《大学物理13》课程教学大纲

《大学物理IID课程实施大纲

目录

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

i.i关注学生的发展......................................a

1.2关注教学的有效性...................................11

1.3关注教学的策略.....................................12

1.4关注教学价值观.....................................12

2.课程介绍...............................................12

2.1课程的性质.........................................13

2.2课程在学科专业结构中的地位、作用...................15

2.3课程的历史与文化传统...............................16

2.4课程的前沿及发展趋势...............................16

2.5课程与经济社会发展的关系...........................21

2.6课程内容可能涉及到的伦理与道德问题.................22

2.7学习本课程的必要性.................................22

3.教师简介..............................................27

3.1教师的职称、学历...................................27

3.2教育背景...........................................27

3.3研究兴趣（方向）...................................27

4.先修课程..............................................27

5.课程目标..............................................27

6.课程内容..............................................27

6.1课程的内容概要.....................................28

6.2教学重点、难点.....................................29

6.3学时安排...........................................30

7.课程实施................................................30

7.1教学单元一.........................................30

7.1.1教学日期..................................30

7.1.2教学目标....................................30

7.1.3教学内容（含重点、难点）.....................31

7.1.4教学过程.....................................31

7.1.5教学方法.....................................32

7.1.6作业安排及课后反思...........................32

7.1.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............32

7.1.8参考资料（具体到哪一章节或页码）.............32

7.2教学单元二.........................................32

7.2.1教学日期.....................................32

7.2.2教学目标.....................................32

723教学内容（含重点、难点）.....................32

7.2.4教学过程.....................................32

725教学方法.....................................33

726作业安排及课后反思...........................33

7.2.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............33

728参考资料（具体到哪一章节或页码）.............33

7.3教学单元三.........................................33

7.3.1教学日期.....................................33

7.3.2教学目标.....................................33

7.3.3教学内容（含重点、难点）.....................33

7.3.4教学过程.....................................34

7.3.5教学方法.....................................34

736作业安排及课后反思...........................34

7.3.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............34

738参考资料（具体到哪一章节或页码）.............34

7.4教学单元四.........................................34

7.4.1教学日期.....................................34

7.4.2教学目标.....................................34

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.....................................35

746作业安排及课后反思...........................35

7.4.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............35

748参考资料（具体到哪一章节或页码）.............35

7.5教学单元五.......................................35

7.5.1教学日期.....................................35

7.5.2教学目标.....................................35

753教学内容（含重点、难点）.....................35

7.5.4教学过程.....................................35

7.5.5教学方法.....................................36

7.5.6作业安排及课后反思...........................36

7.5.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............36

758参考资料（具体到哪一章节或页码）.............36

7.6教学单元六.........................................36

7.6.1教学日期.....................................36

7.6.2教学目标.....................................36

763教学内容（含重点、难点）.....................36

7.6.4教学过程.....................................36

7.6.5教学方法.....................................37

766作业安排及课后反思...........................37

7.6.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............37

768参考资料（具体到哪一章节或页码）.............37

7.7教学单元七.........................................37

7.7.1教学日期.....................................37

7.7.2教学目标.....................................37

7.7.3教学内容（含重点、难点）.....................37

7.7.4教学过程.....................................37

7.7.5教学方法.....................................40

7.7.6作业安排及课后反思...........................40

7.7.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............40

778参考资料（具体到哪一章节或页码）.............40

7.8教学单元八.........................................40

7.8.1教学日期.....................................40

7.8.2教学目标.....................................40

7.8.3教学内容（含重点、难点）.....................40

7.8.4教学过程.....................................40

7.8.5教学方法.....................................44

7.8.6作业安排及课后反思...........................44

7.8.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............44

788参考资料（具体到哪一章节或页码）.............44

7.9教学单元九.........................................44

7.9.1教学日期.....................................44

7.9.2教学目标.....................................44

7.9.3教学内容（含重点、难点）.....................44

7.9.4教学过程.....................................44

7.9.5教学方法.....................................50

796作业安排及课后反思...........................50

7.9.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............50

798参考资料（具体到哪一章节或页码）.............50

7.10教学单元十.......................................50

7.10.1教学日期.....................................50

7.10.2教学目标.....................................50

7.10.3教学内容（含重点、难点）.....................50

7.10.4教学过程.....................................50

7.10.5教学方法.....................................54

7.10.6作业安排及课后反思...........................54

7.10.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............55

7.10.8参考资料（具体到哪一章节或页码）.............55

7.11教学单元H—..............................................................................55

