热力学与统计物理教学大纲.docx
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热力学与统计物理教学大纲
《热力学及统计物理》教学大纲
课程名称:
《热力学及统计物理》
英文名称:
课程性质:
学科教育必修课
课程编号:
E121015
所属院部:
光电工程学院
周学时:
3学时
总学时:
45学时
学分:
3学分
教学对象(本课程适合专业和年级):
物理学专业(本科)2012级学生
预备知识:
高等数学、概率统计、普物
课程在教学计划中地位作用:
《热力学·统计物理》课是物理专业学生专业基础课,及理论力学、量子力学、电动力学共同构成物理专业重要四门必修课,通常称为物理专业四大力学课。
热力学和统计物理任务是研究热运动规律,研究及热运动有关物性及宏观物质系统演化。
本课程作用是使学生掌握热力学及统计物理基本原理和处理具体问题一些重要方法,并初步具有用这些方法解决较简单问题能力。
教学方法:
以板书手段为主要形式课堂教学。
在课堂教学中,教师应精心组织教学内容,注重发挥学生在教学活动中主体作用和教师主导作用,注重采用多种教学形式提高课程教学质量。
注意在学习中调动学生积极性和创造性,注重各种教学方法灵活应用。
教学目标及要求:
要求学生初步掌握及热现象有关物质宏观物理性质唯象理论和统计理论,并对二者特点及联系有一个较全面认识同时注重对学生逻辑思维能力培养,强调学生物理素养生成和提高。
课程教材:
汪志诚主编.热力学统计物理(第四版).北京:
高等教育出版社,2010年
参考书目:
[1]苏汝铿主编.统计物理学.上海:
复旦大学出版社,2004年
[2]王竹溪主编.热力学简程.北京:
高等教育出版社,1964
[3]王竹溪主编.统计物理学导论.北京:
高等教育出版社,1956
考核形式:
考核方式为考试。
综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定,平时成绩不超过30%,期末成绩不少于70%。
编写日期:
2012年5月制定
课程内容及学时分配(含教学重点、难点):
本课程内容主要包括:
热力学基本规律麦克斯韦关系及其应用,气体节流膨胀及绝热膨胀,基本热力学函数,特性函数,平衡辐射热力学,磁介质热力学等。
热动平衡判据,开放系热力学基本方程,多元系复相平衡和化学平衡,吉布斯相律热力学第三定律,粒子和系统运动状态经典描述及量子描述,等几率原理,分布及微观状态,三种统计分布热力学量统计表式,热力学量统计表式,理想气体物态方程,麦克斯韦速度分布律,能量均分定理,理想气体内能,弱简并玻色气体和费米气体,光子气体,*玻色-爱因斯坦凝聚,金属自由电子气,,相空间,刘维尔定理,微正则分布及其热力学公式,正则分布及其热力学公式等。
通过讲课、练习和实验,使学生达到各章中所提基本要求,最终使学生掌握热力学及统计物理基本理论和思想。
教学时数具体分配:
教学内容
讲授
实验/实践
合计
第一章热力学基本规律
4
4
第二章均匀物质热力学性质
6
6
第三章单元系相变
6
6
第四章多元系复相平衡和化学平衡
3
3
第六章近独立粒子最概然分布
6
6
第七章波耳兹曼统计
8
8
第八章玻色统计和费米统计
8
8
第九章系综理论
2
2
复习
2
2
总计
45
45
讲授大纲及各章基本要求:
第一章热力学基本规律
本章介绍热力学系统基本规律,属复习章节
教学内容:
1.掌握平衡态概念及其描述方法
2.根据热平衡定律建立温度严格概念,并掌握定量量度法
3.简单了解理想气体温标
4.物态方程表达式,并会学应用;
5.热力学第一定律、第二定律内容和数学表达式及其对应热力学函数意义及其应用
6.热力学基本规律统一方程—热力学基本方程意义及应用
