《大学物理》课程教学大纲
(University Physics)
课程代码:G10006 课程类型:公共必修课
开课单位:基础课教学研究部 适用专业:汽车服务工程、交通运输
先修课程:高等数学A(一) 后续课程:部分专业基础或专业课程
总学分数:4学分
总学时数:64学时,其中理论48学时,实践16学时
大纲制订人:陈兴媚 大纲审核人:曾亮
制订年月:2024年7月
一、课程简介
物理学是研究物质的基本结构、基本性质、基本相互作用以及普遍运动形式的学科,具有很强的严密性和系统性,是自然科学和工程技术的基础。大学物理课程既是应用型本科工科专业的重要公共必修课程,也是重要的科学素质教育课程。本课程主要内容包括:矢量运算的基本知识;力学(质点力学、刚体力学)的基本概念、基本原理及其应用;电磁学的基本概念、基本原理及其应用;气体动理论和热力学的基本原理和应用。通过本课程的学习,使学生对物理学的基本概念、基本理论、基本方法有系统的认识和正确的理解,并具有初步的应用能力;培养学生严谨的科学态度和思维方法,提高学生的科学素质和创新能力。
二、课程教学目标
1、总体目标
本课程为汽车服务工程专业和交通运输专业一年级的一门公共必修课。通过本课程的理论学习,学生应掌握力学(质点力学、刚体力学)、气体动理论和热力学、电磁学的基本原理和研究方法;学会运用微积分等数学工具分析和计算一般难度的物理问题。通过本课程的实验技能训练,可以培养学生的动手能力和基本的实验技能,使学生掌握从事科学实验的基本方法;可以培养学生实事求是的科学精神和严谨认真的科学态度等。本课程将为学生后续课程的学习以及未来从事科学研究和工程技术工作奠定良好的基础。
2、具体目标
序号 | 课程具体目标 | 所支撑的毕业要求指标点 | 贡献度 |
1 | 课程目标1:掌握矢量和微积分在物理学中的应用;掌握力学(质点力学、刚体力学)、气体动理论和热力学、电磁学的基本原理和研究方法;了解物理学中的理想模型及适用条件,学会根据具体情况,对研究对象进行合理的简化;能求解一般难度的质点力学和刚体力学问题、静电场和稳恒磁场问题、以及气体动理论和热力学问题。 | 1.工程知识:能系统理解数学、物理、工程科学理论基础并用于专业领域工程问题的表述。 | H |
2 | 课程目标2:通过物理学案例,使学生学会运用微积分等数学工具,分析、计算工程技术中与物理学有关的一般难度问题,具有一定分析问题和解决问题的能力。 | 2.问题分析:能运用数学、物理、工程科学的基本原理对专业领域的复杂工程问题进行识别、判断与表达。 | M |
3 | 课程目标3:通过本课程的学习,使学生掌握科学的学习方法和研究方法以及从事科学实验的基本方法,并能将这些方法用于具体工程问题。 | 4.研究:能够基于科学原理,通过文献研究或相关方法,调研和分析专业领域复杂工程问题的解决方案;能够正确选用实验器件、设备或装置,搭建实验系统,安全进行科学实验,获取实验数据,并能通过有效的数据处理,得出合理的结论。 | M |
4 | 课程目标4:通过本课程的学习,使学生学会针对具体的物理问题,利用现代信息工具查阅文献资料,并参考文献资料解决所遇到的问题。 | 5.使用现代工具:了解专业常用的现代仪器、信息技术工具、工程工具和模拟软件的使用原理和方法,并理解其局限性,具有信息获取能力,能够根据需要选择与使用信息技术工具和检索工具。 | M |
5 | 课程目标5:通过本课程,培养学生的自学意识和自学能力,使其具有独立学习新知识和新技术的能力,并使他们意识到在信息社会需要做好终身学习的思想准备。 | 12.终身学习:具有自主学习和终身学习的意识,有不断学习和适应发展的能力。 | M |
