现

人工控制核聚变反应速度，将核聚变能平稳而缓慢地释放出来，投入实际应用还有相当大的距离，

技术上还有许多难题需要解决。如：在实验室怎样才能将等离子加热到几亿度的高温？高温等离子

体与盛装它的容器壁相接触时，等离子体要降温，容器也会被烧坏，这就是如何约束的问题。这些

难题在21世纪极有可能突破，核聚变能作为一种重要的新能源的梦想总有一天会变为现实。

③、纳米技术正向我们走来

所谓纳米技术就是在lO'm（十亿分之一米）水平上，研究应用原子和分子现象及其结构信息的

技术，即通过特定的技术设计，在纳米量级的粒子表面实现原子或分子的排列组成，使其产生某种

特殊结构，并表现特异的技术性能或功能。运用纳米技术，可以制造出在光、电、热、磁、吸收、

反射、吸附、催化、生物活性、硬度、强度、韧性及导电性等方面都远远优于常规材料的新材料。

所以，纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”。

纳米机械加工，也称为分子机器，它可以不用部件制造出几乎无任何缝隙的物体，每秒可完成

几十亿次的操作，可以制造出人类想得到的任何微型产品。目前采用分子机器加工已研制出世界上

最小的（米粒大小）的蒸汽机、微型汽车、微型发电机、微型马达、微型机器人和微型手术刀。微

型机器人可以进入血管清理血管壁上的沉积脂肪，疏通脑血管的血栓，杀死癌细胞，嚼碎泌尿系统

的结石、修复损坏的组织和基因等。微型手术刀只有一根头发丝的百分之一大小，不用开胸破腹就

能完成手术。生物分子机器在不久的将来也会出现，放在人脑中的纳米计算机，实现人机对话，并

且有自身复制的能力。人类利用纳米技术还可能制造出新的智能生命，实现物种再构。

随着人们生活水平的日益提高，人们对环保的重视程度不断加强，空气质量与工业废水处理已

经城市的一个生活生存质量标志，纳米材料由于其特有的表面吸附特性，使其在空气净化与工业废

水处理方面有着很大的发展前景。

纳米技术与电子学的交叉形成的纳米电子技术，是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存

储为主要内容的一门新技术，目前超高密度的信息存储的最高存储密度己超过1()12比特/平方厘米，

其信息存储量为常规光盘的1倍以上。

在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，可以除味杀菌、消除静电现象；在玻璃和瓷砖表面涂上纳

米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，不用擦洗；含有纳米微粒的建筑材料，可以吸收对人体有

害的紫外线；纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料，能大大提高发动机效

率、工作寿命和可靠性；纳米卫星可以随时向驾驶人员提供交通信息，帮助其安全驾驶。纳米技术

的应用已经深入到人类的衣食住行医的各个方面。

以上儿个方面越来越对社会经济的持续发展做出巨大的贡献。

2.6课程内容可能涉及到的伦理与道德问题

从物理学历史发展来看，本门课程基本上只存在对问题的争论，通常不涉及伦理与道德问题。

2.7学习本课程的必要性

《大学物理》作为高等院校理工科各专业一门重要的基础课程，对人才培养有着不可替代的作

用。

(1)通过本课程学习，获取必备的物理基础知识和基本技能，为后续专业课的学习奠定基础

物理学的研究对象十分广泛，大至宏观宇宙，小至微观粒子，它们的运动规律、基本结构、演

化过程无所不包。一切的其它自然科学学科与物理学都存在不同程度的交叉渗透，物理学的基本概

念、基本规律、分析和解决问题的基本方法、物理实验的基本技能等都是其它学科所要求、或多或

少要用到的。所以物理学是一切自然科学学科的基础，它对于其他学科的作用并不亚于数学。没有

《大学物理》作为先行课程，或者对该门课程的学习未能达标的理工科大学生，势必会影响后续专

业课学习。

(2)通过本课程学习，提高科学素质和科学研究能力

物理学的特点是以系统的观察、实验同严密的逻辑体系相结合，把实验结果进行高度的分析和

概括，或运用数学为推理工具，建立物理量之间的定量关系，从而得出反映客观事物的基本规律，

最后运用它们分析和解决实际问题。所以，大学物理学习是理工科大学生科学能力提升的重要途径.

