【大学】兰州大学基地班热学课程教学大纲

【关键字】大学兰州大学基地班“热学”课程教学大纲一、“热学”课程的教学基本要求“普通物理学”课程是理科物理类专业的重要基础课，由力学、热学（分子物理学）、电磁学、光学和原子物理学这五个部分组成。

各个部分单独设课，“热学（分子物理学）”是其中继“力学”后的第二门课程。

“普通物理学”课程的“目的是使学生系统地了解和掌握物理学的基本概念、基本原理、基本知识、基本思想“和方法，以及它们的实验基础；了解物理学的发展方向及物理学与其它自然科学和社会科学等的关系；培养学生进一步学好物理学的兴趣，提高学生的自学能力、分析和解决问题的能力；逐步帮助学生建立科学的自然观、世界观和方法论。

”#通过“普通物理学”课程的教学，“既要帮助学生迅速掌握大学的学习特点和规律，建立正确的学习方法，努力养成刻苦踏实、勤于思考的良好学风，又要为后继课程的学习作好业务、思想和心理上的准备，还要为学生毕业后从事有关科学研究、应用开发、教学工作等打下良好的基础。

”#“在普通物理学的教学中，要重视对基本物理现象和物理实验现象的观察、描述和分析，并在此基础上建立物理模型和概念，引出物理原理和定律，引导和帮助学生实现由感性认识到理性认识的飞跃；要重视和发挥演示实验和其它现代化教学手段在普通物理学教学中的作用，提高教学效果；要重视对物理概念、规律的定性描述，在此基础上，帮助学生掌握和使用所学的数学工具来概括和表述物理规律，充分认识每个物理定律数学表达式的物理意义。

在普通物理学中，数学、特别是高等数学，一般并非主要用于演绎和推理，但也不能忽视培养学生基本运算和逻辑思维能力；要准确地阐述物理学中的重要概念，既注意每个概念确定的条件、严格的定义和确切含义，又要注意这些概念将随着人们对自然界认识的深化或客观条件的变化而不断发展、变化和完善。

在着重要求学生掌握物理学基本概念和基本规律的基础上，适当介绍这些基本概念与当代物理学前沿之间的联系，以及它们在生产技术、特别是高技术领域中的应用，注意反映现代物理学的新成果、新思想和新方法。

要注意培养学生对实际问题特别是当前高技术领域中物理问题的兴趣，引导和激励他们解决实际问题的愿望和责任感。

要注意介绍先进的科学思想和正确的科学方法在物理学发展过程中的突出作用，结合物理学发展史，帮助学生树立辩证唯物主义的世界观。

同时引导学生学习某些杰出物理学家热爱自己的祖国、热爱人民大众、热爱和发展科学事业的献身精神。

”#二、“热学”课程的内容与学时分配“热学”课程在理科物理类专业一年级第二学期开设。

基地班课堂教学（其中包括课堂讲授、习题课、讨论课、演示实验、影视和多媒体教学等）共72学时。

课程内容包括绪论、温度、气体动理学理论的基本概念、气体分子热运动速率和能量的统计分布律、气体内的输运现象、热力学第一定律、热力学第二定律、固体、液体、相变、课程总结等部分。