备注:“H”表示高贡献度,“M”表示中等贡献度,“L”表示低贡献度。
三、知识单元及学时分配
序号 | 知识单元 | 学时分配 |
理论学时 | 实践学时 | 总学时 |
1 | 矢量及其运算 | 2 | 0 | 2 |
2 | 质点运动学 | 4 | 0 | 4 |
3 | 质点动力学 | 6 | 4 | 10 |
4 | 刚体力学 | 4 | 0 | 4 |
5 | 气体动理论 | 4 | 2 | 6 |
6 | 热力学基础 | 4 | 4 | 8 |
7 | 静电场 | 10 | 6 | 16 |
8 | 稳恒磁场 | 6 | 0 | 6 |
9 | 电磁感应 | 4 | 0 | 4 |
10 | 期末复习 | 4 | 0 | 4 |
合计 | 48 | 16 | 64 |
四、教学内容
(一)理论教学内容及学时分配
知识单元 | 知识点 | 教学要求 | 学时 | 支撑的课程 目标 |
矢量及其 运算 | 1、矢量与标量 2、矢量合成的几何法 3、矢量合成的解析法 4、矢量的标积和矢积 | 1、掌握矢量与标量的区别。 2、掌握矢量的表示方法。 3、掌握矢量加法、减法、数乘、矢积、标积的计算。 4、能熟练运用几何法和解析法求解矢量的合成。 | 2 | 1 |
质点运动学 | 1、参考系、坐标系、 物理模型 2、位置矢量、位移、 速度、加速度 3、曲线运动的描述 | 1、理解质点模型,认识坐标系、参考系的使用。 2、掌握描述质点运动及运动变化的四个物理量:位置矢量、位移、速度、加速度的数学定义。理解这些物理量的矢量性、瞬时性。 3、理解运动方程的物理意义,理解角速度,角加速度,切向加速度和法向加速度的概念。4、掌握直线运动和圆周运动中运动学参量的计算。 | 4 | 1、2、4、5 |
质点动力学 | 1、牛顿运动定律 2、功、 动能、 势能、 机械能守恒定律 3、动量、动量守恒定律 | 1、掌握牛顿三大定律的内容和使用条件,能熟练地用之求解质点一维运动问题和部分二维运动问题。 2、理解功和能量的概念和保守力做功的特点及势能的概念。能使用微积分计算变力的功。能掌握几种主要保守力的势能计算方法。 3、理解动能定理、功能原理、机械能守恒定律以及适用条件,掌握运用动量和能量守恒定律分析力学问题的思想和方法。 4、理解动量、冲量概念。掌握动量定理和动量守恒定律内容及其应用。 | 6 | 1、2、3、5 |
刚体力学 | 1刚体、刚体定轴转动的描述 2、力矩、刚体定轴转动的转动定律 3、刚体定轴转动的动能定理 4、刚体定轴转动的角动量定理和角动量守恒定律 | 1、掌握刚体定轴转动的运动学描述,理解角速度、角加速度的物理意义,并掌握角量与线量的关系。 2、掌握转动惯量概念,了解典型刚体的转动惯量的计算方法。掌握刚体定轴转动的转动定律,并掌握相应的简单问题求解方法。 3、理解力矩和转动惯量概念。理解刚体定轴转动的转动动能概念。掌握刚体绕定轴转动的转动定理,能在有刚体绕定轴转动的问题中正确地应用机械能守恒定律。 4、理解角动量(动量矩)概念。掌握角动量守恒的条件和内容,能处理一般质点在平面内运动以及刚体绕定轴转动情况下的角动量守恒问题。 | 4 | 1、2、3、5 |