①、培养学生实事求是的科学态度和顽强的意志

科学活动是人类追求真理本性的集中体现，物理学是探求自然真理的事业。事物的本质属性和

相互关系并不是裸露直呈的，科学规律往往深藏于表象的背后，只有在求真的基础上，以实事求是

的科学态度，运用正确的科学方法，进行深入的探索、思考才能得到。物理学的重大发现都经历了

实践——认识——再实践——再认识...的艰难历程，也正是历代科学家锲而不舍地长期探究物

理世界内在奥秘的科学实践活动中，逐渐认识了物质世界的本来面目，揭示了物质世界运动变化的

客观规律，创造了丰富的理论与应用的成果，铸就了人类矢志不渝追求真理的科学传统与求真精神。

物理学史中有很多科学家坚定不移地追求真理的故事，在教学过程中，用科学家坚忍不拔、奋斗拼

搏的精神去熏陶和感染学生，可以引导学生与困难做坚决的斗争，培养学生顽强的意志。

②、培养学生的观察和实验能力

观察和实验是一切自然科学学科发现规律、建立理论的共同手段，也是一切理工科专业学生获

取知识、提升能力的共同途径。形成良好的实验和观察习惯、掌握正确实验及观察方法和技能，是

学习好相关理论课程的重要保证。

《大学物理》虽然只是一门理论课，但在教学过程中的演示实验是必不可少的，可以是用仪器

进行真实的实验操作，也可以是用动画做模拟的实验演示，还可以是真实实验与模拟演示相结合。

不管哪一种方式，在实验方案的设计、操作过程的控制、现象的观察、数据的记录与分析，在每一

个环节都是师生共同从事的科学研究活动。学生通过演示实验，借助于科学仪器，有目的、有计划

地感知客观现象而获取科学知识，教师教给学生正确的操作要点、科学的观察方法，分析和处理数

据的注意事项，鼓励学生养成良好的实验和观察习惯。理论课中的演示实验，是为相关理论的教学

做准备，具有直接的针对性，既促进了理论知识的教学，又提高了学生的观察、实验和科学研究能

力。

③、培养学生的科学思维和分析解决问题的能力

物理学的形成和发展是科学的思想与科学的方法论相结合的结果。普通物理学中的研究对象基

本上都是理想化的物理模型，理想化模型作为从简单研究过渡到复杂研究的一种手段，是一种重要

的研究方法。利用理想化模型方法，能够排除非本质因素的干扰，舍弃次要因素和无关因素，突出

反映事物的本质特征从而使现象或过程得到简化和理想化。在大学物理教学中，学生通过对理想模

型和理想化方法的学习，不仅可以培育理工科学生的科学思想和方法，培养科学的抽象思维能力，

同时也为今后更深入地学习和研究做好思想和方法上的准备。

教师通过对物理学中各类微积分问题的讲解，可以让学生形成将复杂对象或过程进行分割求和、

等效替代的科学思想和微元法处理问题的方法技能。利用微积分工具在处理连续的非均匀分布的物

理对象、连续的非均匀变化物理过程时，通过无限分割，将非均匀简化为“均匀”，将变化简化为

“恒定”，将弯曲简化为“平直”，从复杂形状中切割出“简单图形”，从纷乱无序中建立“局域

有序”，利用有关物理规律或公式对极端简化后的微元写出元量后，再累积求和（积分）。微积分

中充满了科学家的智慧，用微积分方法分析和解决较为复杂的物理问题，不仅能让学生感受到物理

学研究中的美妙与神奇，激发学习兴趣，更有利于培养学生的辩证思维和哲学素养。

观察、实验、假说、验证等是物理学的基本研究方法，不仅适用于自然科学的研究，也适用于

其它科学技术领域和各种工作领域。分析、综合、抽象、概括、归纳、演绎、类比等是物理学科中

