材料物理化学 课程教学大纲

《材料物理化学》课程教学大纲一、课程简介课程中文名材料物理化学课程英文名PhysicalChemistryofMaterials双语授课□是■否课程代码课程学分3总学时数48课程类别□通识教育课程□公共基础课程■专业教育课程□综合实践课程□教师教育课程课程性质■必修□选修□其他课程形态□线上■线下□线上线下混合式□社会实践□虚拟仿真实验教学考核方式■闭卷□开卷□课程论文□课程作品□汇报展示□报告■课堂表现■阶段性测试■平时作业□其他（可多选）开课学院材料科学与工程学院开课系(教研室)材料科学面向专业材料科学与工程专业开课学期第4学期先修课程大学物理，无机化学，高等数学，材料科学与基础后续课程功能材料基础，新能源材料，光电功能材料、毕业论文、毕业实习选用教材1.天津大学物理化学教研室.《物理化学（简明版）》（第二版）[M].北京:高等教育出版社,2018.参考书目天津大学物理化学教研室.《物理化学》（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2009.傅献彩.物理化学（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2006.任素贞等.物理化学（第四版）[M].上海科学技术出版社,2013.课程简介物理化学是化学学科的一个重要分支，它是通过物理学的原理、实验方法及数学手段来研究化学变化普遍规律性的一门交叉学科。而《材料物理化学》是物理化学在材料学科所涉及到的实际应用问题的基础理论，是材料学院学生的一门专业必修基础课程。通过本课程的系统学习，首先可使学生灵活的运用物理化学的基本知识和基本原理，加深对自然现象的本质认识；其次培养学生运用物理化学的科学思维方法（如热力学方法和动力学方法）提出问题、分析问题和解决问题的能力。本课程的主要任务是介绍化学热力学、化学动力学、电化学和界面化学的基本原理、方法及其应用，为材料科学专业课程的学习奠定扎实的理论基础和专业的思维方式。二、课程目标表1课程目标序号具体课程目标课程目标1能阐明物理化学的基本理论和基础知识，习得物理化学基本技能，包括热力学、电化学、动力学、表面化学的基本理论和基本方法，明白物理化学在材料学科的发展前沿、最新研究成果和发展趋势。具备运用物理化学的基本思想、方法和理论知识解决复合材料产业生产一线中所存在的基础理论与工程实践问题的能力。课程目标2具有正确的人生价值观，端正学习、生活态度，在生活、生产中正确运用材料物理化学知识，并指导实践；具有学科专业意识、正确的理想信念和社会责任感；在新材料开发过程中，能够自觉履行工程师对公众的安全、健康和福祉的社会责任，理解和包容多元化的社会需求。课程目标3积极主动参加小组学习、团队互动、网络分享等协作学习活动，具有团队合作精神，能应用工程管理原理与经济决策方法到材料物理化学环境中。表2-1课程目标与毕业要求对应关系毕业要求指标点课程目标毕业要求1：工程知识：能够运用数学、自然科学、工程基础和专业基础知识解决智能材料、光电材料等功能复合材料产业生产一线中关于新材料设计和制备-结构性能分析-新材料技术开发等复杂工程问题。【H】1.3能够运用数学、自然科学、工程基础和专业基础知识对智能材料、光电材料等功能复合材料产业生产一线中关于新材料设计和制备-结构性能分析-新材料技术开发等存在的问题进行改进并有效解决相应的复杂工程问题。课程目标1毕业要求8：职业规范：具备良好的人文科学素养和较强社会责任感，理解功能复合材料及相关领域工程师、技术骨干或项目管理人员的角色定位和职业道德规范，并履行责任。【M】8.3在新材料开发过程中，能够自觉履行工程师对公众的安全、健康和福祉的社会责任，理解和包容多元化的社会需求。课程目标2毕业要求11：项目管理：能够理解并掌握新能源材料、智能材料、光电材料等功能复合材料领域的新材料设计与制备、分析与表征等工程实践中，理解与应用工程管理原理与经济决策方法，并能在材料、物理化学和环境等多学科背景中应用。【M】11.1能够在智能材料、光电材料等实践中，理解与应用工程管理原理与经济决策方法。课程目标3