气体动理论 | 1、平衡态、 温度 2、理想气体状态方程 3、理想气体的压强 4、能量均分定理 5、理想气体的内能 | 1、能从统计意义上理解压强、温度、体积等概念。了解系统的宏观性质是微观运动的统计平均,理解平衡态、平衡过程、理想气体等概念。 2、理解三大实验定律;能用理想气体的状态方程来求解一般难度的相关问题。 3、理解理想气体的压强公式及其的物理意义。通过推导气体压强公式,了解从提出模型,进行统计平均,建立宏观量与微观量的联系,到阐明宏观量微观本质的思想和方法。 4、了解自由度概念,理解能量均分定理。 5、理解物体内能的概念;会计算理想气体的内能。 | 4 | 1、2、3、5 |
热力学基础 | 1、内能、功和热量、 准静态过程 2、热力学第一定律 3、热力学第一定律在理想气体等值过程中的应用 4、气体的摩尔热容 5、绝热过程 | 1、掌握内能、功和热量等概念,理解准静态过程。 2、掌握热力学第一定律的内容及其数学表达式。 3、能分析计算理想气体在等体、等压、等温过程中的功、热量和内能的改变量。 4、理解气体的热容与摩尔热容的定义,理解理想气体摩尔定体热容、摩尔定压热容的定义及数学表达式。 5、理解绝热过程的条件要求,了解绝热方程,能分析计算理想气体在绝热过程中的功、热量和内能的改变量。 | 4 | 1、2、4、5 |
静电场 | 1、电荷、库仑定律 2、电场强度 3、电场强度叠加原理 4、电场强度的计算 5、电通量 高斯定理 6、高斯定理的应用 7、电场力的功 静电场的环路定理 8、电势能、电势、电势差、等势面 9、导体的静电平衡 10、导体壳和静电屏蔽 11、电介质的极化 | 1、掌握库仑定律的内容及数学表达式,能用库伦定律求解相关问题。 2、理解静电场中的电场强度是矢量点函数。 3、了解电场强度叠加原理。了解电偶极子概念,能计算电偶极子在均匀电场中的受力和运动。 4、理解运用电场强度叠加原理求解电荷连续分布的带电体的电场的思路及方法。 5、理解静电场是有源场。掌握高斯定理的内容和数学表达式。 6、熟悉用高斯定理计算场强的条件和方法,并能熟练应用。 7、理解电场力的功和静电场的环路定理,认识静电场是保守场。 8、理解描述静电场的另一个基本物理量-电势的概念,并掌握计算电势的方法:电势叠加法、场强积分法(电势定义法)。 9、掌握静电平衡的条件以及导体处于静电平衡时的电荷、电势、电场分布。 10、了解静电屏蔽原理。 11、掌握有导体存在的静电场电场强度与电势的计算。 | 10 | 1、2、3、4、5 |
稳恒磁场 | 1、真空中的静磁场、磁感应强度 2、电流的磁场 毕奥-萨伐尔定律 3、安培环路定理 4、磁场对载流导线的作用 | 1、掌握描述磁场的物理量-磁感强度的概念,理解它是矢量点函数。理解稳恒磁场是无源场,理解稳恒磁场的高斯定理。理解洛伦兹力公式,能分析点电荷在均匀电磁场(包括纯电场、纯磁场)中受力运动的简单情况。 2、理解毕奥-萨伐尔定律,能利用它计算一些简单问题中的磁感强度。 3、安培环路定理的内容以及数学表达式,掌握运用安培环路定理计算磁感应强度的条件和方法,并能熟练应用。 4、理解安培定律的内容及其数学表达式,掌握简单几何形状载流导体和载流平面线圈在磁场中所受的力和力矩的计算方法。 | 6 | 1、2、3、4、5 |
电磁感应 | 1、电流、电动势 2、法拉第电磁感应定律 3、楞次定律 4、动生电动势 5、感生电动势 6、自感与互感 | 1、理解恒定电流产生的条件和电流密度和电动势的概念。 2、理解法拉第电磁感应定律内容及数学表达式。 3、能应用法拉第电磁感应定律和楞次定律来计算感应电动势,并判明其方向。 4、理解动生电动势的概念和规律,并能掌握有关问题的计算方法。 5、理解感生电动势的概念和规律。 6、了解自感和互感现象,会计算几何形状简单的导体的自感和互感系数。 | 4 | 1、2、3、5 |