各部分教学的具体内容与学时分配如下。

加“*”号的内容可在时间允许的情况下讲授，加“**”号的内容在一般情况下可不讲授，这些内容在考试时都不作统一要求。

绪论（2学时）热学研究的对象热现象热运动热力学统计物理学气体动理学理论物性学热学研究的方法*微观量*微观量*微观量与微观量的关系**热学发展简史热学常用物理量的符号热学常用物理量的单位基本物理常量基本物理常量的国际推荐值*单位制*国际单位制（SI）*量与单位的国家标准*法定计量单位*自然单位制*物理量的数量级 *物质世界的层次分子的典型数据热学课程的特点我们能够学好热学第一章温度（6学时）热力学系统非平衡态弛豫时间平衡态热动平衡对平衡态的描述*力学平衡*热学平衡*化学平衡*相变平衡和化学反应平衡物态参量几何参量力学参量化学参量电磁参量态函数*对非平衡态的描述*绝热壁*透热壁热接触热平衡热力学第零定律温度温度计测量温度的依据温度计液体温度计定体气体温度计定压气体温度计温标建立温标的要素水的冰点水的汽点水的三相点华氏温标摄氏温标理想气体温标热力学温标*非线性温标*数据处理*有效数字*有效数字的运算*数据的修约*数据的舍弃*本底*信噪比*异常信息的提取**数据平滑化**数字滤波*经验公式*曲线拟合*图解法*选点法*平均法*最小二乘法*回归分析*关联系数*关联性检验*置信水平*误差*误差分析物态方程气体物态方程玻意耳定律阿伏伽德罗定律*查理定律*盖吕萨克定律理想气体物态方程理想气体物质的量摩尔理想气体在标准状态下的摩尔体积普适气体常量阿伏伽德罗常量玻尔兹曼常量洛施密特常量道尔顿分压定律混合理想气体的物态方程*阿马格分体积定律平均摩尔质量体积分数压强分数摩尔质量分数质量分数*物质的量分数混合理想气体的密度与其中各组分的密度干洁大气的平均摩尔质量、密度与其中各组分的密度非理想气体物态方程范德瓦耳斯方程范德瓦耳斯气体 **狄特里奇方程 **伯特洛方程*雷德利克－邝方程 *雷德利克－邝方程与范德瓦耳斯方程和理想气体物态方程的比较卡末林－昂内斯方程位力系数*玻意耳温度（马略特温度）第二章气体动理学理论的基本概念（8学时）气体动理学理论的基本论点分子论点热运动论点分子力论点统计论点*费曼的评价布朗运动的微观解释*布朗微粒是巨分子*爱因斯坦简介*微观粒子的非弹性碰撞伽耳顿板实验统计规律性与涨落现象偶然性与必然性的关系统计性假设*内禀随机性平均值算术平均*几何平均*权重*加权平均*统计平均物体内分子之间的相互作用和分子的热运动决定其微观性质凝聚体中微粒的热振动理想气体的微观模型忽略分子的大小与体积忽略分子间力碰撞是完全弹性碰撞*量纲*量纲指数*无量纲量*量纲法则*量纲分析*瑞利法**定理**白金汉法气体压力的微观解释*理想气体压强公式的量纲分析气体分子速率的方均值理想气体压强公式的推导气体压强的微观解释*用不同的简化模型推导理想气体压强公式*光子气的压强*分子通量理想气体分子平均平动动能与热力学温度的关系温度的微观解释对理想气体定律的推证方均根值气体分子的方均根速率*交流电的有效值*金属内自由电子热运动的方均根速率*布朗粒子的方均根速率与平均平动动能*宇宙飞行器的终极方均根速率*绝对零度只能趋近而不能达到*热力学第三定律*零点能*原子内能量的量子化分子间力米氏模型伦纳德－琼斯模型短程力分子间力势能常用分子间力势能模型微观粒子的弹性碰撞分子有效直径*分子直径与热力学温度的关系其他分子间力势能模型分子间力的平衡距离*分子间斥力的有效作用距离*分子间引力的有效作用距离*分子间力的有效作用距离与平衡距离的关系*分子间力的典型数据分子自身体积改正范德瓦耳斯常量b一摩尔气体分子自身体积总和的4倍等于b分子引力改正范德瓦耳斯常量a内压强范德瓦耳斯气体的压强*范德瓦耳斯气体的负压强范德瓦耳斯气体的压强与理想气体的压强*范德瓦耳斯方程的适用范围范德瓦耳斯气体的摩尔体积*迭代法*分岔与混沌**非线性物理学第三章分子热运动能量和速度的统计分布律（12学时）分布函数速率分布函数速率分布函数的归一化条件麦克斯韦速率分布律麦克斯韦速率分布曲线的特征麦克斯韦速率分布律的适用范围*速率分布函