三、课程学习内容与方法序号课程模块学习内容学习任务课程目标学习重点难点教学方法学时1材料物理化学绪论1.材料物理化学的建立和发展1.拓展阅读：学习材料物理化学的建立和发展课程目标1、2、3重点：1.材料物理化学的学习方法。2.材料物理化学课程的基本内容和任务。3.材料物理化学与其它课程的关系。难点：1.材料物理化学的学习方法。2.材料物理化学与其它课程的关系。1.课堂讲授：能够引导学生理解材料物理化学课程的意义和学习方法12.材料物理化学的目的和内容课程目标1、2、33.材料物理化学研究方法课程目标1、2、34.材料物理化学课程的学习方法课程目标1、2、32气体的PVT关系理想气体状态方程1.练习：理想气体和真实气体状态方程的应用。2.个人作业：课后习题课程目标1、2、3重点：1.理想气体状态方程及应用。2.道尔顿定律和阿马加定律。难点：1.掌握真实气体的状态方程并应用。1.课堂讲授：能够引导学生掌握理想和真实气体气体的PVT关系和相关概念。2.案例教学：带领学生熟练掌握状态方程的应用。2理想气体混合物课程目标1、2、3真实气体的液化及临界参数课程目标1、2、3真实气体状态方程课程目标1、2、3对应状态原理及普遍化压缩因子课程目标1、2、33热力学第一定律1.热力学的一些基本概念1.练习：ΔU、ΔH、Q和W的计算。2.个人作业：课后习题课程目标1、2、3重点：1.热力学基本概念，热力学第一定律和热力学能。功与热，准静态过程和可逆过程；2.状态函数，U和H，热力学第一定律，过程中的ΔU、ΔH、和W。用生成焓、燃烧焓来计算化学反应热；3.理想气体在几种过程中热、功的计算。热力学第一定律的本质。难点：1.状态函数，U和H，热力学第一定律，过程中的ΔU、ΔH、Q和W；2.各种功的计算。1.课堂讲授：能够引导学生理解热力学第一定律及相关概念。2.案例教学：带领学生熟练掌握热力学第一定律的应用。72.热力学第一定律课程目标1、2、33.恒容热、恒压热和焓课程目标1、2、34.摩尔热容课程目标1、2、35.相变焓课程目标1、2、36化学反应焓课程目标1、2、37.标准摩尔反应焓的计算课程目标1、2、38.可逆过程功与可逆体积功课程目标1、2、39.节流膨胀与焦耳-汤姆逊实验课程目标1、2、34热力学第二定律1.热力学第二定律1.练习：各种变化过程的ΔS、ΔG与ΔA的计算。2.个人作业：课后习题课程目标1、2、3重点：1.热力学第二定律，克劳修斯不等式，熵函数，亥姆霍兹自由能A、吉布斯自由能G；2.熵判据，亥姆霍兹自由能判据，吉布斯自由能判据，过程的ΔS、ΔG与ΔA计算；3.热力学基本函数关系式，麦克斯韦关系式，克拉贝龙方程式；4.热力学第三定律；规定熵；化学反应过程的熵变。难点：1.各种变化过程的ΔS、ΔG与ΔA的计算；2.热力学基本函数关系式；3.热力学证明与推导。1.课堂讲授：能够引导学生深刻理解第二定律及意义；理解克劳修斯不等式的重要性。2.案例教学：带领学生掌握并能熟练计算简单过程的ΔS、ΔG与ΔA。学会使用熵判据和吉布斯自由能判据；82.卡诺循环与卡诺定理课程目标1、2、33.熵与克劳修斯不等式课程目标1、2、34.熵变的计算课程目标1、2、35.热力学第三定律与规定熵变课程目标1、2、36.