《物理學史》課程教學大綱

《物理學史》課程教學大綱課程編號：04310162課程性質：專業(yè)方向課適合專業(yè)：應用物理學先修課程：大學物理學開設學期：第六學期考核方式：考查或考試總學時數：32-36學分：2（一）課程教學目標物理學是一門研究物質運動最基本、最普遍規(guī)律的學科，是科學的世界觀和方法論的基礎。物理學史是研究物理學辨證發(fā)展規(guī)律及其科學方法論的一門學科，是物理學和自然科學、人文科學、社會科學、思維科學交叉滲透的綜合學科，集中體現(xiàn)了人類探索和逐步認識物理世界的現(xiàn)象、特性、規(guī)律和本質的歷程。概括和探求物理學發(fā)展的歷史和基本規(guī)律，不僅與探索物理世界運動變化規(guī)律的物理學相聯(lián)系，而且也與探索人類社會的生產、經濟、思想文化等發(fā)展的社會科學相聯(lián)系。任何一個具體的物理知識和理論體系，都是匯集了許多人的研究成果而建立起來的，常常需要幾十年甚至上百年的努力才能邁出有意義的幾步。它包含著認識論和方法論的因素，包含著深刻的物理思想和觀念，體現(xiàn)著認識過程中理論與實踐、繼承與發(fā)展、理性與非理性的辨證統(tǒng)一。物理學史可以培養(yǎng)學生的科學思維，掌握科學研究的方法，加深對科學研究的認識，可以活躍思想，開闊眼界，使學生的知識立體化。通過對物理學史的學習，可以進一步培養(yǎng)學生的人文素質，科學素質，創(chuàng)新素質和思想素質。（二）課程的目的與任務物理學有一個不斷積累和發(fā)展的過程，對物理學史的學習，有利于對學生科學創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和對概念理論的深刻理解。本課程的教學目的在于使學生了解物理學的發(fā)展史及物理學辯證發(fā)展過程；了解物理學方法的發(fā)展史；了解物理學觀念的發(fā)展史。（三）理論教學的基本要求通過本課程學習，應使學生全面系統(tǒng)地了解物理學的知識、理論和方法的產生與發(fā)展規(guī)律；理解掌握物理學史的研究方法，并能應用這些研究方法全面了解物理學發(fā)展的歷程，加深對概念和理論的理解；了解到思想觀念轉變的重要性，培養(yǎng)辯證唯物主義的世界觀和科學的方法論。（四）教學學時分配數章次各章名稱總學時學時分配講課實驗上機課外小計緒論緒論111一中國古代物理學111二西方古代物理學222三經典物理學的產生背景222四經典力學的建立與發(fā)展222五經典光學的發(fā)展222六經典電磁學的發(fā)展444七經典熱力學發(fā)展概述444八世紀之交的物理學444九相對論的建立444十量子力學的建立與發(fā)展222十一現(xiàn)代物理學的興起444復習與習題課0-40-40-4總計32-3632-3632-36（五）大綱內容緒論教學目的：1.了解物理學與物理學史的概念；2.學習和研究物理學史的目的和意義；3.了解物理學史的研究方法；4.了解物理學史的分期。教學基本要求：學習和研究物理學史的意義；學習物理學史需要注意的研究方法；教材中采用的物理學史分期。教學內容：學習和研究物理學史的目的和意義物理學史的研究方法物理學史的分期教學提示：注意講清學習物理學史的目的及意義，物理學的發(fā)展與其它方面的聯(lián)系。教學重點：學習和研究物理學史的目的和意義，物理學史的研究方法。教學難點：物理學史的研究方法。學法指導：注意物理學史可以說是一門交叉學科，是文科與理科的結合，它運用歷史科學的方法，研究的內容是物理科學的發(fā)展規(guī)律。小結：研究物理學發(fā)展史這門科學，對于物理學本身的發(fā)展具有重大的意義。物理學發(fā)展的規(guī)律問題，具有廣泛的社會意義。應該把物理學史的研究和物理學的教學和研究工作結合起來，使物理學史的研究工作具有實用價值和生命力。第一章中國古代物理學教學目的：1.了解中國古代物理思想的探索；2.了解中國古代物理學知識的積累；3.了解中國古代物理學的特點。教學基本要求：學習和研究中國古代的物質觀，時空觀與運動觀；學習中國古代力學、熱學、光學、電磁學等各分支的主要成就；了解中國古代物理學的特點與不足之處。