7.11.1教学日期.....................................55

7.11.2教学目标.....................................55

7.11.3教学内容（含重点、难点）.....................55

7.11.4教学过程.....................................55

7.11.5教学方法.....................................59

7.11.6作业安排及课后反思...........................59

7.11.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............59

7.11.8参考资料（具体到哪一章节或页码）.............59

7.12教学单元十二....................................59

7.12.1教学日期.....................................59

7.12.2教学目标.....................................59

7.12.3教学内容（含重点、难点）.....................59

7.12.4教学过程.....................................59

7.12.5教学方法.....................................61

7.12.6作业安排及课后反思...........................61

7.12.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............61

7.12.8参考资料（具体到哪一章节或页码）.............61

7.13教学单元十三.......................................61

7.13.1教学日期.....................................61

7.13.2教学目标.....................................62

7.13.3教学内容（含重点、难点）.....................62

7.13.4教学过程.....................................62

7.13.5教学方法.....................................66

7.13.6作业安排及课后反思...........................66

7.13.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............66

7.13.8参考资料（具体到哪一章节或页码）.............66

7.14教学单元十四.......................................66

7.14.1教学日期.....................................66

7.14.2教学目标.....................................66

7.14.3教学内容（含重点、难点）.....................67

7.14.4教学过程.....................................67

7.14.5教学方法.....................................70

7.14.6作业安排及课后反思..........................70

7.14.7课前准备情况及其他相关特殊要求..............70

7.14.8参考资料（具体到哪一章节或页码）............70

7.15教学单元十五.......................................71

7.15.1教学日期.....................................71

7.15.2教学目标.....................................71

7.15.3教学内容（含重点、难点）.....................71

7.15.4教学过程.....................................71

7.15.5教学方法.....................................74

7.15.6作业安排及课后反思...........................74

7.15.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............74

7.15.8参考资料（具体到哪一章节或页码）.............74

7.16教学单元十六......................................75

7.16.1教学日期.....................................75

7.16.2教学目标.....................................75

7.16.3教学内容（含重点、难点）.....................75

7.16.4教学过程.....................................75

7.16.5教学方法.....................................79

7.16.6作业安排及课后反思...........................79

7.16.7课前准备情况及其他相关特殊要求...............79

7.16.8参考资料（具体到哪一章节或页码）.............79

7.17教学单元十七......................................80

7.17.1教学日期.....................................80

7.17.2教学目标.....................................80

7.17.3教学内容（含重点、难点）.....................80

7.17.4教学过程...................................80

7.17.5教学方法....................................84

7.17.6作业安排及课后反思..........................84

7.17.7课前准备情况及其他相关特殊要求..............84

7.17.8参考资料（具体到哪一章节或页码）............84

7.18教学单元十八....................................84

7.18.1教学日期..................................84

7.18.2教学目标..................................84

7.18.3教学内容（含重点、难点）..................84

7.18.4教学过程..................................84

7.18.5教学方法..................................89

7.18.6作业安排及课后反思........................89

7.18.7课前准备情况及其他相关特殊要求............89

7.18.8参考资料（具体到哪一章节或页码）..........89

7.19教学单元十九....................................90

7.19.1教学日期..................................90

7.19.2教学目标..................................90

7.19.3教学内容（含重点、难点）..................90

7.19.4教学过程..................................90

7.19.5教学方法..................................93

7.19.6作业安排及课后反思........................93

7.19.7课前准备情况及其他相关特殊要求............93

7.19.8参考资料（具体到哪一章节或页码）..........93

7.19教学单元二十.....................................93

7.19.1教学日期..................................93

7.19.2教学目标..................................93

7.19.3教学内容（含重点、难点）..................93

7.19.4教学过程..................................96

7.19.5教学方法..................................97