数的定义域*分子数按速率的分布函数与路程按时间的分布函数*类比法*速率恰为某值的分子数与质点在某时刻通过的路程*随机事件*概率*概率加法定理*概率乘法定理*概率分布函数气体分子的最概然速率*麦克斯韦速率分布函数的约化形式*麦克斯韦速率分布曲线出现极大值的点的轨迹用麦克斯韦速率分布函数求平均值气体分子的平均速率和方均速率*气体分子特征速率的量纲分析气体分子的平均速率与方均根速率的关系气体分子速率倒数的平均值与方均根值用麦克斯韦速率分布函数求分子数误差函数*误差函数的计算*气体分子平均速率的简捷计算*气体分子速率的中值*线性内插*气体分子速率中值与其他特征速率之间的关系用麦克斯韦速率分布函数推导气体分子的平动能分布函数*气体分子平动能分布曲线的特征气体分子平动能的平均值与最概然值*气体分子平动能分布函数的约化形式*气体分子的最概然速率与最概然平动能之间的关系麦克斯韦速度分布律*麦克斯韦速度分布曲线的特征*麦克斯韦速度分布函数的约化形式速度空间麦克斯韦速度分布函数与麦克斯韦速率分布函数的关系*麦克斯韦速度分布函数的定义域气体分子速度分量的最概然值、平均值和方均根值*麦克斯韦对速度分布律的推导用麦克斯韦速度分布函数推导气体的压强公式和分子通量公式泻流分子束*泻流存在的条件麦克斯韦发射分布*麦克斯韦发射分布的约化形式*分子束中分子的最概然速率、平均速率和方均根速率麦克斯韦速率分布律的实验验证密勒和库士实验葛正权实验*葛正权简介*分离核素的方法*扩散法*电磁法*离心法*核燃料的生产*核能的利用*中国的核科学技术等温大气等温气压公式兰州市区的大气压*珠穆朗玛峰的大气压*气压计和高度计重力场中微拉按高度的分布*沙尘暴*大气污染的治理**阿伏伽德罗常量的测定*大气标高*等温大气标高*等温大气中粒子的平均高度与平均重力势能*均质大气*均质大气高度大气粒子总数大气总质量*大气总重量*大气的总重力势能*大气的热运动总能量*世界对初级能源的年消耗量**能源问题**新能源的开发与利用*大气的温度结构*大气的均质层*大气的非均质层*大气非均质层内的重力分离现象*标准大气*估算大气粒子总数时忽略了地面的凹凸不平所造成的误差保守力场中微粒按势能的分布*热带风暴*玻尔兹曼对麦克斯韦速度分布律的推导麦克斯韦－玻尔兹曼分布律*粒子数布居反转*负绝对温度**宇宙的有限与无限自由度分子运动的自由度分子的平动自由度分子的转动自由度分子的振动自由度刚性分子和非刚性分子的自由度*线形分子和非线形分子的自由度能量均分定理由能量均分定理和理想气体压强公式推导理想气体的实验定律气体分子热运动的平均总能量理想气体的内能焦耳定律焦耳定律的微观解释理想气体热容的经典理论能量均分定理的应用限度*量子理论对气体热容量的解释第四章气体内的输运现象（6学时）气体分子的碰撞频率气体分子的碰撞截面气体分子的平均自由程气体分子的平均相对速率气体分子的平均相对速率与平均速率的关系*气体分子的相对速率分布函数容器对其内的低压气体分子的碰撞频率和平均自由程的限定分子的自由程分布函数*分子的自由程分布函数的约化形式*分子自由程的最概然值与方均值*分子的自由程分布函数与重力场中微粒按高度的分布函数*穿过指定截面的分子的自由程分布函数与分子束中的分子的速率分布函数*穿过指定截面的分子的平均自由程*分子穿过指定截面前最后一次受碰处至截面的平均距离*气体分子的平均自由时间*分子的自由时间分布函数*包含指定时刻的分子的自由时间分布函数与穿过指定截面的分子的自由程分布函数*包含指定时刻的分子的平均自由时间*大气均质层内无重力分离现象的原因**经典电子论求电导率黏性现象牛顿黏性定律黏度系数黏力黏性现象的微观解释热传导现象傅里叶定律热导率热传导现象的微观解释*热传导与电传导扩散现象菲克定律扩散系数扩散现象的微观解释*热扩散*扩散真空泵黏度系数、热导率、扩散系数与压强的关系黏度系数、热导率、扩散系数与温度的关系黏度系数、热导率、扩散系数彼此之间的关系黏度系数、热导率、扩散系数的数量级*速度住留的充分考虑*黏度系数、热导率、扩散系数的量纲分析低压下气体的黏性现象低压下气体的热传导现象*真空*皮