教學內容：§1－1物理思想的探索一.物質觀二.時空觀與運動觀§1－2物理學知識的積累力學熱學光學電磁學聲學§1－3中國古代物理學的特點教學提示：注意講清中國古代在物理思想方面和在物理知識的應用方面的突出成就及存在的不足之處。教學重點：中國古代物理思想和物理學各分支的主要成就。教學難點：總結中國古代物理學的特點和不足之處。學法指導：注意中國古代物理學的發(fā)展與當時的生產關系之間的聯(lián)系。小結：中國古代物理學歷史悠久，有先進的物理思想和杰出的研究方法，以樸素的直觀觀察為依據，具有實用性的特點。不過，少有物理理論，缺乏和數學的結合，不善于用數學語言來描述。第二章西方古代物理學教學目的：1.了解西方古代物質本源思想；2.了解古希臘時期對宇宙的認識；3.了解古希臘及中世紀的物理學知識。教學基本要求：學習和研究古希臘物質本源思想；了解古希臘的物理學力學與光學知識及中世紀的物理成就；了解西方古代物理學的特點。教學內容：§2－1古希臘物質本源思想一.元素論二.數的和諧思想三.原子論§2－2古希臘時期對宇宙的認識§2－3古希臘的物理學知識§2－4中世紀的物理學知識§2－5亞里士多德的物理學教學提示：注意西方古代物理學可分為古希臘時期與中世紀，且期間有不同的學派起源。教學重點：西方古代的自然哲學觀與物理知識積累。教學難點：日心說如何取代地心說，亞里士多德及阿基米德的物理學。學法指導：注意西方古代物理學的發(fā)展的階段性。小結：西方古代物理現(xiàn)象雖被發(fā)現(xiàn)和記錄下來，但未形成系統(tǒng)的理論，受神學的支配很強。第三章經典物理學的產生背景教學目的：1.了解歐洲近代科學誕生的社會條件；2.了解天文學上的新成就；3.了解新科學的特征。教學基本要求：了解資本主義萌芽帶來的社會物質條件和文化思想方面的條件；理解天文學上的行星體系問題對神學的沖擊。教學內容：§3－1資本主義萌芽帶來的契機§3－2哥白尼與“天體運行論”§3－3第谷與開普勒§3－4新科學的特征教學提示：注意科學發(fā)展與資本主義萌芽帶來的社會物質條件與思想條件的聯(lián)系。教學重點：哥白尼日心體系的提出，開普勒三定律。教學難點：第谷與開普勒天文學上的成就，為牛頓創(chuàng)立天體力學理論奠定了基礎。學法指導：注意當時的社會背景與科學發(fā)展間的相互聯(lián)系。小結：16世紀中期，日心說與地心說的血與火的斗爭，是自然科學從宗教桎梏下解放的標志，教會的權威受到挑戰(zhàn)，自然科學在批判經院哲學的斗爭中開創(chuàng)著自己的道路。第四章經典力學的建立與發(fā)展教學目的：1.了解經典力學體系的建立與發(fā)展；2.了解伽利略對物理學的奠基工作；3.了解十七世紀中葉科學活動的特點；4.掌握牛頓的偉大綜合。教學基本要求：理解經典力學的建立與發(fā)展，從伽利略的物理學奠基工作及這段時期的科學家在力學方面的貢獻，到牛頓的偉大綜合和理論飛躍，從而奠定了經典力學的基礎。教學內容：§4－1運動學的奠基人——伽利略一.伽利略的運動理論二.意義§4－2伽利略至牛頓時代的科學家一.17世紀中葉科學活動的特點二.部分科學家物理成就簡介§4－3牛頓的偉大綜合和理論飛躍一.牛頓簡介二.牛頓取得成功的歷史條件三.牛頓和他的《原理》四.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)五.牛頓的成功之路六.牛頓的局限§4－4力學的進一步發(fā)展一.實驗基礎的發(fā)展二.關于“運動量度”的爭論三.三大守恒定律的確立四.分析力學的發(fā)展教學提示：注意講清經典力學形成比較穩(wěn)固的體系的過程，是經過18、19世紀無數的實踐、爭論、修改和探索這樣一個長期的鞏固發(fā)展過程。教學重點：伽利略的運動理論，十七世紀科學家的物理成就和牛頓的偉大綜合和理論飛躍及力學的進一步發(fā)展。教學難點：伽利略的物理學研究方法，牛頓的研究風格，萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。學法指導：注意當時的科學家觀念上變化與當時的科學方法的確立。