7.19.6作业安排及课后反思........................97

7.19.7课前准备情况及其他相关特殊要求............97

7.19.8参考资料（具体到哪一章节或页码）..........97

7.20教学单元二H-一..................................97

7.20.1教学日期...................................97

7.20.2教学目标...................................97

7.20.3教学内容（含重点、难点）...................97

7.20.4教学过程...................................97

7.20.5教学方法...................................98

7.20.6作业安排及课后反思.........................98

7.20.7课前准备情况及其他相关特殊要求.............98

7.20.8参考资料（具体到哪一章节或页码）...........98

7.21教学单元二十二..................................98

7.21.1教学日期...................................98

7.21.2教学目标...................................98

7.21.3教学内容（含重点、难点）...................98

7.21.4教学过程...................................98

7.21.5教学方法...................................99

7.21.6作业安排及课后反思.........................99

7.21.7课前准备情况及其他相关特殊要求.............99

7.21.8参考资料（具体到哪一章节或页码）...........99

8.课程要求..........................................100

8.1学生自学要求...................................100

8.2课外阅读要求.....................................100

8.3课堂讨论要求.....................................100

8.4课程实践要求.....................................100

9.课程考核............................................100

9.1出勤（迟到、早退等）、作业、报告等的要求...........100

9.2成绩的构成与评分规则说明.........................100

9.3考试形式及说明...................................100

10.学术诚信............................................100

10.1考试违规与作弊处理...............................100

10.2杜撰数据、信息处理等.............................100

10.3学术剽窃处理等...................................100

11.课堂规范.............................................101

11.1课堂纪律.........................................101

11.2课堂礼仪.........................................101

12.课程资源............................................101

12.1教材与参考书.....................................101

12.2专业学术著作.....................................101

12.3专业刊物.........................................101

12.4网络课程资源.....................................101

13.教学合约............................................102

13.1教师作出师德师风承诺.............................102

13.2阅读课程实施大纲，理解其内容.....................102

13.2同意遵守课程实施大纲中阐述的标准和期望...........102

14.其他说明103

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。

以普通物理学基础为内容的105学时大学物理课程内容包括力学、热学、电磁学、波动

光学、近代物理。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（IH）,要求学生掌握机械振动与机械波、波动光学、狭义相

对论基础、量子物理基础的基本知识，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。

（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。如新式显微镜一一扫描隧道显微镜（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0.10nm,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。看看最近几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、化学键断裂、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。

2.3课程的历史与文化传统

大学物理是高等院校理工人文经管科各专业学生的一门重要的必修基础课，包括力

学、热学、电磁学、振动与波、光学、近代物理等几部分。其教学主要目的，一方面是

传授基础物理知识，另一方面是培养学生科学的思维方法和研究问题的方法，即归纳法

和逻辑演绎法，等等。在以往的物理学科教学中,鲜见中国传统文化的影子。但是，本民

族文化的繁荣是国家发展和创新的动力之源，因此,教学内容既要合理地吸收外来文化

优秀成分,又要适当继承发展本民族传统文化的精华。以往的教育对于理性都非常重视,

甚至过分强调理性。然而，人们渐渐地发现，理性并不能解决所有的问题。于是，辉煌

了数千年、至今仍发挥着作用的中华文化被有心人拾了起来，掀起了复兴中华文明的热

潮。

在物理学研究过程中，西方注重归纳和逻辑演绎推理，对物理学的感悟即是理性。

而结合中国传统文化，学习象辞的做法，与物理学“合”，即通过感悟物理现象、物理

规律来感悟人生，感悟社会，提高自身修养及心理境界，并且在物理教学中传授或引导

这种感悟，在传授学生基本物理知识、培养其理性的同时，提高他们的心理境界，帮助

他们树立起现代的道德观、人生观，构筑现代社会的“和”，则是具有中国特色的物理

教学思路。

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)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。

（3）现代物理学的发展趋势

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笊和晁。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，笊危混

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11

月在英国卡拉姆的JET实验装置上首次成功地进行了笊晁等离子体聚变实验。在圆线圈

内2亿度的高温下，笊僦气体相遇爆炸成功，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一一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109m（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已超

过10“比特/平方厘米，其信息存储量为常规光盘的IO,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。

④・“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、”

介子、K介子等）、轻子（电子、口子、丁子、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、U子、丁子、中微子V©、中微子V“、中微子V,

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