拉尼真空规*杜瓦瓶**真空的获得与真空度的测量*估算分子有效直径的方法的比较*分子热运动的典型数据第五章热力学第一定律（14学时）热力学过程准静态过程非静态过程作功体积功作功的计算过程曲线示功图广义坐标广义位移广义力广义功绝热过程绝热功内能摩尔内能热量传热传热的计算热容比热容摩尔热容焓摩尔焓作功与传热都是过程量作功与传热的等当性*作功与传热的本质区别热力学第一定律能量守恒定律第一类永动机符号规定*爱因斯坦对经典热力学的评价焦耳实验绝热自由膨胀过程等内能过程*焦耳效应*焦耳系数理想气体的内能*范德瓦耳斯气体的内能*范德瓦耳斯气体的焦耳效应焦耳－汤姆孙实验绝热节流膨胀过程等焓过程焦耳－汤姆孙效应焦耳－汤姆孙系数理想气体的焓*范德瓦耳斯气体的焓*范德瓦耳斯气体的焦耳－汤姆孙效应*焦耳－汤姆孙实验和焦耳实验的比较*焦耳－汤姆孙实验的优点反转温度*范德瓦耳斯气体的反转温度曲线*范德瓦耳斯气体的焦耳系数和焦耳－汤姆孙系数理想气体的宏观定义迈耶关系热功当量的测定热力学第一定律对理想气体的应用等体过程等压过程等温过程绝热过程多方过程等热容过程直线过程理想气体绝热过程方程泊松公式绝热指数绝热指数的测定绝热过程与等热容过程的关系绝热大气绝热大气温度梯度*焚风*绝热大气高度理想气体的绝热压缩率理想气体中的声速**绝热大气中粒子的平均高度与平均重力势能**多元大气理想气体多方过程方程多方指数*多方过程与准静态过程的关系*多方过程的摩尔热容与多方指数的关系*多方过程中吸放热的判定多方过程与等压过程的关系多方过程与等体过程的关系多方过程与等温过程的关系多方过程与绝热过程的关系多方过程与等热容过程的关系多方过程的实验判定多方直线过程直线过程中的吸放热转变点和升降温转变点*任意过程中的吸放热转变点和升降温转变点*地球表面上干洁大气的典型数据**行星表面上大气的典型数据*行星大气粒子的逃逸*金斯逃逸的条件*大气逃逸临界高度*逃逸锥*逃逸时间*金斯定则的表述形式*金斯定则的物理解释*金斯定则的适用范围*金斯定则的现实意义**外太阳系天体**奥尔特云**半人马族**柯伊伯带**太阳系外行星**地外生命与文明循环热机的工作原理正循环的效率制冷机与热泵的工作原理逆循环的制冷系数符号规定卡诺热机卡诺循环理想气体卡诺循环的效率理想气体逆向卡诺循环的制冷系数奥托循环*萨根特循环狄塞尔循环*勃莱顿循环斯特林循环埃里克森循环**朗肯循环回热式循环热机与热泵的组合应用*常见热机循环效率的比较*变热源循环第六章热力学第二定律（9学时）热力学第二定律开尔文表述克劳修斯表述第二类永动机热力学第二定律的适用范围热力学第二定律两种表述的等效性可逆过程不可逆过程各种不可逆过程互相关联热力学第二定律的实质论证过程的不可逆性的方法不可逆过程的特点孤立系统宏观状态和微观状态气体自由膨胀的不可逆性热力学第二定律的统计意义*河外星系光谱线的多普勒红移*哈勃定律*哈勃常数*哈勃时间*哈勃长度*膨胀的宇宙*宇宙中的氢氦丰度比*大爆炸宇宙论*宇宙微波背景辐射*科学发现的机遇*宇宙平均密度*临界密度*膨胀宇宙*开宇宙*收缩宇宙*闭宇宙*振荡宇宙*暗物质*云南宇宙线站观察到的奇特事例*具有负热容的自引力系统热寂说*宇宙平均密度等于临界密度*宇宙正加速膨胀*暗能量卡诺定理可逆卡诺循环的效率不可逆卡诺循环的效率对于制冷机类似卡诺定理的结论卡诺定理的推广任意正循环的效率*任意可逆逆循环的制冷系数卡诺定理的应用热力学温标的引入热力学温标与理想气体温标和摄氏温标的关系内能随体积的改变与物态方程的关系定压摩尔热容与定体摩尔热容的关系*焦耳系数的计算*焓随压强的改变与物态方程的关系*焦耳—汤姆孙系数的计算**推导表面张力系数与温度的关系*黑体辐射*辐射压强与辐射能密度的关系*光子气的物态方程*普朗克常量*斯特藩－玻尔兹曼定律*斯特藩常量*太阳表面温度*基础代谢*克劳修斯等式*熵*热力学基本微分方程*广延量和强度量*示热图*等熵过程*熵变的计算*理想气体的熵**克劳修斯不等式**熵增加原理**孤立系统的微观状态是等概率的**热力学概率**玻尔兹曼关系**熵增加原理的微观实质**不可逆过程热力学