7.热力学中过程量—功、热量及状态量(热力学函数—内能、焓、熵、自由能和吉布斯函数区别及联系,并掌握其数学表达式
教学重点和难点:
1.物态方程三个系数定义式,应用它们求解物态方程方法
2.热力学第一定律、第二定律内容和数学表达式及其对应热力学函数意义及其应用
3.热力学中过程量—功、热量及状态量(热力学函数—内能、焓、熵、自由能和吉布斯函数区别及联系,其数学表达式
4.二元函数、偏导数循环关系、倒数关系及全微分性质在热力学中应用
考核要求:
1.理解平衡态概念及其描述方法
2.了解理想气体温标
3.掌握物态方程表达式,并会学应用
4.掌握热力学第一定律、第二定律内容和数学表达式及其对应热力学函数意义及其应用
5.理解热力学基本方程意义及应用
6.了解热力学中过程量—功、热量及状态量(热力学函数—内能、焓、熵、自由能和吉布斯函数)数学表达式
学时数:
4学时
第二章均匀物质热力学特性
本章掌握对均匀物质系统热力学特性求解
教学内容:
1.热力学函数(U、H、F、G等)定义式、全微分表达式、偏导数公式及对应麦氏关系,学会应用表格方法总结归纳
2.几个重要辅助公式,如等容热、等匋热容熵表达式,能态方程、焓态方程以及它们之间关系
3.用实验方法确定基本热力学函数(物态方程、内能U,熵S)一般方法
4.用理论方法确定热力学函数方法——特性函数法
5.上述两种热力学理论方法在实际中应用
教学重点和难点:
1.热力学函数(U、H、F、G等)定义式、全微分表达式、偏导数公式及对应麦氏关系,学会应用表格方法总结归纳;
2.几个重要辅助公式,如等容热容、等压热容熵表达式,能态方程、焓态方程以及它们之间关系;
3.用实验方法确定基本热力学函数(物态方程、内能U,熵S)一般方法;
4.偏导数变换(麦氏关系)将不可测量(U、S、H、F、G)变换成可测量(T、P、V、、),学会用全微分条件得出各热力学量间关系
考核要求:
1.理解热力学函数(U、H、F、G等)定义式、全微分表达式、偏导数公式及对应麦氏关系
2.掌握用实验方法和理论方法确定基本热力学函数(物态方程、内能U,熵S)
3.了解偏导数变换(麦氏关系)将不可测量(U、S、H、F、G)变换成可测量(T、P、V、、),会用全微分条件得出各热力学量间关系
教学时数:
6学时
第三章单元系相变
本章主要介绍单元系平衡判据和相变概念
基本要求:
1.热力学平衡判据几种形式,如熵判据、自由能判据和吉布斯函数判据等;闭系热力学平衡条件推导
2.开系热力学基本方程数学表达式,并结合熵判据得出开系热力学平衡条件
3.从气-液-固相图理解单元系复相平衡条件及其性质
4.气-液两相转变过程及其临界条件以及液滴形成过程
5.一级相变特点和相变分类方法;
教学重点和难点:
1.热力学平衡判据几种形式,如熵判据、自由能判据和吉布斯函数判据等,学会用最基本熵判据形式得出热力学平衡条件;
2.从气-液-固相图理解单元系复相平衡条件及其性质;
3.一级相变特点和相变分类方法;
考核要求:
1.理解并掌握热力学平衡判据,用最基本熵判据形式得出热力学平衡条件
2.了解一级相变特点和相变分类
教学时数:
6学时
第四章多元系复相平衡和化学平衡
本章主要介绍多元复相系平衡条件和化学平衡条件以及热力学第三定律
教学内容:
1.多元系热力学函数和热力学方程数学表达式;
2.并掌握多元单相系平衡条件和多元复相系平衡条件;
3.吉布斯相律及其应用;
4.混合气体性质及其理想气体化学平衡条件;
5.热力学第三定律内容及其意义;
教学重点和难点:
1.多元系热力学函数和热力学方程数学表达式;
2.吉布斯相律及其应用;
3.热力学第三定律意义及绝对熵表达式
考核要求:
1.掌握多元系热力学函数和热力学方程数学表达式
2掌握多元单相系平衡条件和多元复相系平衡条件
3.掌握吉布斯相律及其应用
