課程簡(jiǎn)介
Course Introduction
《熱學(xué)》課程是本科物理專業(yè)的基礎(chǔ)課,，是經(jīng)典物理中唯一采用統(tǒng)計(jì)觀念和統(tǒng)計(jì)規(guī)律的課程,，其內(nèi)容主要包括氣體分子運(yùn)動(dòng)論、熱力學(xué)基礎(chǔ),、物性學(xué)三大部分,，課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)和基本原理,，培養(yǎng)學(xué)生采用統(tǒng)計(jì)分析和熱力學(xué)方法解決與熱學(xué)有關(guān)問(wèn)題的能力，使學(xué)生深刻理解宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì),、對(duì)立統(tǒng)一等重要的辯證唯物主義觀點(diǎn),，并為后續(xù)熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué),、固體物理等重要專業(yè)課程和技術(shù)應(yīng)用奠定必要的熱學(xué)基礎(chǔ),。
教學(xué)大綱
Teaching Syllabus
《熱學(xué)》教學(xué)大綱
英文名稱: Calorifics
授課專業(yè):物理學(xué) 學(xué)時(shí):64 學(xué)分:4
開(kāi)課學(xué)期:一年級(jí)下學(xué)期
適用對(duì)象:物理學(xué)專業(yè)
一、課程性質(zhì)與任務(wù)
熱學(xué)是四年制本科物理學(xué)專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程,。本課程是普通物理學(xué)的一個(gè)重要組成部分,，是研究熱現(xiàn)象、熱本質(zhì)及熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)學(xué)科,。通過(guò)本課程的教學(xué),，應(yīng)使學(xué)生掌握熱學(xué)的基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能,；認(rèn)識(shí)物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)形態(tài)的特點(diǎn),、規(guī)律和研究方法；了解溫度和熱的測(cè)量原理和方法,；明確熱力學(xué)和分子運(yùn)動(dòng)論的基本原理,。為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》、《固體物理》等后繼課程打下良好的基礎(chǔ),。并通過(guò)對(duì)熱學(xué)發(fā)展史上某些重大的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的介紹,，使學(xué)生了解物理學(xué)思想和實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀,， 使學(xué)生獲得科學(xué)方法論上的教益 ,。
二、課程教學(xué)的基本要求
在教學(xué)中,，通過(guò)課堂講授,、習(xí)題課和課程討論等教學(xué)方式，闡明熱學(xué)的基本概念,、規(guī)律和研究方法，并結(jié)合科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)際穿插介紹熱學(xué)的最新研究成果及應(yīng)用實(shí)例,，以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的,。在教學(xué)過(guò)程中重視理論聯(lián)系實(shí)際,，從而處理好:定性與定量、理論體系與實(shí)驗(yàn)方法,、基礎(chǔ)理論與近代科學(xué)成就等之間的關(guān)系,。在教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)工具解決物理問(wèn)題的能力。進(jìn)一步提高科學(xué)知識(shí),、科學(xué)方法,、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神等科學(xué)素質(zhì)。
三,、課程教學(xué)內(nèi)容
緒論2學(xué)時(shí)
第一章 溫度?。?/span>6學(xué)時(shí)）
第二章 氣體分子動(dòng)理論的基本概念 （7學(xué)時(shí)）
第三章 氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率和能量的統(tǒng)計(jì)分布律?。?/span>10學(xué)時(shí)）
第四章 氣體內(nèi)的輸運(yùn)過(guò)程（3學(xué)時(shí)）
第五章 熱力學(xué)第一定律 (12學(xué)時(shí))
第六章 熱力學(xué)第二定律 (10學(xué)時(shí))
第七章 固體（3學(xué)時(shí)）
第八章 液體 (3學(xué)時(shí))
第九章 相變 (6學(xué)時(shí))
期末總結(jié),、答疑 (2學(xué)時(shí))