简介**耗散结构第七章固体（1学时）物质的聚集态凝聚体固体液体气体*流体*等离体晶体与非晶体单晶体和多晶体**晶体的宏观特征**晶面**晶棱**顶点**面间角恒定定律**各向异性**确定的熔点**晶体的微观结构**晶体的周期性**基元加晶格等于晶体结构**格点**平移周期**晶体的对称性**原胞**晶胞**晶格常量**晶系**晶轴长程有序**表面物理晶体中粒子的结合力*化学键**离子键**共价键**金属键**范德瓦耳斯键**氢键**离子晶体**原子晶体**金属晶体**分子晶体**氢键晶体**混合型晶体**氯化钠**金刚石**金属**晶体氩**冰**石墨**结合力的普遍特征**晶体中粒子的结合能晶体弹性的微观解释晶体中粒子的热运动热振动*热缺陷杜隆－珀蒂定律*考普定律晶体热膨胀的微观解释晶体线膨胀率的计算*晶体线膨胀率的量纲分析*低温时的线膨胀率*热传导**声子*维德曼－弗兰兹定律**扩散**晶体的塑性形变**加工硬化**滑移**位错**孪生非晶态固体过冷液体短程有序**玻璃**半导体玻璃**铁磁玻璃**有机聚合物第八章液体（5学时）液体与晶体和气体的比较液体的宏观特征液体的微观结构定居时间液体各向同性*液体内压强液晶**熔点与清亮点**向列型液晶**胆甾型液晶**近晶型液晶**多角型液晶外界因素对液晶的影响显示技术*动态散射现象*华裔学者在液晶研究上的贡献**液体的彻体性质（热容量热膨胀热传导扩散黏性）液体的表面性质表面张力表面层*表面层的厚度*表面自由能表面张力的微观解释表面张力系数影响表面张力系数的因素表面活性物质*表面张力系数与温度的关系*表面张力系数的计算*表面张力系数的测定*水滴的自然半径球形液面下的附加压强*球形液面下附加压强的量纲分析*球形液面下附加压强对人体的影响拉普拉斯公式柱形液面下的附加压强马鞍形液面下的附加压强接触角润湿和不润湿附着层附着力和内聚力润湿和不润湿的微观解释*水层自然厚度毛细现象毛细管*毛细现象的量纲分析树液的输运*渗透压*液体的负压强第九章相变（8学时）元单元系二元系多元系相相变一级相变**二级相变**连续相变*居里点*温控开关*超导态*零电阻现象*迈斯纳效应*超导转变温度*液氮温区超导体*我国学者和华裔学者在液氮温区超导体研究上的贡献单元系一级相变相变中体积的改变相变潜热内潜热和外潜热*特鲁顿定则*理查兹定则汽化蒸发*液体的蒸发速率气液等温相变饱和蒸气与液体平衡汽化曲线相平衡曲线饱和蒸气压影响饱和蒸气压的因素饱和蒸气压与液面曲率的关系凝结过冷蒸气亚稳态凝结核云雾的形成云室*雷雨*人工降水*飞行器凝结尾迹沸腾沸腾的条件过热液体亚稳态汽化核泡室暴沸*地震丰富前兆的成因*中国物理学界前辈（胡刚复饶毓泰叶企孙吴有训王淦昌）简介临界等温线临界点临界态临界参量临界温度临界压强临界摩尔体积*临界乳光克劳修斯—克拉珀龙方程沸点与压强的关系正常沸点高压锅*沸点与临界温度的关系蒸气压方程由蒸气压方程求潜热*由蒸气压方程求正常沸点*钨的饱和蒸汽压沸点与海拔高度的关系兰州市区水的沸点*珠穆朗玛峰水的沸点熔点与压强的关系正常熔点*滑冰*滚雪球*冰川*熔点与沸点的关系**临界温度很低的气体的液化**获得低温的方法**低温下的物理现象**超流动性*获得诺贝尔物理奖的我国和华裔学者（杨振宁李政道丁肇中朱棣文崔琦高锟）简介范德瓦耳斯等温线亚稳平衡等温线的相交**麦克斯韦等面积定则范德瓦耳斯气体的临界参量临界系数*确定气体临界参量的方法的比较由临界参量确定范德瓦耳斯常量*由临界参量确定雷德利克－邝常量对比物态参量对比物态方程范德瓦耳斯对比物态方程*范德瓦耳斯对比反转温度曲线对应态对应态定律*对应态定律与阿伏伽德罗定律熔化凝固熔化曲线凝固时体积的改变**结晶**过冷度**同素异晶转变**地球表面上的山的最大高度**行星表面上的山的最大高度**固态星体成球状的条件升华凝华升华曲线升华与蒸发升华热与汽化热和熔化热的关系三相点相图三相图课程总结（1学时）三、教科书和主要参考书教科书：李椿，章立源，钱尚武. 热学. 北京：高等教育出版社，2005年12月.1~386主要参考书目：（按出版时间排序）。