小結：牛頓定律出臺以后，經典力學形成比較牢固的理論，經歷過18世紀至19世紀的無數爭論，這些爭論又進一步促使人們對力學理論的不斷探索、修改，比如，關于對牛頓絕對時空觀的爭論導致了相對論的出現(xiàn)。力學理論從而得到進一步豐富和完善。力學理論的進一步完善，表現(xiàn)為矢量力學與分析力學兩種方法幾乎平行發(fā)展，進而推動了工程力學與理論物理學的發(fā)展。第五章經典光學的發(fā)展教學目的：1.熟悉經典光學的建立與逐漸完善；2.掌握光的本質的認識及折射定律的建立；3.了解光速的測定方法及歷程；4.了解光譜的研究。教學基本要求：了解光的折射定律的確立過程，光學的發(fā)展與光學儀器研制間的聯(lián)系；掌握對于光的本性認識的變遷。教學內容：§5－1光學的歷史概述一.早期光學二.折射定律的建立三.光學儀器的研制四.牛頓的色散研究§5－2光的波動說和微粒說的論爭一.光的微粒說二.光的波動說三.光的波粒二象性§5－3光速的測定一.早期實驗二.天文學方法三.光速的實驗室測定四.“以太漂移”的測定§5－4光譜的研究一.光譜的早期研究二.光譜分析的誕生三.光譜規(guī)律的發(fā)現(xiàn)教學提示：注意講清在物理學中，通常將光學劃分為幾何光學、波動光學、量子光學和現(xiàn)代光學幾大部分。折射定律被確立后，幾何光學真正建立并逐漸趨于完善，這是光學的轉折期。教學重點：折射定律的確立；光的本質的論爭。教學難點：波動說的建立，波粒二象性。學法指導：注意當時的托勒密，斯涅耳，笛卡爾，費馬，牛頓，惠更斯，托馬斯·楊和菲涅耳等科學家的工作。小結：折射定律連同光的直線傳播和反射定律一起構成了幾何光學的理論基礎。光學也真正成為了一門獨立的自然科學學科。人類對光的本性的認識，追溯其歷史，可以看出，它是由初淺到深入，由片面到全面，從實驗到理論，由現(xiàn)象到本質逐步發(fā)展起來的，最后建立起光的本性的理論。第六章經典電磁學的發(fā)展教學目的：1.熟悉經典電磁學的建立與發(fā)展歷程；2.了解電與磁的逐步深入的系統(tǒng)研究；3.了解電磁理論的建立與發(fā)展。教學基本要求：了解從早期的電磁現(xiàn)象的認識；了解電學中從定性到定量的認識過程，從靜電到動電的發(fā)現(xiàn)歷程；了解電流磁效應的發(fā)現(xiàn)與研究；掌握電磁理論的建立與發(fā)展；了解電磁波的發(fā)現(xiàn)與應用。教學內容：§6－1對電磁現(xiàn)象的早期認識§6－2富蘭克林對雷電現(xiàn)象的研究§6－3從定性到定量—庫侖定律的發(fā)現(xiàn)§6－4由靜電到動電—電流的發(fā)現(xiàn)§6－5電流的磁效應與安培定律一.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應二.安培和安培定律三.歐姆定律§6－6電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與研究§6－7麥克斯韋電磁理論的建立一.麥克斯韋簡介二.麥克斯韋電磁場理論三.麥克斯韋成功的基本要素四.意義§6－8電磁波的發(fā)現(xiàn)與應用一.赫茲二.電磁波的發(fā)現(xiàn)三.成果教學提示：注意講清十七世紀，電和磁現(xiàn)象開始真正系統(tǒng)研究；到十八世紀以后，電磁場理論的建立與發(fā)展極大的推動了人類社會的文明進程；到了十九世紀，電磁學得到了飛速發(fā)展。教學重點：庫侖定律的發(fā)現(xiàn)，電流的發(fā)現(xiàn)，電流磁效應與安培定律，法拉第電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與研究，麥克斯韋電磁場理論的建立，電磁波的發(fā)現(xiàn)與應用。教學難點：法拉第電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與研究，麥克斯韋電磁場理論的建立。學法指導：注意電磁學發(fā)展過程中類比方法的運用。小結：庫侖定律是電磁學發(fā)展史上的第一個定量規(guī)律，它使電磁學的研究從定性進入定量階段，使電磁學真正成為一門科學。