四、教學(xué)重點(diǎn),、難點(diǎn):
教學(xué)重點(diǎn):平衡態(tài),、物態(tài)方程、熱力學(xué)第零定律,、理想氣體壓強(qiáng)公式及分子平均平動(dòng)動(dòng)能,、麥克斯韋分布函數(shù)、平均速率,、方均根速率,、最概然速率、自由度,、能量均分定理,、碰撞截面、平均碰撞頻率,、平均自由程,、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、功和熱量,、內(nèi)能,、熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用、卡諾循環(huán)和卡諾熱機(jī)的效率,、熱力學(xué)第二定律,、卡諾定理、液體表面張力,、彎曲液面的附加壓強(qiáng),、相變、汽化和凝結(jié),。
教學(xué)難點(diǎn):分子間相互作用勢(shì)能,、范德瓦爾斯方程,、概率分布函數(shù)、速度空間,、麥克斯韋速度分布,、氣體粘性系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)的導(dǎo)出及它們與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系,、定體熱容,、定壓熱容、焓的物理意義,、真實(shí)氣體等溫線,。
五、教學(xué)時(shí)數(shù)分配:
教學(xué)時(shí)數(shù)64學(xué)時(shí),，其中理論講授64學(xué)時(shí),。（具體安排見(jiàn)附表）
六、教學(xué)方式:
1,、熱學(xué)是應(yīng)用物理專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,，在教學(xué)過(guò)程中要強(qiáng)調(diào)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式的多樣性與各種規(guī)律及其研究方法的特殊性。在學(xué)習(xí)分子動(dòng)理論時(shí)要特別強(qiáng)調(diào)由大量分子構(gòu)成的系統(tǒng)所遵從的統(tǒng)計(jì)規(guī)律的特點(diǎn),，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維,。
2、在本課程的教學(xué)過(guò)程中,，應(yīng)針對(duì)大學(xué)新生普遍對(duì)大學(xué)的教法不適應(yīng),，且自學(xué)能力教差等情況，對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo),，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力,。
3、為了培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,，本課程應(yīng)講解適當(dāng)?shù)睦}和安排一定的習(xí)題課,，使學(xué)生學(xué)會(huì)正確地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)要布置適量的習(xí)題和思考題,，引導(dǎo)學(xué)生深入鉆研物理概念,，牢固掌握基礎(chǔ)知識(shí)。
4,、熱學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一門科學(xué),，要充分重視理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，防止忽視實(shí)驗(yàn)的純推理傾向,，同時(shí)要始終貫徹理論來(lái)自實(shí)踐又高于實(shí)踐,，通過(guò)實(shí)驗(yàn)反復(fù)檢驗(yàn)理論并發(fā)展理論的思想。
5. 充分利用多媒體教學(xué)手段，注意在教學(xué)過(guò)程中使用電子教案與黑板的結(jié)合,，并在課堂教學(xué)中注重啟發(fā)式教學(xué),，組織課堂討論,、課堂提問(wèn)等,。
七、本課程與其它課程的關(guān)系:
1.本課程必要的先修課程:力學(xué),、高等數(shù)學(xué),。
2.本課程的后續(xù)課程:熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、固體物理,。
八,、考核方式:
本課程考核方式為考試，成績(jī)?cè)u(píng)定采用百分制,。本課程成績(jī)采用期末考試與平時(shí)成績(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行綜合評(píng)定,，最終成績(jī)由以下二個(gè)部分組成:第一部分:期末考試成績(jī)占總成績(jī)的70％；第二部分:作業(yè)成績(jī)及平時(shí)檢測(cè)占總成績(jī)的30％,。
九,、教材及教學(xué)參考書:
主教材:李椿等編.熱學(xué)（第二版）.北京:高等教育出版社，2008.
參考書:
1,、秦允豪編.普通物理學(xué)教程·熱學(xué)（第二版）.北京:高等教育出版社,，2004.
2、趙凱華等編.新概念物理教程·熱學(xué).北京:高等教育出版社,，1998.
