《近代物理》教学大纲

《近代物理学基础》

一、说明

（一）课程性质、目的与任务

本课程是物理学教育专业的必修课程。

1.通过本课程的学习，使学生掌握研究微观物质问题的基本方法。了解由实验结果出发，建立物理模型，进而建立物理理论体系的过程。

2.通过本课程的学习，培养学生独立解决与微观粒子相关的问题的能力。即提高学生实践、观察、分析、综合、联系、总结、创造等各方面的能力。

3.引导学生用发展的观点认识微观粒子运动规律及其本性。

4. 要求学生初步了解量子力学的基础知识；熟练掌握原子的结构、运动规律及其研究方法。

5. 初步了解分子物理、原子核物理以及高能物理的基本知识；并了解原子物理最新进展。

6. 通过本课程的学习，使学生具有分析和处理中学物理教材中相关内容的能力。

近代物理学主要以微观粒子为研究对象，是物质微观结构的一个层次。其核心内容是以量子力学为主，研究微观粒子运动规律的基础理论科学。

十九世纪末，在经典物理学取得辉煌成就的同时，相继发现了一些用经典理论无法解释的实验事实（如黑体辐射、光电效应、原子光谱、X射线及放射性等），因而引起了物理学界的关注和困惑。

二十世纪初，在大量实验研究和理论探索的基础上，普朗克的能量子概念，爱因斯坦的相对性理论，玻尔的定态和能级假设，终于形成近代物理学的两大理论支柱——相对论和量子力学，以此作为理论基础，极大地开拓了近代物理学的研究领域，特别是深入到构成物质的原子、分子、原子核、基本粒子等微观粒子的性质、相互作用和微观运动规律方面的研究，取得了非凡的成就。

近代物理学的发展，不仅改变了人们认识世界的基本观念，更重要的是它极大地推动了化学、生物学、天文学等相关学科和电子、激光、信息、超导、航天等新兴技术的发展，使物理学自身也一直处于主导学科的地位。

本篇的内容较抽象，一般很难用日常生活经验去体验。学习是要开拓思路，树立起新的物理图像，以期有所领会。

（二）教学基本要求

1、知识、能力、素质的基本要求

学生通过本课程的学习了解有近代物理学的基本概念，掌握相关的知识。

通过各个教学环节培养学生应用近代物理知识分析现代科学与生产问题；有一定的处理现代科学面临的简单问题的能力；使学生在掌握近代物理知识的同时，尽量多地理解近代物理的思想以及处理问题的方法。

2、教学方法基本要求

1.本课程和教学环节有讲课、习题课、实验、考试等环节。

2.以课堂讲授为主，精讲多练，并结合自学，布置适当的作业，提高学生理解能力及思维能力。

3.传统的教学方式与现代化的教学手段相结合。在教学条件允许的情况下，应利用网络资源、多媒体等教学手段为教学服务，提供有关教学的录像片。特别是对电子衍射类实验和原子中的电子

分布等内容的教学提供多媒体教学条件，以便在相对少的教学时数内完成尽可能多的教学内容。另外采用大量图片和影视资料，有利与学生加深对物理概念的理解。

4.开展学生专题讨论，教学生查阅资料，培养学生的自学能力，分析问题和解决问题的能力。

5.注有“*”的章节为学生课外自主选择学习内容，课堂教学不作讲解。

3、考核方法基本要求

（1）考核形式：定期考试（测验、期中、期末）和平时作业、考勤相结合。期末考试采用闭卷考试，以百分制评定成绩。

（2）成绩计算：平时成绩（作业、考勤、测验、期中）占总成绩30%、期末成绩占总成绩70%。（三）教学时数

本课程计划教学72学时，其中讲授64学时，习题课8学时。

二、文本

绪论

教学要求：

了解近代物理学主要以微观粒子为研究对象，是物质微观结构的一个层次。近代物理学的核心内容是以量子力学为主，研究微观粒子运动规律的基础理论科学。

教学内容：

一、了解近代物理的发展过程。

普朗克的能量子概念，爱因斯坦的相对性理论，玻尔的定态和能级假设，终于形成近代物理学的两大理论支柱——相对论和量子力学，并以此作为理论基础，极大地开拓了近代物理学的研究领域。

二、了解近代物理学的发展在推动化学、生物学、天文学等相关学科和电子、激光、信息、超

导、航天等新兴技术中所处的主导学科的地位。

第一章狭义相对论时空观

教学要求：

理解绝对时空观和相对时空观的区别；了解爱因斯坦理论；掌握洛伦次变换；理解质量与速率的关系和质量与能量的关系。

教学内容：

一、狭义相对论的实验基础

二、爱因斯坦理论

三、洛伦兹变换

四、速度合成公式

五、相对论力学简介

教学重点：

验证狭义相对论的几个基本实验，长度缩短、时间延长的表达式，速度合成公式，洛伦茨变换，质速与质能关系。

第二章量子物理学基础

教学要求：

了解量子论的早期发展过程；明确微观粒子运动的特殊性即波粒二象性，微观粒子运动的特殊性即波粒二象性；了解粒子散射实验对认识原子结构的作用并掌握一些有关原子大小的数据；熟练掌握氢原子光谱规律及巴尔末公式，掌握玻尔理论对氢原子结构和光谱规律的解释，了解该理论对类氢离子的解释，明确玻尔氢原子理论的局限性；了解物质波的意义及其性质和测不准关系；理解波函数的物理意义，了解薛定谔方程在量子力学中的地位，会用薛定谔方程求解一维无限深方势阱问题，知道用薛定谔方程求解氢原子问题所得到的结论。