期末复习 | 1、对质点力学和刚体力学知识点进行总结、归纳。 2、对气体动理论和热力学知识点进行总结、归纳。 3、对电磁学内容各知识点进行总结、归纳。 | 1、对质点力学和刚体力学的各知识点有比较全面和系统的认识。 2、对气体动理论和热力学的各知识点有比较全面和系统的认识。 3、对静电场和稳恒磁场的各知识点有比较全面和系统的认识。 | 4 | 1 |
(二)实践教学内容与要求
实验项目的设置及学时分配
序号 | 实验 项目名称 | 学时 | 类型 | 实验内容及要求 | 支撑课程 教学目标 |
1 | 金属丝弹性模量的测量实验 | 2 | 综合性 | 用拉伸法测量金属丝的弹性模量,并根据实验公式计算出金属丝的弹性模量值。使学生掌握光杠杆法测量微小伸长量的原理,学会用逐差法或最小二乘法处理实验数据。 | 1、3、4、5 |
2 | 简谐振动与弹簧劲度系数的测量实验 | 2 | 验证性 | 用伸长法测量弹簧劲度系数,验证胡克定律;测量弹簧作简谐振动的周期,求得弹簧的劲度系数。使学生掌握弹簧振子作谐振动时周期与振子的质量、弹簧劲度系数的关系;了解集成霍尔开关传感器在测量周期或转速中的应用,掌握其使用方法。 | 3、4、5 |
3 | 金属的线膨胀系数测量实验 | 2 | 综合性 | 测量金属的线膨胀系数。使学生了解PID温控实验仪的原理以及掌握其使用方法;能正确记录、处理实验数据,能正确绘制曲线,说明结果。 | 1、3、4、5 |
4 | 太阳能电池特性测试实验 | 2 | 综合性 | 测量太阳能电池的暗伏安特性、开路电压和光强之间的关系、短路电流和光强之间的关系以及输出特性。使学生正确理解单晶硅和非晶硅两种硅太阳能电池的特性;能够正确记录和处理实验数据;能正确绘制曲线,说明结果。 | 1、2、3、4、5 |
5 | 理想气体状态方程实验 | 2 | 验证性 | 研究等温条件下,一定质量气体的压强-容积关系,验证波义耳-马略特定律;研究等容条件下,一定质量气体的温度-压强关系,验证查理定律。使学生掌握理想气体各物态量之间的关系,能够正确记录和处理实验数据,说明结果。 | 1、3、4、5 |
6 | 模拟法描绘静电场实验 | 2 | 验证性 | 模拟带电的同心“圆斑-圆环”系统的静电场;模拟电偶极子的静电场。使学生了解模拟法的一般原理,加深对电场强度和电位概念的理解,能正确绘制曲线,说明结果。 | 3、4、5 |
7 | 用惠斯通电桥测量电阻实验 | 2 | 验证性 | 用惠斯通电桥测量不同阻值的电阻。使学生了解惠斯通电桥的基本原理,掌握分析测量误差的方法,能够正确记录实验数据和分析测量误差。 | 3、4、5 |
8 | 电表的改装与校准实验 | 2 | 设计性 | 将一个量程为0.1mA的指针式表头分别改装成1mA 量程的电流表和1.5V量程的电压表。使学生掌握毫安表改装成量程较大的电流表和电压表的原理与方法,能完成简单的设计性实验。 | 2、3、4、5 |
每组实验学生人数1-2人为宜,要求每位学生以严谨的科学态度进行实验操作、运用物理学知识对实验现象进行观察、分析、判断。实验报告内容撰写应包含七个方面:①实验目的:写明实验要求了解、理解、掌握的内容;②实验原理:扼要地阐述实验所依据的原理、实验方法、主图、关键公式及推导过程;③实验仪器设备:记录实验所用仪器的名称、型号、规格和数量;④实验注意事项:写明实验过程中的安全问题和实验操作细节注意事项;⑤实验步骤:按实验过程的先后顺序列出主要步骤,重点应阐明实验中的关键点;⑥实验原始数据和数据处理及结论:根据测量所得如实记录原始数据。对需要进行数据计算而得的实验结果,原始数据必须如实代入计算公式,并写出详细推算过程,所有的计算都必须按有效数字的计算规则进行。⑦实验总结部分:简要阐述实验的收获和感想或提出有创造性见解的问题、设想、改进等。