緒論（2學(xué)時(shí)）
介紹熱學(xué)研究對(duì)象和方法,；熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)述
第一章 溫度 （6學(xué)時(shí)）:
一,、教學(xué)要求:
了解熱物理學(xué)的兩種描述方法,。 理解熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)，掌握判別是否處于平衡態(tài)的方法,。 熟練掌握理想氣體的物態(tài)方程,。掌握熱力學(xué)第零定律及溫度的概念，知道溫標(biāo)是溫度的數(shù)值表示法,。了解攝氏溫標(biāo),、理想氣體溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)。 物態(tài)方程的應(yīng)用,。
二,、教學(xué)要點(diǎn):
1. 宏觀描述方法與微觀描述方法
1-1 熱學(xué)的研究對(duì)象及其特點(diǎn)
1-2宏觀描述方法與微觀描述方法
2.熱力學(xué)系統(tǒng)的平衡態(tài)
2-1 熱力學(xué)系統(tǒng)
2-2 平衡態(tài)和非平衡態(tài)
2-3 熱力學(xué)平衡
3. 溫度
3-1 溫度
3-2 熱力學(xué)第零定律
3-3 溫標(biāo)
4.物態(tài)方程
4-1 物態(tài)方程
4-2 體膨脹系數(shù)、壓縮系數(shù),、壓強(qiáng)系數(shù) 熱膨脹現(xiàn)象
4-3 理想氣體物態(tài)方程
4-4 混合理想氣體物態(tài)方程
三,、重點(diǎn)、難點(diǎn)
重點(diǎn):平衡態(tài)、物態(tài)方程,、熱力學(xué)第零定律
難點(diǎn):分子間相互作用勢(shì)能,、范德瓦爾斯方程。
第二章 氣體分子動(dòng)理論的基本概念?。?/span>7學(xué)時(shí)）
一,、教學(xué)要求
理解物質(zhì)的微觀模型。了解布朗運(yùn)動(dòng)和漲落現(xiàn)象,。理解理想氣體的微觀模型,、溫度的微觀意義。熟練掌握理想氣體壓強(qiáng)公式和理想氣體分子熱運(yùn)動(dòng)平均平動(dòng)動(dòng)能公式,。了解分子間作用力曲線和分子間互作用勢(shì)能曲線,。理解范德瓦爾斯方程。
二,、教學(xué)要點(diǎn):
1.物質(zhì)的微觀模型
1-1 物質(zhì)有大數(shù)分子組成
1-2 分子熱運(yùn)動(dòng)的例證
1-3 分子間的吸引力和排斥力
2. 理想氣體微觀模型的初級(jí)理論
2-1 理想氣體微觀模型
2-2 碰壁數(shù)
2-3 理想氣體壓強(qiáng)公式
2-4 溫度的微觀意義
3.分子間作用力勢(shì)能與真實(shí)氣體狀態(tài)方程
3-1 分子間互作用勢(shì)能曲線
3-2 分子碰撞有效直徑,、固體分子熱振動(dòng)、固體熱膨脹
3-3 范德瓦耳斯方程
三,、重點(diǎn),、難點(diǎn)
重點(diǎn):溫度的微觀解釋、理想氣體壓強(qiáng)公式及分子平均平動(dòng)動(dòng)能,。
難點(diǎn):分子間相互作用勢(shì)能,、范德瓦爾斯方程。
第三章 氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率和能量的統(tǒng)計(jì)分布律?。?/span>10學(xué)時(shí)）
一,、教學(xué)要求:
了解分子動(dòng)理論的特點(diǎn)。 掌握概率的基本性質(zhì)和求平均值的基本方法,，理解概率分布函數(shù),。掌握麥克斯韋速率分布函數(shù)，熟練掌握平均速率,、方均根速率和最概然速率,。理解速度空間概念，掌握麥克斯韋速度分布,。理解等溫大氣壓強(qiáng)公式,。理解自由度與自由度數(shù)，掌握能量均分定理,。
二,、教學(xué)要點(diǎn):
1.分子動(dòng)理學(xué)理論與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)
2.概率論的基本知識(shí)
2-1 伽爾頓板實(shí)驗(yàn)
2-2 等概率性與概率的基本性質(zhì)
2-3 平均值及其運(yùn)算法則
2-4 均方偏差
2-5 概率分布函數(shù)
3.麥克斯韋速率分布
3-1 分子射線束實(shí)驗(yàn)
3-2 麥克斯韋速率分布
4.麥克斯韋速度分布
4-1 速度空間
4-2 麥克斯韋速度分布
4-3 相對(duì)于vP的速度分量分布與速率分布
4-4 從麥克斯韋速度分布導(dǎo)出速率分布
5.氣體分子碰壁數(shù)及其應(yīng)用
5-1 由麥克斯韋速度分布導(dǎo)出氣體分子碰壁數(shù)及氣體壓強(qiáng)公式