教学内容：

一、微观客体的波粒二象性

二、原子的核模型

三、氢原子光谱的实验规律

四、玻尔理论

五、量子力学的建立

六、波函数的统计解释

七、薛定谔方程

八、无限深势阱

九、线性谐振子*

十、势垒贯穿隧道效应*

十一、氢原子

十二、电子自旋

十三、不确定关系

教学重点：

德布罗意波；原子的核式模型；玻尔假设的实验基础及其理论；氢原子光谱的实验规律；不确定关系；波函数假设及其统计解释；薛定谔方程；量子力学对氢原子的处理方法。

第三章多电子原子及分子光谱

教学要求：

掌握碱金属光谱规律，了解原子实极化和轨道贯穿对光谱的影响；熟练掌握电子自旋与自旋量子数的意义和电子自旋与轨道运动的相互作用引起的原子能级的变化；熟练掌握泡利原理，会用原子的壳层结构解释元素具有周期性的内在规律；了解磁场对原子的相互作用，掌握塞曼效应的内容及意义；了解X射线（包括连续谱和标识谱）的产生机制和特征；了解康普顿效应产生的原因。了解分子形成的几种主要化学键，了解分子能级和分子光谱的一般规律，并能够用符号写出双原子分子电子态的表示式。

教学内容：

一、碱金属原子

二、两个价电子的原子

三、氦氖激光器原理

四、元素周期表

五、X射线

*六、磁场对原子能级的影响

*七、分子结构和分子光谱

教学重点：

原子实的极化，轨道贯穿；单线系与三线系及组成；造成原子能级分裂的原因，电子组；泡利原理对电子填充的要求；原子的电子壳层；激光原理； X射线标识谱；掌握光谱项与量子亏损的求解方法；掌握 L-S耦合的适用条件及L-S耦合的步骤；L-S耦合下的跃迁选择定则；掌握电离能和电离电势的求法，氦氖激光器，

第四章原子核物理

教学要求：

了解原子核的一般性质；熟练掌握原子核的放射性衰变规律和分类；了解原子核反应的机制和类型

教学内容：

一、原子核的基本性质

二、原子核衰变的基本规律

三、α衰变β衰变

四、γ衰变和内转换

*五、放射性的应用和防护

六、原子核结构模型

七、原子核反应

*八、核反应截面和反应机制

*九、加速器

十、核裂变核聚变

教学重点：

原子核的模型；平均结合能；放射性衰变的一般规律；α、β、γ射线的性质；历史上几个著名的核反应；核反应的三阶段描述；加速器的类型、原理。

第五章粒子物理学

教学要求：

熟练掌握基本粒子的分类原则和基本粒子之间的相互作用；了解基本粒子的一些重要对称性、守恒定律以及基本粒子结构模型一层子模型。

教学内容：

一、粒子物理学的发展情况

二、粒子间的相互作用

三、粒子的分类和基本性质

四、夸克模型

*五、同位旋奇异性

*六、对称性和守恒定律

教学重点：

粒子的性质；粒子间的基本相互作用；夸克模型。

第六章固体物理

教学要求：

获得固体物理方面的基本理论、基本知识和基本技能；了解晶体结构；掌握结合能的计算；

明确描绘晶体能带的方法；掌握固体光学常数之间的基本关系。

教学内容：

一、引言

二、晶体的结合

三、金属的自由电子论

四、固体的比热

五、固体的能带理论

六、超导体

教学重点：

晶体结构；金属的自由电子论；能带理论；了解超导体及其在现代技术中的应用。

三、参考书目

（一）必读书目

1.梁绍荣，刘昌年，盛正华主编，《普通物理学》第五分册：近代物理学基础，高等教育出版社，1994年10月，第二版。

2.杨福家，原子物理学，高等教育出版社，2000年，第三版。

3.褚圣麟，《原子物理学》，高等教育出版社，1979。

4. [美]E．H．威切曼，《量子物理学》(《伯克利物理学教程》第四卷)，科学出版社，1978。

（二）选读书目

1.周世勋，量子力学教程，人民教育出版社，

2.尚惠春，王罗禹译，现代物理学中的关键性实验，科学出版社，1983年1。

3.苟清泉，《原子物理学》，高等教育出版社，1982，第二版。

本课程使用教具和现代教育技术的指导性意见

利用网络资源、多媒体等教学手段为教学服务。提供有关教学的录像片，特别是对电子衍射类

实验和原子中的电子分布等内容的教学提供多媒体教学条件，以便在相对少的教学时数内完成尽可能多的教学内容。另外采用大量图片和影视资料，有利与学生加深对物理概念的理解。