常用的科学方法，更普遍应用于各种生活和工作活动中，科学方法可以说是一个人终身不可缺少的

基本素质。理工科学生在物理课中受到的科学方法教育，以及在发现问题、分析问题和解决问题过

程中运用科学方法取得成功的经验，会在以后的问题中自觉地运用并逐渐得到升化。当今后走上工

作岗位，即使忘记了具体的物理概念和规律，但物理思想方法仍然能指导他们作为社会的人，形成

善于分析问题、归纳总结、分类评价、综合比较、概括判断等工作方法，自觉运用内化了的物理思

想方法思考问题、解决问题，并具备实事求是、严谨科学的意识。理工科学生在普通物理中受到的

物理思想方法的教育和培育，将终身受益。

④、培养学生的专业素养和创新能力

物理学在长期的发展过程中，形成了一整套科学思维方法，这些思维方法是物理学的纽带，使

整个物理学体系浑然一体。在大学物理学习中了解科学家建立物理概念、发现物理规律的历史过程,

循着科学家的思维方法和探索途径来“发现”物理概念和规律，从而受到科学家的思维方法和研究

方法的熏陶。如科学家通过抽象与概括得出了质点、刚体、理想气体、点电荷、试验电荷、纯电阻、

纯电容等物理模型来区分物理对象及过程的主要因素和次要因素，以便于思考和研究；牛顿通过分

析和综合的方法得出了最基本的力学定律——牛顿第二定律；库仑在万有引力定律的启发下精心设

计扭秤实验，发现了电磁学史上的第一个定量规律——库仑定律；爱因斯坦受麦克斯韦电磁场理论

中的真空中光速为普适量，与光源和观察者的运动无关的启发，为了解释迈克尔孙——莫雷实验的

“零结果”，提出了光速不变原理及相对性原理，在此基础上建立了全新的时空理论——狭义相对

论，并在狭义相对论的基础上，巧妙地运用等效思维，将引力几何化，进一步发表了广义相对论；

普朗克为了解释黑体辐射的实验结果，彻底打破了经典的能量连续观念，提出了全新的量子化概念,

为量子力学的建立奠定了基础。相对论和量子力学成为了现代物理学的两大理论支柱。通过物理课

的学习，明白物理学家是如何进行研究工作的，可以帮助学生奠定科研基础，提高专业素质。

学习大学物理是培养创造力的一种有效措施。在大学物理教学中，从真实的物理学认识发展的

历史进程中，展示物理学探索过程中问题背景的演化，阐明重大物理学问题的产生的历史条件，及

其所导致的深远影响，可以培养学生提出科学问题的能力和独立思考的能力。物理学是一门以实验

为基础的科学，它的基本理论和公式的得出过程完整地再现了科学家通过独立思考、实验、分析、

综合、创造和再发现的认知过程。在物理学习的过程中，可以学习复制各种与物理学家曾今使用过

的类似的实验仪器，重复和验证物理学的重要规律，使用构建现代科学的系统方法、信息方法、统

计方法和计算机技术进行物理系统的分析和研究，利用计算机仿真技术构建一些新的实例，通过观

察分析图表数据的变化，对实例进行研究，总结出新的结论，不断尝试用此方法分析和研究新的问

题，在潜移默化中不断形成和提高创新能力。

(2)通过本课程学习，培养人文素养和辩证唯物主义世界观

物理学的发展史物理学与人文学科相互融合渗透的过程，从亚里士多德时代的自然哲学到牛顿

时代的经典力学，直到现代物理学中的相对论和量子力学，都是物理学家的科学素质、科学精神以

及科学思维的有形体现。在大学物理教学中多视角、多方面、多途径的渗透人文教育，可以提高学

生的思想品质、伦理道德和品格情操。

①、培养学生的民族自豪感和爱国主义热情