6.外力場(chǎng)中自由粒子的分布 玻爾茲曼分布
6-1 等溫大氣壓強(qiáng)公式
6-2 旋轉(zhuǎn)體中粒子徑向分布
6-3 玻爾茲曼分布
7.能量均分定理
7-1 理想氣體熱容
7-2 自由度與自由度數(shù)
7-3 能量均分定理
7-6 能量均分定理的局限
7-7 固體的熱容
三、重點(diǎn),、難點(diǎn)
重點(diǎn):麥克斯韋分布函數(shù),、平均速率、方均根速率、最概然速率,、等溫大氣壓強(qiáng)分布,、自由度、能量均分定理,。
難點(diǎn):概率分布函數(shù),、速度空間、麥克斯韋速度分布
第四章 氣體內(nèi)的輸運(yùn)過(guò)程（3學(xué)時(shí)）
一,、教學(xué)要求
掌握氣體分子間平均碰撞頻率和分子平均自由程公式,。了解粘滯現(xiàn)象,、熱傳導(dǎo),、擴(kuò)散現(xiàn)象的宏觀規(guī)律和微觀解釋。了解氣體粘性系數(shù),、氣體導(dǎo)熱系數(shù),、氣體擴(kuò)散系數(shù)的導(dǎo)出以及它們與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系,。
二,、教學(xué)要點(diǎn):
1.氣體分子平均自由程
1-1 碰撞截面
1-2 分子間平均碰撞頻率
1-3 氣體分子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率分布
1-4 氣體分子平均自由程
2.氣體分子碰撞的概率分布
2-1 氣體分子的自由程分布
3.黏性現(xiàn)象的宏觀規(guī)律
3-1 牛頓黏性定律 層流
4.擴(kuò)散現(xiàn)象的宏觀規(guī)律
4-1 菲克定律
5.熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的宏觀規(guī)律
5-1 傅立葉定律
6.氣體輸送系數(shù)的導(dǎo)出
6-1 氣體黏性系數(shù)的導(dǎo)出
6-2 氣體熱傳導(dǎo)系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)
6-3 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較
三、重點(diǎn),、難點(diǎn)
重點(diǎn):輸送現(xiàn)象的宏觀規(guī)律,、碰撞截面、平均碰撞頻率,、平均自由程,。
難點(diǎn):氣體粘性系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù),、擴(kuò)散系數(shù)的導(dǎo)出及它們與溫度,、壓強(qiáng)的關(guān)系。
第五章 熱力學(xué)第一定律?。?/span>12學(xué)時(shí)）
一,、教學(xué)要求
理解準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、可逆與不可逆過(guò)程,。 理解功和熱量,。熟練掌握準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的功及在P-V圖上的表示。理解內(nèi)能是態(tài)函數(shù),。掌握熱力學(xué)第一定律,。 理解定體熱容、定壓熱容,、焓的定義和焓的物理意義,。 熟練掌握熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體的等體、等壓、等溫,、絕熱及多方過(guò)程的應(yīng)用,。理解熱機(jī)的效率。掌握卡諾循環(huán)和卡諾熱機(jī)的效率,。了解致冷機(jī)的致冷系數(shù),、卡諾致冷機(jī)的致冷系數(shù)和焦耳-湯姆孫效應(yīng)。
二,、教學(xué)要點(diǎn):
1.可逆與不可逆過(guò)程
1-1 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程
1-3 可逆和不可逆過(guò)程
2.功與熱量
2-1 功是力學(xué)相互作用的能量轉(zhuǎn)移
2-2 體積膨脹功
2-3 其他形式的功
2-4 熱量和熱質(zhì)說(shuō)
3.熱力學(xué)第一定律
3-1 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律
3-2 內(nèi)能定理
4.熱容與焓
4-1 定體熱容與內(nèi)能
4-2 定壓熱容與焓
5.第一定律對(duì)氣體的應(yīng)用
5-1 理想氣體內(nèi)能 焦耳實(shí)驗(yàn)
5-2 理想氣體的等體,、等壓、等溫過(guò)程
5-3 絕熱過(guò)程
5-4 大氣溫度絕熱遞減率
5-6 多方過(guò)程
6.熱機(jī)