五、课程考核评价方式
1、考核性质:考试
2、考核方式:闭卷
3、成绩评定办法: 总评成绩100分=闭卷考核成绩60%+过程考核成绩40%
考核项目 | 考核要求 | 总比例 | 支撑课程目标 |
期末考试(60%) | 基本概念与知识点——对力学(质点力学和刚体力学)、电磁学、气体动理论和热力学基本概念、基本原理掌握情况 | 12% | 1 |
计算分析题——分析、计算能力及应用能力 | 36% | 1、2 |
简答分析题——自主学习等能力及分析问题、解决问题的能力 | 12% | 2、3、5 |
课堂考勤(10%) | 执行学校课堂考勤管理制度,对每次课出勤进行考核 | 10% | 1、2、3、4、5 |
课堂互动(6%) | 参与课堂互动,提出问题,表达自己的观点并与老师、同学进行交流沟通情况 | 6% | 1、2、3、4、5 |
实验 (14%) | 实验报告撰写内容的完整性、规范性,页面整洁程度,实验数据处理、分析是否科学规范,结果表述是否准确等进行考核 | 14% | 3 |
作业 (10%) | 作业1、计算、分析一般难度物理问题的能力 | 6% | 1、2 |
作业2、自主学习、独立解决问题的能力 | 4% | 4、5 |
注:其中作业1和作业2均为多次作业,可综合取平均分。
(1)闭卷考试60%:根据课程教学目标,重点考核学生对基本知识、重难点知识的理解和应用情况,能反映学生的分析问题、自主学习等能力;考核内容与类型能支撑课程目标的达成。
(2)过程考核40%:包括课堂考勤10%,课堂互动6%,实验14%,作业10%。(或过程性考核按百分制计算为考勤25%、课堂互动15%、实验35%、作业25%)。
课堂考勤主要考核学生上课出勤情况,由任课老师根据课堂考勤统计情况给出该项成绩。课堂互动主要根据课堂上学生积极参与答题、讨论、交流,勇于表现自我等情况,由任课教师给出该项成绩。实验主要考核学生实验预习、实验操作情况以及实验数据处理与分析能力,根据实验报告(即实验成果)撰写的完成质量由任课教师给出该项成绩。过程考核还应强调独立完成作业的重要性,培养学生计算分析能力和独立解决问题的能力。
六、教材及参考资料
1、建议使用教材
[1]吴钰涵,杜艳丽,张海燕.大学物理[M].成都:电子科技大学出版社,2023.10.
[2]张智明,何珊等.大学物理实验[M].北京:北京邮电大学出版社,2023.08.
2、建议使用教学参考资料
[3]赵近芳,王登龙.大学物理学[M].第6版.北京:北京邮电大学出版社,2021.12.
[4]东南大学等七所工科院校编;马文蔚,周雨青,解希顺改编.物理学[M].第七版.北京:高等教育出版社,2020.10.
[5]赵凯华,罗蔚茵.新概念物理教程•力学[M].第三版.北京:高等教育出版社,2023.07.
[6]赵凯华,陈熙谋.新概念物理教程•电磁学[M].第三版.北京:高等教育出版,2023.07.
[7]黄淑清,聂宜,申先甲,隗功民,姜宏伟.热学教程[M].第四版.北京:高等教育出版社,2020.04.
[8]欧阳玉花.大学物理实验[M].第二版.北京:科学出版社,2021.01.
[9]费业泰.误差理论与数据处理[M].第7版.北京:机械工业出版社,2019.11.