早在春秋战国时期，以《墨经》和《考工记》为代表的中国古代典籍中就大量记载了对物理现

象的认识和应用，尤其是《墨经》对力学和光学方面的探索，当时就给出了杠杆定律的定性表述和

光学方面的基本规律，完全可以与阿基米德的杠杆定律和欧几里得的相媲美。先秦两汉开始到隋唐

五代1200年间，我国的古代物理学取得了较大发展，如汉代的透光镜、铜镜，东汉的浑天仪和地动

仪，后汉的龙骨水车等，都在全世界的科学史上留下了光辉的一页。通过对我国物理学史的介绍，

有利于学生树立民族自豪感和自信心，激发学生对祖国的热爱，肩负起强烈的社会责任感和民族复

兴的使命感。

②、培养学生的审美素养加深对科学美的认识

大学物理中蕴含着大量的形式多样的科学美，如对称、和谐、简洁、多样统一等。物理学之美

包括理论之美和现象之美。简洁生动的爱因斯坦相对论，对称和谐的麦克斯韦方程组，婀娜百态的

李萨茹曲线，绚丽多彩的牛顿环光斑都给人美的享受。爱因斯坦相对论是科学美的典范，集经典物

理之大成而加以发展，使空间和时间、质量与能量、惯性质量与引力质量、动量守恒与能量守恒、

惯性系与非惯性系统一了起来，无论是内容还是形式都给人美不胜收的感受。

对科学美认识越深刻，则对物理规律的理解也就越透彻，例如对“洛伦兹变换”的理解。让我们

从审美的角度来学习这组方程，理解其深刻的内涵。首先，从简洁美的角度理解：洛伦兹变换应该

是线性的，否则会破坏时间和空间的均匀性。其次，从对称美的角度理解：时间和空间的地位应该

是对等的，空间和时间变换相互依赖。最后，从和谐美的角度理解：时间不再是一个独立的参量，

应该是“时空四维坐标”中的一个坐标轴。大学物理中的科学美比比皆是，通过大学物理学习，能

加深对科学美的认识，提高对自然科学的学习兴趣。

③、培养学生的辩证唯物主义世界观

通过《大学物理》学习，加深对辩证唯物主义认识论、方法论的理解，如“世界是物质的”、

“运动是物质不可分割的属性”、“物质的运动的发展变化是有其基本规律的”。物理学的发展与

人类哲学理论的发展有着极为特殊的密切关系。大学物理教学结合物理学的具体内容，可以生动而

深刻揭示物质第一性、物质的运动性、对立与统一、量变与质变、否定之否定等规律。从而使学生

深刻领会辩证唯物论是关于自然界、人类社会和思维发展最一般的规律，是正确且科学的世界观。

例如：从卢瑟福对原子核式结构模型的建立，到玻尔将量子论引入原子系统对卢瑟福原子模型的修

正，再到现代量子力学对玻尔原子理论的扬弃：从亚里士多德自然哲学对运动与力的关系的认识，

到牛顿在伽利略斜面实验启发下建立的力学运动定律，再到爱因斯坦相对论对牛顿力学的修改和发

展等都会使学生体会到只有辩证唯物主义才是真正科学的世界观，而且人类对客观世界的认识是永

无止境的，需要我们用辩证唯物主义认识论和方法论来进行研究。

3.教师简介

4.先修课程：高等数学

5.课程目标

5.1知识与技能方面

根据《大学物理（1）教学大纲》的要求，本课程一方面在于为学生较系统地打好必要的物理基

础，为理工科各专业课及其技术基础课打好基础。本期教学内容主要是“质点运动学”、“牛顿运

动定理”、“功和能”、“动量和冲量定理”、“刚体的定轴转动”、“真空中的静电场”、“静

电场中的导体和电介质”、“真空中稳恒电流的磁场”、“磁介质”、“电磁感应”等章节，除此

之外，适当介绍近代与现代物理的最新发展以及对于当代科技有重大影响的物理学研究成果及应用。

另一方面着眼于学生能力的培养和科学