《力学与热学》教学大纲.

《力学与热学》教学大纲英文名称：Mechanics and calorifics课程编码：13213 学分：5 参考学时：80 实验学时：上机学时：适用专业：地球物理学大纲执笔人：闫向宏系（教研室）主任：方建会《力学部分》一、课程目标《力学》是应用物理学专业和材料物理学专业学生一门重要的基础必修课，通过本课程的学习，使学生不但比较系统的掌握力学的基础知识，而且使学生学到力学基础的研究方法，掌握普通物理学中力学部分的基本概念、基本定律，另外也训练学生严密的科学思维及分析问题解决问题的能力，为学生毕业后从事与物理学有关的科学研究、教学工作，为学习后继课程打下良好的基础。

二、基本要求1．掌握质点的直线运动及曲线运动规律；2．掌握质点动力学的基本定律；3．掌握刚体的平动及定轴转动的基本规律；4．掌握伯努利方程；5．掌握简谐振动和简谐波的基本规律；6．了解刚体的滚动、阻尼和受迫振动。

7．掌握洛伦兹变换、钟慢尺缩效应、相对论动量和能量、相对论时空观三、教学内容与学时分配建议第一章物理学和力学2学时1．1发展着的物理学（－）经典物理学与现代物理学（二）微观世界（三）宇宙的早期演化（四）非线性系统的复杂行为1．2 物理学科的特点（一）物理学以实验为基础（二）理想模型（三）物理学的思考（四）物理学理论（五）物理·技术和经济1．3 时间和长度的计量（一）时间的计量（二）长度的计量1．4 单位制和量纲（一）基本单位和导出单位（二）国际单位制（三）量纲式1．5 参考系·坐标系与时间坐标轴（一）参考系和坐标系（二）时间坐标轴1．6 力学——学习物理学的开始数学知识补充与复习1．矢量2．矢量的加法与减法3．矢量的数乘4．矢量的正交分解5．矢量的标积和矢积6．矢量导数第二章质点运动学4学时2．1 质点的运动学方程（一）质点的位置矢量与运动学方程（二）位移——位置矢量的增量2．2 瞬时速度矢量与瞬时加速度矢量（一）平均速度与瞬时速度（二）平均加速度与瞬时加速度2．3 质点直线运动——从坐标到速度和加速度（一）运动学方程（二）速度和加速度（三）匀速与匀变速直线运动2．4 质点直线运动——从加速度到速度和坐标（一）从速度到运动学方程和位移（二）已知加速度求速度和运动学方程2．5 平面直角坐标系·抛体运动（一）平面直角坐标系（二）抛体运动（三）用矢量讨论抛体运动2．6 自然坐标·切向和法向加速度（一）自然坐标（二）速度·法向和切向加速度2．7 伽利略变换（一）伽利略变换（二）伽利略变换蕴含的时空观（三）伽利略速度变换关系（四）加速度对伽利略变换为不变量第三章动量定理及动量守恒定律4学时3．1牛顿第一定律和惯性参考系3．2 惯性质量·动量和动量守恒定律（一）惯性质量（二）动量·动量守恒定律3．3 牛顿运动定律·伽利略相对性原理（一）力·力的独立作用原理（二）牛顿运动定律（三）伽利略的相对性原理3．4 主动力和被动力（一）主动力（二）被动力或约束反作用力3．5 牛顿运动定律的应用（一）质点的直线运动（二）变力作用下的直线运动（三）质点的曲线运动（四）质点的平衡3．6 非惯性系中的力学（一）直线加速参考系中的惯性力（二）离心惯性力（三）科里奥利力3．7 用冲量表述的动量定理（一）力的冲量（二）用冲量表述的动量定理3．8 质点系动量定理和质心运动定理（一）质点系动量定理（二）质心运动定理（三）质点系相对于质心系的动量3．9 经典力学中动量守恒定律的常见形式（一）质点系动量守恒定律（二）动量沿某一坐标轴的投影守恒第四章动能和势能4学时4．1 能量——另一个守恒量4．2 力的元功·用线积分表示功（一）力的元功和功率（二）利用不同坐标系表示元功（三）力在有限路径上的功4．3 质点和质点系动能定理（一）质点的动能定理（二）质点系内力的功（三）质点系的动能定理4．