亥姆赫兹自由能和吉布斯自由能课程目标1、2、37.热力学基本方程及麦克斯韦关系式课程目标1、2、38.热力学第二定律在单组分系统相平衡中的应用课程目标1、2、35多组分系统热力学及其在溶液中的应用偏摩尔量1.练习：借助理想气体状态方程导出理想气体化学势表达式，借助拉乌尔定律或亨利定律导出组分或溶质的化学势表达式。2.个人作业：课后习题课程目标1、2、3重点：1.溶液浓度，偏摩尔量和化学势，理想溶液的定义和通性；2.拉乌尔定律，亨利定律，吉布斯-杜亥姆公式，杜亥姆-马居耳公式；3.逸度，活度，溶液化学势的表达，化学势标准态，理想溶液、稀溶液和实际溶液的区别；4.稀溶液依数性，分配定律。难点：1.偏摩尔量和化学势的理解及计算；2.不同条件下的标准化学势；3.稀溶液依数性。1.课堂讲授：能够引导学生理解溶液体系的相关知识。2.案例教学：带领学生掌握稀溶液依数性公式及分配定律的相关计算。22.化学势课程目标1、2、33.气体组分的化学势课程目标1、2、34.逸度及逸度因子课程目标1、2、35.拉乌尔定律和亨利定律课程目标1、2、36.理想液态混合物课程目标1、2、37.理想稀溶液课程目标1、2、38.活度与活度因子课程目标1、2、39.稀溶液的依数性.课程目标1、2、36化学平衡1.化学反应的方向及平衡条件1.练习：通过等温方程来判断化学反应的方向和反应是否达到平衡。2.个人作业：课后习题课程目标1、2、3重点：1.均相及多相反应ΔrGm，平衡常数表达，吉布斯－亥姆霍兹方程；2.标准生成吉布斯自由能ΔrGm°，反应过程ΔrGm，ΔrGm°＝-RT㏑K°，反应的等温方程式；3.浓度、T、P、惰性气体对平衡的影响及其定量计算。难点：1.复相平衡平衡计算；2.T、P、惰性气体对平衡的影响及其定量计算。1.课堂讲授：能够引导学生理解化学平衡的相关知识。2.案例教学：带领学生掌握化学平衡的相关计算。32.理想气体反应的等温方程及标准平衡常数课程目标1、2、33.平衡常数及平衡组成计算课程目标1、2、34.温度対标准平衡常数的影响课程目标1、2、35.其他因素対理想气体反应平衡移动的影响课程目标1、2、36.真实气体反应的化学平衡课程目标1、2、37相平衡1.相律1.练习：确定平衡系统中的组分数、相数和自由度数。2.个人作业：课后习题课程目标1、2、3重点：1.相，相数，组分数，自由度，相律，相图；2.单组分体系的相图，杠杆规则，步冷曲线绘制；3.双液系的p-x和T-x图；蒸馏和精馏，低共熔物相图，二组分固-液相图；4.三组分体系相图。难点：1.组分数C的判断；2.相律公式在相图中的应用；3.相图绘制和步冷曲线绘制；4.分离提纯物质的条件控制。1.课堂讲授：能够引导学生理解相平衡的相关知识。2.案例教学：带领学生熟悉相图分析。32.单组分系统的相图课程目标1、2、33.二组分系统理想液态混合物的气-液平衡相图课程目标1、2、34.二组分真实液态混合物的气-液平衡相图课程目标1、2、35.二组分液体部分互溶及完全不互溶系统的气-液平衡相图课程目标1、2、36.二组分固态不互溶系统的液-固平衡相图课程目标1、2、37.生成化合物的二组分凝聚系统相图课程目标1、2、38.二组分固态互溶系统的液-固平衡相图课程目标1、2、38电化学1.电化学的基本概念和电解定律1.练习：设计原电池。2.个人作业：课后习题课程目标1、2、3重点：1.迁移数，电导率，摩尔电导率，离子独立移动定律，电导测定的应用；2.迁移数与摩尔电导率、离子迁移率之间的关系；3.电解质溶液的离子平均活度、离子平均活度系数，离子强度。4.电动势与的关系，电极电势，标准电极电势；5.电极反应和电池反应，电动势，能斯特方程，设计电池；6.