伏打電堆的發(fā)明提供了產生穩(wěn)恒電流的電源，使電學的研究從靜電走向動電，從而開辟了一個新的研究領域。安培把牛頓力學引入電學，從而創(chuàng)立了電動力學。法拉第是電磁場學說的創(chuàng)始人。麥克斯韋完成了物理學的又一次大綜合。赫茲通過實驗全面驗證了麥克斯韋電磁理論的正確性。第七章經典熱力學發(fā)展概述教學目的：1.熟悉經典熱力學的建立與發(fā)展歷程；2.了解熱力學定律的建立；3.了解統(tǒng)計物理學的建立。教學基本要求：了解早期熱機與計溫學的發(fā)展；了解量熱學和熱傳導理論的建立及熱本質的認識；了解熱力學定律的建立；了解低溫物理學級分子運動論的發(fā)展；了解統(tǒng)計物理學的建立。教學內容：§7－1熱學現(xiàn)象的初期研究一.蒸汽機的發(fā)明二.計溫學的發(fā)展三.量熱學和熱傳導理論的建立四.熱本質的認識§7－2熱力學第一定律的建立一.定律誕生的條件二.確立能量守恒與轉化定律的三位科學家§7－3熱力學第二定律的建立§7－4低溫物理學§7－5分子運動論的發(fā)展一.赫拉派斯和瓦特斯頓的工作二.焦耳和克倫尼希的工作三.克勞修斯的理想氣體分子模型四.范德瓦爾斯方程的建立§7－6統(tǒng)計物理學的建立一.麥克斯韋的工作二.玻爾茲曼的重要工作三.吉布斯的系綜理論和統(tǒng)計力學的建立四.量子統(tǒng)計的建立§7－7物態(tài)教學提示：熱學真正成為一門獨立的學科是從18世紀初開始，逐漸發(fā)展形成的。熱學發(fā)展史實際上就是熱力學和統(tǒng)計物理學的發(fā)展史，它們都是研究有關熱現(xiàn)象的科學。教學重點：熱質說，熱動說；熱力學三定律，唯象熱力學和分子運動論的發(fā)展；統(tǒng)計物理學的產生。教學難點：能量的轉化和守恒定律，熱力學第二定律，卡諾機，統(tǒng)計物理學的基本假設。學法指導：注意熱力學的發(fā)展史可劃分為四個時期。小結：熱學發(fā)展史可以劃分為四個時期：第一個時期，實質上是熱學的早期史，開始于17世紀末直到19世紀中葉，這個時期積累了大量的實驗和觀察事實；第二時期，從19世紀中葉到19世紀70年代末。這個時期發(fā)展了唯象熱力學和分子運動論；第三時期內唯象熱力學的概念和分子運動論的概念結合的結果，最終導致了統(tǒng)計熱力學的產生。它開始于19世紀70年代末玻爾茲曼的經典工作，止于20世紀初；從20世紀30年代起，熱力學和統(tǒng)計物理學進入了第四個時期，這個時期內出現(xiàn)了量子統(tǒng)計物理學和非平衡態(tài)理論，形成了現(xiàn)代理論物理學最重要的一個部門。第八章世紀之交的物理學教學目的：了解經典物理學的局限；了解19世紀的三大發(fā)現(xiàn)；了解世紀之交的物理學革命。教學基本要求：了解經典力學基本概念和基本原理的固有局限性；了解19世紀的三項重大發(fā)現(xiàn)；了解經典物理學的兩朵烏云。教學內容：§8－1經典物理學的局限一.經典力學基本概念和基本原理的固有局限性二.經典物理學與經典力學之間的矛盾三.馬赫對經典力學的批判§8－219世紀的三大發(fā)現(xiàn)一.電子的發(fā)現(xiàn)二.X射線的發(fā)現(xiàn)三.天然放射性的發(fā)現(xiàn)§8－3經典物理學的兩朵烏云一.第一朵烏云：邁克爾遜—莫雷實驗與“以太說”的矛盾二.第二朵烏云：黑體輻射與“紫外災難”§8－4現(xiàn)代物理學革命的序幕第一朵烏云最終導致了相對論革命的爆發(fā)第二朵烏云最終導致了量子論革命的爆發(fā)教學提示：注意講清經典物理學與經典力學之間的裂痕，19世紀的三大發(fā)現(xiàn)打破了幾百年來形成的物質不滅、能量守恒、原子不可分等傳統(tǒng)觀念，物理學的新發(fā)現(xiàn)和舊原理之間的矛盾引起物理學家認識上的嚴重分歧。教學重點：經典物理學的局限性；19世紀的三大發(fā)現(xiàn)；經典物理學的兩朵烏云。教學難點：經典物理學與經典力學之間的矛盾。學法指導：注意世紀之交新的發(fā)現(xiàn)給經典物理學的理論帶來的危機，使物理學進入一個新的轉折點。