4 保守力与非保守力·势能（一）力场（二）保守力与非保守力（三）势能（四）势能是物体相对位置的函数4．5 功能原理和机械能守恒定律（一）质点系的功能原理（二）质点系的机械能守恒定律4．6 对心碰撞（一）关于对心碰撞的基本公式（二）完全弹性碰撞·查德威克发现中子（三）完全非弹性碰撞（四）非完全弹性碰撞第五章角动量·关于对称性2学时5．1 质点的角动量（一）质点的角动量（二）力对一参考点的力矩（三）质点对参考点的角动量定理和守恒定律（四）质点对轴的角动量定理和守恒定律5．2 质点系的角动量定理及角动量守恒定律（一）质点系对参考点的角动量定理及守恒律（二）质点系对轴的角动量定理及守恒律5．3 质点系对质心的角动量定理和守恒定律5．4 经典动力学的适用范围第七章刚体力学6学时7．1 刚体运动的描述（一）刚体的平动（二）刚体绕固定轴的转动（三）角速度矢量（四）刚体的平面运动7．2 刚体的动量和质心运动定理（一）刚体的质心（二）刚体的动量与质心运动定理7．3 刚体定轴转动的角动量·转动惯量（一）刚体定轴转动对轴上一点的角动量（二）刚体对一定转轴的转动惯量（三）刚体定轴转动的角动量定理和转动定理（四）刚体的重心（五）典型的例子7．4 刚体定轴转动的动能定理（一）力矩的功（二）刚体定轴转动的动能定理（三）刚体的重力势能7．5 刚体平面运动的动力学（一）刚体平面运动的基本动力学方程（二）作用于刚体上的力（三）刚体平面运动的动能第九章简谐振动6学时9．1 简谐振动的动力学特征9．2 简谐振动的运动学（一）简谐振动的运动学方程（二）简谐振动的x一t图线和相轨迹（三）简谐振动的矢量表示法9．3 简谐振动的能量转换9．4 简谐振动的合成（一）同方向同频率简谐振动的合成（二）同方向不同频率简谐振动的合成（三）互相垂直相同频率简谐振动的合成（四）互相垂直不同频率简谐振动的合成·利萨如图形9．6 阻尼振动9．7 受迫振动（一）受迫振动的动力学方程（二）受迫振动的运动特征第十章波动和声6学时10．1 波的基本概念（一）波是振动状态的传播（二）多种多样的波（三）平面波与球面波10．2 平面简谐波方程（一）平面简谐波方程（二）平面简谐波方程的多种形式10．3 波动方程与波速（一）波动方程（二）波速·色散现象10．4 平均能流密度·声强与声压（一）媒质中波的能量分布（二）平均能流密度（三）声强与声强级（四）声压·声强和声压的关系（五）声波的衰减·超声波的优势（六）波的反射和透射·半波损失10．5 波的叠加和干涉·驻波（一）波的叠加·群速（二）波的干涉（三）驻波10．6 多普勒效应（一）波源静止而观察者运动（二）观察者静止而波源运动（三）观察者和波源在同一条直线上运动第十一章流体力学4学时11．1理想流体11．2 静止流体内的压强（－）静止流体内一点的压强（二）静止流体内不同空间点压强的分布（三）相对于非惯性系静止的流体11．3 流体运动学的基本概念（－）流迹·流线和流管（二）定常流动（三）不可压缩流体的连续性方程11．4 伯努利方程11．5 粘性流体的运动（一）粘性定律（二）雷诺数（三）层流和湍流第十二章相对论简介4学时12．1 狭义相对论的历史背景（一）麦克斯韦方程建立引起的问题（二）菲索与迈克耳孙一莫雷实验（三）关于相对性原理的思考12．2 洛伦兹变换（一）狭义相对论的基本假设（二）洛伦兹变换（三）洛伦兹变换蕴含的时空观（四）尺缩钟慢的实验检验12．3 相对论的速度变换12．4 相对论的动量和能量（一）相对论的动量（二）相对论的质能公式（三）动量――能量公式（四）碰撞问题四、教材及主要参考资料1．《普通物理学－力学》，漆安慎、杜婵英编，高等教育出版社，2000；2．《力学》，卢民强、许丽敏编，高等教育出版社，2002；3．《力学》，钟锡华、周岳明编，北京大学出版社，2000。