温度对电动势的影响，和的计算。电动势产生的机理，电动势测定的应用。7.分解电压，极化作用，超电势，电解池、原电池不同电极极化曲线；难点：1.电导测定的应用；2.电解质溶液的离子平均活度、离子平均活度系数和浓度之间的转换。1.电池与化学反应的转换；2.电池电动势、电极电势的计算；3.电池电动势与热力学函数的关系；4.电池电动势测定的应用。5.极化作用，超电势，极化曲线；6.阴阳极析出物质的先后判断1.课堂讲授：能够引导学生理解电化学的相关知识。2.案例教学：带领学生掌握电化学的相关计算。102.离子的电迁移率和迁移数课程目标1、2、33.电解质溶液的电导课程目标1、2、34.电解质的平均活度和活度因子及徳拜-休克尔极限课程目标1、2、35.可逆电池及电动势的测定课程目标1、2、36.原电池热力学课程目标1、2、37.电极电势和液体接界电势课程目标1、2、38.可逆电池的书写方法与电动势课程目标1、2、39.电极的种类课程目标1、2、310.原电池的设计课程目标1、2、311.分解电压课程目标1、2、312.极化作用课程目标1、2、313.电解时的电极反应课程目标1、2、39界面现象1.界面张力1.拓展阅读：学习超润湿材料和超疏水材料的发展和研究前景。2.个人作业：课后习题课程目标1、2、3重点：1.表面吉布斯自由能、表面张力，表面张力的影响因素；2.弯曲表面的附加压，弯曲表面上的蒸气压与平面相的不同，Kelvin公式，常见亚稳态；3.液-液、液-固界面的铺展与润湿作用，接触角，表面活性物质，临界胶束浓度（CMC），亲水-亲油平衡值（HLB）；4.气-固表面吸附，Langmuir吸附等温式；5.物理吸附，化学吸附，吸附热，气-固相表面催化反应。难点：1.表面张力；2.Langmuir吸附等温式；3.气-固相表面催化反应。1.课堂讲授：能够引导学生理解界面现象的相关知识。22.弯曲液面的附加压力及其后果课程目标1、2、33.固体表面课程目标1、2、34.液固界面课程目标1、2、35.溶液表面课程目标1、2、310化学动力学1.化学反应速率及速率方程1.练习：零级、一级、二级反应速率各种动力学方程及其应用。2.个人作业：课后习题课程目标1、2、3重点：1.反应速率的表示法，反应机理，基元反应，反应级数，反应分子数；2.零级、一级、二级反应速率各种动力学方程及其应用；3.对峙、平行、连串三种复杂反应；4.温度、活化能对反应速率的影响，阿仑尼乌斯经验式；5.链反应，稳态近似、平衡假设等近似处理的方法得反应速率方程。6.碰撞、过渡态和单分子反应理论简介，简单基元反应的速率常数的计算；7.溶液反应，溶剂、原盐效应、扩散过程等对反应速率的影响，快速反应的测试方法，弛豫法8.光化学反应，基本定律，量子产率，分子的能态，光化反应的动力学特点，光化平衡及温度对光化反应的影响，感光反应，化学发光；9.催化剂的作用特点，常见催化反应的动力学特点。难点：1.基元反应及其质量作用定律；2.简单级数的动力学方程及其应用；3.温度对反应速率的影响；4.反应机理拟定与速率方程推导。5.三大理论的理解及应用；6.光化学反应的动力学方程；7.催化反应的动力学特点。1.课堂讲授：能够引导学生理解化学动力学的相关知识。2.案例教学：带领学生掌握化学反应过程中的相关计算。102.速率方程的积分形式课程目标1、2、33.速率方程的确定课程目标1、2、34.温度对化学反应速率的影响，活化能课程目标1、2、35.典型复合反应课程目标1、2、36.复合反应速率的近似处理法课程目标1、2、37.链反应课程目标1、2、38.气体反应的碰撞理论课程目标1、2、39.势能面与过渡状态理论课程目标1、2、310.溶液中反应课程目标1、2、311.