课程大纲 | 演示物理学

Vol.686.1

课程大纲

演示物理学

课程大纲

博雅哥说

今天博雅哥为大家带来的是穆良柱、李湘庆两位老师开设的《演示物理学》课程大纲。该课程已于2018年春季学期加入北大“通识联播核心课程”的行列，为全校同学们带来妙趣横生的物理学实验和物理精神、物理文化体悟。

如果你也常常好奇于生活中异彩纷呈的物理现象，渴望领略其背后的原理与变式，就赶快将《演示物理学》添入你的选课列表吧！

开课院系：物理学院

授课教师：穆良柱，李湘庆

学分：2

教师介绍

授课教师

穆良柱

穆良柱，江苏盱眙人，1996年考入北京大学物理系，2005年北京大学物理学院理论物理专业博士毕业，之后留校任教，现为北京大学物理学院普通物理教学中心副教授，主要从事普通物理教学工作，主要研究方向为物理认知过程及其应用。2016年被学生评选为北大十佳教师。

授课教师

李湘庆

李湘庆，1973年生，现任北京大学物理学院副教授。2002年获得北京大学理学博士学位。研究方向为中子能谱测量在聚变能源方面的等离子体诊断应用、反转岛区放射性核束的β衰变、A～150区高自旋态。教学工作为从事普通物理教学辅导和讲授，并助教演示物理学；2007年至今讲授本科生医学部普通物理和演示物理学(2009年起)，研究生环形等离子实验基础和阅读文献课程。

课程简介

 

什么是物理？物理是物理学家采用实验和理论相结合的方法对整个自然界的客观对象进行有效认知的积累，这些认知至少要符合可证伪性的要求。物理按照研究对象区分为广义物理和狭义物理。广义物理的研究对象为自然界中的任何客观物质，其实广义物理就是自然科学。狭义物理的研究对象为自然界的基本组分和基本相互作用。物理学家信仰世间自然界内部存在普遍联系，可以由统一的物理模型和理论加以解释，并为此努力。

什么是物理方法？物理方法就是物理学家认知的方法，简单说就是物理学家怎么“做事”。如分类法，极端简化法，还原论方法，主次法，极端条件法，类比法，转换法，控制变量法，理想模型法，数理逻辑，简单归纳、猜想法，特例法等等。

什么是物理精神？物理精神就是物理学家在认知过程中形成的独立人格精神，简单说就是物理学家如何“做人”。追求真理、积极乐观、协作是第一层级的物理精神。追求真理的精神可以衍生出客观的实事求是精神、独立思考与怀疑的精神、严谨的分析精神、寻根究底的精神、锲而不舍的精神等。积极乐观的精神又衍生出不怕失败勇于尝试的探索精神、可证伪的实证主义精神、包容的开放精神、小目标精神等。协作精神又衍生出公正精神、民主精神。

什么是物理文化？物理方法和物理精神一起构成了物理文化，即物理学家做人做事的方式就是物理文化。物理文化是典型的理性思维体现，是具有通识教育价值的，可以应用到不同认知领域，这从物理背景毕业生未来的职业生涯多样性可以得到充分验证。

演示物理学课程的设置就是为了普及物理文化，让学生了解物理学家做人做事的方式，为自己做人做事提供可参考的案例。

课程采取以演示实验贯穿教学内容的教学组织方式进行教学。具体作法是，精选若干演示实验，组织学生观察现象，总结规律，建立模型，构建理论，实验证伪，应用举例，引导学生感悟物理学认知过程的精髓，不仅使学生对物理学获得一个初步而准确的整体印象，更能体会理性思考的力量，并作为今后自身扩展到各个认知领域的通识基础。

课程大纲

第零章 什么是物理学

演示实验：飞机升力、吸尘器原理、香水瓶、空气喷泉、喷嘴吸球、硬币过河、马哥努斯球(香蕉球)原理、龙卷风

第一章 与生活密切相关的物理量

§1、引言—人类生活在波场中

§2、重力和重力加速度

§3、空气中的声速

§4、光速

演示实验：重力加速度测量、横纵波演示仪、弦振动、塑料圈振动、激光李萨如图、声速测量、闹钟--压电晶体、拍现象、光速测量、直角棱镜演示光路

第二章 力学大厦—经典力学理论体系

§1、速度和加速度

§2、弹簧振子—简谐振动的重要实例

§3、力学大厦—经典力学理论体系

§4、刚体运动

§5、碰撞

§6、守恒律与对称性

演示实验：瞬时速度测量、弹簧振子测量、惯性小球、机械能守恒、转动惯量与质量分布、锥体上行、离心节速器、茹科夫斯基櫈、定向陀螺、杠杆陀螺、自行车拐弯、进退老鼠、弹性碰撞、完全非弹性碰撞、双球碰撞