《热学部分》一、课程目标《热学》是地球物理学专业的一门基础课，是普通物理学的一个组成部分。

通过本课程的学习，使学生系统地掌握热学的基本概念和基本知识，建立起鲜明的物理图象，熟悉热学理论的一些实际应用，培养学生分析和解决一般热学问题的能力。

本课程既为热力学与统计物理学等后续课程的学习打下基础，又为学生毕业后从事科学研究、教学和技术工作提供基本的热学知识。

二、基本要求本部分内容可概括为三部分：气体分子动理学理论，热力学基础和物性学基础。

前两部分为重点，应使学生切实学到手。

考虑到与后续课的分工和衔接，热学应着重要求学生掌握基本概念和基本规律。

在第一部分应使学生对一些基本热学过程建立起鲜明的物理图象，而不应过多涉及统计物理学的内容；在第二部分也不应引入过多的热力学函数；第三部分涉及到液体、固体以及相变知识，这部分是介绍性的内容，仅要求学生了解。

三、教学内容与学时分配建议第一章：热学基本概念6学时1．引言简要介绍热学的研究对象及研究方法；指出热运动和机械运动的区别；介绍热力学系统的宏观描述和微观描述。

与热学有关的物理学前沿课题。

2．温度和温度计掌握平衡态概念和描述平衡态的状态参量；从热力学第零定律引出温度的概念；掌握建立经验温标和理想气体温标的方法，了解几种常用的温度计；根据玻义耳定律、理想气体温标和阿佛伽德罗定律建立理想气体状态方程，了解非理想气体状态方程。

重点：温度概念和温标的建立。

难点：温度概念的建立。

3．气体分子运动的基本概念从物质的微观结构模型出发并结合理想气体的微观模型，应用统计概念和统计方法导出理想气体的压强公式，再结合理想气体状态方程导出温度公式，从而给出温度的微观解释。

要求掌握统计概念和统计方法的运用，掌握宏观量与微观量之间的关系。

从分子力和分子势能曲线来理解分子间的相互碰撞过程；根据实际气体的分子模型，导出气体的范德瓦耳斯方程。

重点：气体压强公式及温度公式的推导。

难点：气体微观模型及统计概念的建立。

第二章：分子动理学理论的平衡态理论8学时理解分布律和分布函数的概念，引出麦克斯韦速度和速率的分布律，理解分布函数的物理意义和归一化条件。

掌握麦克斯韦速率和速度分布函数的数学表达式中各物理量的意义，理解分布曲线所含的物理意义。

掌握运用麦克斯韦速率分布函数求出三种特征速率并理解其意义；运用麦克斯韦分布律求出给定区间范围内的分子数或分子比率。

了解麦克斯韦速率分布律的实验验证方法；了解统计规律与涨落现象是不可分割的。

了解玻耳兹曼分布律，了解重力场中微粒按高度的分布，自由度，理想气体的内能和热容量。

理解经典的能量按自由度均分定理。

重点：麦克斯韦分布率的意义及其应用。

难点：运用麦克斯韦分布率求解一些问题。