4.理解理想气体化学平衡条件
5.了解热力学第三定律
教学时数:
3学时
第六章近独立粒子最概然分布
本章主要介绍近独立粒子微观状态数和最概然分布
教学内容:
1.经典粒子经典描述和量子描述
2.三种系统微观状态数表达式推导过程
3.并掌握等概率原理基本内容及其由概率法得到三种分布方法
4.并牢记宏观分布及微观状态数区别于联系
5.玻尔兹曼、玻色分布和费米分布表达式及其相互之间转化条件
教学重点和难点:
1.学会并掌握经典及量子描述方法;
2.理解等概率内容及其由概率法得到三种分布方法;
3.掌握三种分布表达式及相互转换之间关系;
考核要求:
1.理解并掌握三种系统微观状态数求解
2.掌握玻尔兹曼、玻色分布和费米分布表达式及其相互之间转化
教学时数:
6学时
第七章波尔兹曼统计
本章主要介绍波尔兹曼系统统计表达式以及其应用
教学内容:
1.热力学量统计表达式推导过程
2.配分函数在统计物理中作用及意义
3.理想气体配分函数,用配分函数推导理想气体物态方程、速度分布律及能量均分定理,掌握相应解题方法
4.会应用理想气体内能和热容量表达式和熵表达式解题
5.固体热容量爱因斯坦理论内容及其意义
6.顺磁性固体及负温度状态简单知识
教学重点和难点:
1.热力学统计表达式
2.理想气体物态方程内容
3.固体热容量爱因斯坦理论内容及其意义
4.顺磁性固体、负温度状态简单知识
5.并掌握配分函数在统计物理中作用及意义
考核要求:
1.掌握波尔兹曼系统热力学量统计表达式
2.掌握麦克斯韦速度分布函数
3.理解能量均分定理
4.理解固体热容量爱因斯坦理论
教学时数:
8学时
第八章玻色和费米统计
本章主要介绍玻色和费米系统统计表达式以及相应系统特性
教学内容:
1.热力学量统计表达式推导过程
2.并掌握巨配分函数在统计物理中作用及意义
3.玻色─爱因斯坦凝聚现象和它及气—液凝聚区别
4.普朗克公式以及在不同频率区相应两种表示形式,了解光子气体能量密度
5.利用平衡热辐射过程推导热辐射定律
6.利用费米统计相关特点讨论自由电子气其它性质
教学重点和难点:
1.黑体辐射,光子气体特性
2.普朗克公式,光子气体能量密度
30K时金属中自由电子气有关热力学量计算
4.费米能级概念
考核要点:
1.掌握热力学量统计表达式推导过程
2.了解玻色─爱因斯坦凝聚现象和它及气—液凝聚区别
3.理解光子气体能量密度
4.掌握平衡热辐射过程推导热辐射定律
5.了解自由电子气其它性质
教学时数:
8学时
第九章系综理论
本章主要介绍正则、微正则、巨正则分布在热力学中应用
教学内容:
1.微正则分布经典表达式、量子表达式和半经典表达式
2.正则分布推导过程及其物理意义和适用条件
3.正则分布热力学公式及简单应用
教学重点和难点:
1.相空间及刘维尔定理内容
2.正则分布、微正则分布、巨正则分布区别于联系
3.三种分布在热力学中应用
考核要求:
1.掌握相空间及刘维尔定理
2.理解正则分布、微正则分布、巨正则分布在热力学中应用
教学时数:
2学时
补充说明:
本课程前五章介绍了热力学基本理论定律和应用,从宏观角度对热力学系统进行了讨论。
立足于热力学三个定律,给出了具有普适应定律和定理等,后五章则属于统计物理学内容,从围观角度对热力学系统进行了讨论,针对具体系统具体特性进行了讨论,其基本出发点是宏观物理量是相应微观量统计平均值。
这两部分即是分别独立又有着密切联系。
在学习过程中应强调物理思想体现,培养学生逻辑思维能力和发现问题解决问题能力。
第五章和第十章为选修内容,由于学时限制不列为讲授内容,对又兴趣同学可以个人讨论学习。
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- 关 键 词:
- 热力学 统计 物理 教学大纲