生活中常见的玻璃弹球即可作为观察完全（非）弹性碰撞现象的材料

第三章 对称性与守恒律

§1、物质世界的对称性

§2、对称性的普遍定义

§3、对称性的分类和时空的对称性

§4、物理规律的对称性

§5、小结

第四章 行星运动和宇宙学大意

§1、行星运动

§2、宇宙学大意

第五章 多姿多彩的光学现象

§1、光纤通讯

§2、三原色和互补色

§3、色视觉（二）

§4、自然变折射率

§5、双眼立体视觉

§6、视错觉

演示实验：光纤、三原色、海市蜃楼、立体观片器、视错觉、立体电影

第六章 热力学与熵

§1、热力学定律

§2、热力学第二定律的数学（熵）表述

§3、生命的热力学基础

§4、地球生态环境的辐射收支与负熵流—兼论人口问题

§5、熵与能量

演示实验：饮水鸟、斯特林热机、记忆合金、热导管、过饱和蒸汽塑料瓶中的雾霾、金属板上圆孔的热胀冷缩、铝罐中气体的热胀冷缩、二氧化碳灭火器、液化清洁气制冷、干冰升华

广受欢迎的游戏“纪念碑谷”中，不少精彩的设计得益于“视错觉”现象的应用

第七章 电磁力和电磁感应

§1、电磁感应概述

§2、法拉第电磁感应定律

§3、电磁感应定律的应用

§4、洛仑兹力 动生电动势

§5、楞次定律

§6、超导体

§7、三相交流电

演示实验：静电跳球、静电摆球、静电滚筒、静电吹风、富兰克林轮、避雷针、奥斯特实验、 电磁感应现象、交流发电机、电磁驱动、旋转磁场电动机、电磁调速与制动、电磁炮、阴极射线管、洛伦兹力、安培力、巴比轮、楞次环、对比式楞次定律、阻尼摆、涡流热效应、跳环、超导磁悬浮、液氮实验、温差电池、手触电池、维氏起电机、范德格拉夫起电机、高压带电操作、放电盘、辉光球

第八章 激光—光彩夺目的新光源

§1、光源概述

§2、激光原理

§3、激光器

§4、激光特性和应用

演示实验：氦氖激光器、半导体激光器、激光散射

第九章 波动光学

§1、波动光学概述—风光无限的光波

§2、波动知识回顾

§3、光的干涉

§4、迈克耳孙干涉仪

§5、光的衍射

§6、全息照相（全息术）

演示实验：杨氏双孔干涉、菲涅尔双棱镜、双面镜、劳埃德镜、牛顿环、平晶、迈克耳孙干涉仪吞吐光环、菲涅尔衍射、夫琅禾费衍射、多缝衍射、反射光栅、透射光栅、闪耀光栅、不同孔衍射、网格衍射、大佛全息片、旋转小猫全息片、白光全息图片、双折射、偏振片、显色偏振、散射现象

第十章 量子物理简介

§1、物质世界量子化  1. Crooks光辐射计

§2、波粒二象性      1.电子衍射

§3、概率波

§4、不确定关系

§5、薛定谔方程

演示实验：Crooks光辐射计、电子衍射、云室

如今，全息技术正广泛参与到文物的展出与复原工作中去

参考书

1、 （必读）Art Hobson，秦克诚翻译，物理学的概念和文化素养，高教出版社，2011。

2、 （选读）赵凯华，20世纪物理学对科学、技术社会的影响（VCD光盘），西南交大出版社，2001。

3、（选读）赵峥，物理学与人类文明十六讲-(第二版)，高等教育出版社，2016。

教学与考核方式

教学方式：实验操作、多媒体、讨论，每周授课2学时

考核方式：小制作30％，论文30％，期末考试40％，根据实际情况适当调整。

其他说明

由于考试涉及到实验装置，选课人数受到一定限制，现为30人，未来课程建设中将改进，最终不限制人数。

含莹 编辑 / 香怡 校对

通识联播，每晚六点准时播报

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