小結：隨著經典物理學的深入發(fā)展，越來越顯露出經典物理學與經典力學之間的裂痕，從而動搖了經典力學的基礎地位。三大發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)觀念，揭開了物理學革命的序幕，它標志著物理學的研究由宏觀進入到微觀。邁克爾遜—莫雷實驗與“以太說”的矛盾與黑體輻射與“紫外災難”這二朵烏云則揭開了現(xiàn)代物理學革命的序幕。第九章相對論的建立教學目的：1.了解相對論先驅者的思想；2.了解愛因斯坦狹義相對論及廣義相對論的探索過程；3.了解相對論建立的意義。教學基本要求：了解相對論建立的過程及意義；了解愛因斯坦的研究特色。教學內容：§9－1相對論先驅者的思想一.洛倫茲的收縮假說二.彭加勒的觀點§9－2愛因斯坦的狹義相對論一.愛因斯坦生平二.愛因斯坦狹義相對論的探索過程三.長度收縮、時鐘變慢四.同時的相對性五.質能關系及質量與能量守恒的統(tǒng)一六.質速關系的推導七.愛因斯坦速度變換式八.相對論被世人接受的歷程九.意義§9－3廣義相對論的建立一.廣義相對論基本原理的提出二.引力紅移的預言三.光線的引力偏折四.時空“柔性”度規(guī)概念的建立五.引力場方程的建立六.廣義相對論的檢驗§9－4愛因斯坦的研究特色和意義教學提示：注意講清愛因斯坦建立相對論的思想淵源及建立歷程。教學重點：相對論建立的先驅思想；狹義相對論及廣義相對論的探索歷程；愛因斯坦的研究特色和意義。教學難點：同時性的相對性，鐘慢尺縮，相對論性時空觀，引力的幾何化。學法指導：注意相對論建立過程中思想上的變化。小結：愛因斯坦的狹義相對論和量子論一起，成為物理學革命的標志性成果。愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論的目的是要解決兩個問題：一是取消慣性系的優(yōu)越性；二是將引力理論納入狹義相對論中。第十章量子力學的建立與發(fā)展教學目的：1.了解量子力學的建立與發(fā)展歷程；2.了解量子理論的發(fā)展。教學基本要求：了解量子力學建立過程中涉及到的光量子理論等理論的提出。教學內容：§10－1紫外災難和普朗克的量子假說一.紫外災難二.普朗克的研究§10－2愛因斯坦的光量子理論一.光電效應二.康普頓效應§10－3盧瑟福的原子核式結構一.原子模型的歷史演變二.盧瑟福的核式結構§10－4玻爾的氫原子理論§10－5泡利不相容原理和電子自旋的提出一.塞曼效應和反常塞曼效應二.泡利不相容原理三.電子自旋概念的提出§10－6量子理論的發(fā)展教學提示：注意講清量子力學建立過程中不同理論的形成。教學重點：紫外災難和普朗克的量子假說；光量子理論；原子核式結構；氫原子理論；電子自旋的提出；量子理論的發(fā)展。教學難點：量子假設，電子自旋，波動方程。學法指導：注意量子觀念是如何引入的。小結：量子力學表明，微觀物理實在既不是波也不是粒子，真正的實在是量子態(tài)。真實狀態(tài)分解為隱態(tài)和顯態(tài)，是由于測量所造成的，在這里只有顯態(tài)才符合經典物理學實在的含義。第十一章現(xiàn)代物理學的興起教學目的：了解現(xiàn)代物理學的建立和發(fā)展歷史，以及現(xiàn)狀。教學基本要求：了解現(xiàn)代物理學的發(fā)展現(xiàn)狀。教學內容：§11－1原子核物理學的興起一.原子核物理學二.查德威克發(fā)現(xiàn)中子三.核能及其應用四.核物理的發(fā)展§11－2粒子物理學的發(fā)展一.粒子物理學二.粒子物理的工作三.粒子的分類§11－3激光的發(fā)展一.愛因斯坦提出的受激輻射的原理二.研制過程三.激光的應用§11－4凝聚態(tài)物理的進展§11－5天體物理學的進展§11－6生物物理的進展教學提示：注意講清新興學科的繽紛多樣性及統(tǒng)一性。教學重點：基本相互作用，統(tǒng)一理論，粒子分類。教學難點：物理學進展的交叉性及理論的自洽和和諧。學法指導：注意現(xiàn)代物理學發(fā)展的多樣性及各學科的結合。小結：從目前的物理學發(fā)展來看，科學之間的大綜合是發(fā)展的趨向之一，另一個趨向是學科之間的相互滲透、結合，從而出現(xiàn)了不