光化学课程目标1、2、312.催化作用的通性课程目标1、2、313.酶催化反应课程目标1、2、314.多相催化反应课程目标1、2、3四、课程考核（一）考核内容与考核方式表4课程目标、考核内容与考核方式对应关系课程目标考核内容所属学习模块/项目考核占比考核方式课程目标11.材料物理化学基本理论的理解水平、综合分析与运用能力（1）热力学基础（热力学第一定律、热力学第二定律、热力学第三定律）（2）热力学应用（在溶液中的应用、相平衡、化学平衡）（3）电化学（电解质溶液、可逆原电池、电解与极化）（4）动力学（动力学基础、动力学支撑理论）（5）表面化学2、3、4、5、6、7、8、9、1080%1.课堂表现（讨论、发言、提问等）2.课后作业3.阶段性测试4.闭卷考试2.材料物理化学基本知识的应用水平和综合运用能力（1）U、H、S、A、G、Q、W的理解（2）稀溶液遵循的规律（3）相图用于分离提纯物质（4）变化方向与限度的判断（5）电池的设计（6）反应速率与反应机理（7）表面张力与吸附2、3、4、5、6、7、8、9、103.材料物理化学基本技能的应用水平和综合运用能力（1）不同过程△U、△H、△S、△A、△G、Q、W的应用，（2）热力学证明与反应机理拟定（3）相图应用和平衡计算（4）电池电动势应用与计算（5）动力学计算与应用（6）表面化学与胶体化学的应用2、3、4、5、6、7、8、9、104.材料物理化学最新研究成果与发展趋势的情况（1）材料物理化学的产生与发展（2）各类物理化学的新研究、新成果、新技术（3）电池的发展趋势、各种催化剂的前沿（4）纳米用途1、2、3、4、5、6、7、8、9、10课程目标21.是否树立了正确的人生价值观，具有社会责任感1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、136%1.课堂表现2.小组合作2.能否在新材料开发过程中，能够自觉履行工程师对公众的安全、健康和福祉的社会责任1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13课程目标31.参加协作学习情况1、2、3、4、5、6、7、8、9、1014%1.课堂表现2.小组合作2.团队合作精神1、2、3、4、5、6、7、8、9、103.对工程管理原理与经济决策方法的理解1、2、3、4、5、6、7、8、9、10表4-2课程目标与考核方式矩阵关系课程目标考核方式考核占比（此处需与上表基本一致）期末考试成绩比例60%其中成绩比例20%平时成绩比例20%课程目标190%90%40%80%课程目标25%5%10%6%课程目标35%5%50%14%（二）成绩评定1.平时成绩评定（100分）（1）课堂表现（20%）：通过学生在课堂上的表现来评价学生对知识的认知情况及相关能力水平。包括课堂发言、提问、回答问题、测验、练习等，每人每期参加上述课堂活动不得少于两次，少于两次者，课堂表现成绩记为0分。（2）作业完成情况（60%）：围绕课程的学习目标进行章节课后习题完成，主要衡量学生对理论知识的辨识、扩展情况及自主学习能力。主要考核学生综合运用知识的能力、解决实际问题的能力和创新能力。（3）拓展与实践（10%）：包括探究性学习、专题研讨、模拟上课等。主要考查学生收集资料能力，研究设计能力，解决实际问题能力、合作学习能力、语言文字表达能力、教学设计能力和展示与汇报能力等。（4）素质考核（10%）：主要包括考勤、家国情怀、社会责任、学习态度、学习兴趣、科学精神、创新精神与创新能力水平与终身学习意识。2.中期考试（100分）期中考试以开卷的方式进行，考查学生对前面所学知识的认识、理解情况和综合运用知识解决实际问题的能力。3.