6-1 熱機(jī) 蒸汽機(jī)
6-2 卡諾熱機(jī)
6-3 內(nèi)燃機(jī)循環(huán)
7.焦耳-湯姆孫效應(yīng)與制冷機(jī)
7-1 制冷循環(huán)與制冷系數(shù)
7-2 焦耳-湯姆孫效應(yīng)
三,、重點(diǎn),、難點(diǎn)
重點(diǎn):準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程、功和熱量,、內(nèi)能,、熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用、卡諾循環(huán)和卡諾熱機(jī)的效率,。
難點(diǎn):定體熱容,、定壓熱容、焓的物理意義,。
第六章 熱力學(xué)第二定律?。?/span>10學(xué)時(shí)）
一、教學(xué)要求
掌握熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述和克勞修斯表述及兩種表述的等效性,。理解熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義,。掌握卡諾定理及卡諾定理對(duì)提高熱機(jī)效率的指導(dǎo)意義。理解熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式,。
二,、教學(xué)要點(diǎn):
1.熱力學(xué)第二定律的表述及其實(shí)質(zhì)
1-1 熱力學(xué)第二定律的表述及其等效性
1-3 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)意義
2.卡諾定理
2-1 卡諾定理
2-3 熱力學(xué)溫標(biāo)
三、重點(diǎn),、難點(diǎn)
重點(diǎn):熱力學(xué)第二定律,、卡諾定理。
難點(diǎn):熱力學(xué)第二定律理解,。
第七章 固體（3學(xué)時(shí)）
一,、教學(xué)要求
初步了解晶體的結(jié)構(gòu)、宏觀特性,、晶體中粒子的結(jié)合力和結(jié)合能,、晶體中粒子的熱運(yùn)動(dòng)。
二,、教學(xué)要點(diǎn):
1.晶體
1-1 液體的宏觀特性
1-2 液體的微觀結(jié)構(gòu)
2.晶體中粒子的結(jié)合力和結(jié)合能
2-1 晶體中粒子的結(jié)合力
2-2 結(jié)合力的普遍特征 結(jié)合能
2-3 晶體彈性的微觀解釋
3.晶體中粒子的熱運(yùn)動(dòng)
3-1熱振動(dòng)
3-2熱缺陷產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散
三,、重點(diǎn),、難點(diǎn)
重點(diǎn):晶體的結(jié)構(gòu)和特性
難點(diǎn):晶體的微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)合力和結(jié)合能
第八章 液體（3學(xué)時(shí)）
一,、教學(xué)要求
了解液體的微觀結(jié)構(gòu),、徹體性質(zhì)。理解液體的表面張力,、彎曲液面的附加壓強(qiáng),。了解潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕現(xiàn)象和毛細(xì)現(xiàn)象。
二,、教學(xué)要點(diǎn):
1.液體
1-1 液體的微觀結(jié)構(gòu)
1-2 液體的徹體性質(zhì)
2.液體的表面現(xiàn)象
2-1 表面張力和表面能
2-2 彎曲液面附加壓強(qiáng)
2-3 潤(rùn)濕和不潤(rùn)濕 毛細(xì)現(xiàn)象
三,、重點(diǎn)、難點(diǎn)
重點(diǎn):液體表面張力,、彎曲液面的附加壓強(qiáng),。
難點(diǎn):表面層內(nèi)分子力的作用。
第九章 相變?。?/span>6學(xué)時(shí)）
一,、教學(xué)要求
理解相與相變、汽化和凝結(jié),。了解真實(shí)氣體等溫線、臨界點(diǎn)的特點(diǎn),。了解固-液,、固-氣相變、相圖,、克拉珀龍方程,。
二、教學(xué)要點(diǎn):
1.氣液相變
1-1 相與相變
1-2 汽化和凝結(jié)
1-3 真實(shí)氣體等溫線
1-4 范德瓦耳斯等溫線
1-5 臨界點(diǎn)
2.固-液,、固-氣相變 相圖
2-1 固-液及固-氣相變
2-2 相圖
2-3 克拉珀龍方程
三,、重點(diǎn)、難點(diǎn)
重點(diǎn):相變,、汽化和凝結(jié),。
難點(diǎn):真實(shí)氣體等溫線、臨界點(diǎn),。
期末小結(jié),、答疑（2學(xué)時(shí)）