期末成绩评定（100分）期末考试以闭卷的方式进行。试题类型包括选择、填空、证明、应用等多种题型。期末考试主要考察学生对基本理论、基础知识和具体方法的理解与运用情况。要求学生掌握材料物理化学基础知识的识记，原理、定律的理解，方法的具体应用；促进材料物理化学知识的系统化，提高材料物理化学知识应用能力，达到分析问题、解决问题能力；养成良好的学习习惯，把数学、物理学、化学、材料学有机的结合起来，并能融会贯通。主要内容为热力学基本原理、热力学应用、电化学、界面化学、动力学的基本理论和基本应用。4.总成绩评定总成绩应由平时考核成绩和期末考核成绩构成，其构成比例应科学合理。书写格式：总成绩（100%）=平时成绩（20%）+期中成绩×（10%）+期末成绩×（70%）（三）评分标准课堂表现考核项目评分标准优秀(100>x≥90)良好(90>x≥80)中等(80>x≥70)及格(70>x≥60)不及格(x<60)课堂练习课堂测验、回答问题正确，且能进行解释课堂测验、回答问题正确，但解释不清楚课堂测验、回答问题正确率超过80%课堂测验、回答问题正确率超过50%课堂测验、回答问题正确率不足50%提问与发言随堂提出的问题，能准确呼应，提问、讨论发言积极，思路清晰，问题有深度、有创新提问、讨论发言积极，观点基本正确，问题有深度、有创新，但不全面提问、讨论发言观点基本正确，但不全面提问、讨论发言观点有部分正确，或逻辑不严密提问、讨论发言观点错误，思路不清晰，逻辑不严密随堂笔记记录上课内容详细，能对本书以外的参考书进行笔记的整理完善。书上也有对应补充记录上课内容较详细，能对课堂所讲内容进行消化吸收。书上也有对应补充能及时记录上课内容，对课堂所讲内容进行消化吸收。在书上进行补充、完善，内容不是很全面记录不全，或完全没有记录。课后作业考核项目评分标准优秀(100>x≥90)良好(90>x≥80)中等(80>x≥70)及格(70>x≥60)不及格(x<60)课后作业按时交作业，方法正确，思路清洗，解题准确率超过90%，书写规范，无抄袭，态度端正按时交作业，方法正确，思路较清洗，解题准确率在80-90%，书写基本规范，无抄袭，态度端正按时交作业，方法基本正确，思路较清洗，解题准确率在80-70%，书写基本规范，无抄袭按时交作业，方法基本正确，思路较清洗，解题准确率在60-70%，书写基本规范，有抄袭痕迹，态度不够端正不按时交作业，方法混乱，思路模糊，解题准确率在低于60%，书写不规范，有明显抄袭，或有部分作业未完成。未提交作业记0分拓展和实践考核项目评分标准优秀(100>x≥90)良好(90>x≥80)中等(80>x≥70)及格(70>x≥60)不及格(x<60)仪态10%仪态自然大方；服装整洁优雅；具有教师形象，能目视观众，不长时间盯着PPT或回头看投影仪态自然大方；服装整洁；能目视观众，不长时间盯着PPT或回头看投影服装整洁、仪态较大方，内容不很熟悉，有较多时间盯着PPT或回头看投影服装整洁，但仪态不够自然、紧张；长时间看PPT或投影服装不整洁，仪态不自然表达与逻辑20%声音宏亮，吐字清晰；有引入、提要、总结，内容充实。对于中间的设计要点，阐述重点突出、逻辑清晰、详略得当，无重复口语化表达声音宏亮，吐字清晰，内容充实。对于中间的设计要点，阐述重点突出、逻辑清晰声音宏亮，吐字清晰；能完整介绍汇报内容，重点比较突出，但逻辑性不够清晰，有个别卡顿或口语重复声音不够宏亮，或吐字不够清晰；内容完整，重点不突出，逻辑性不强，口语化表达严重不用普通话，声音太小，或吐字不清晰；内容不完整，表达思路不清晰，逻辑混乱内容或观点的可靠性40%内容准确或观点正确，提出问题新颖，联系学科前沿或实际应用，具有思辨性，有崇高情怀内容准确或