物理力学的论文怎么写

时间:2019-10-06  点击次数:   

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  物理力学主要研究平衡现象,如气体、液体、固体的状态方程,各种热力学平衡性质和化学平衡的研究等。对于这类问题,物理力学主要借助统计力学的方法。

  物理力学对非平衡现象的研究包括四个方面:一是趋向于平衡的过程,如各种化学反应和弛豫现象的研究;二是偏离平衡状态较小的、稳定的非平衡过程,如物质的扩散、热传导、粘性以及热辐射等的研究;三是远离于衡态的问题,如开放系统中所遇到的各种能量耗散过程的研究;四是平衡和非平衡状态下所发生的突变过程,如相变等。解决这些问题要借助于非平衡统计力学和不可逆过程热力学理论。

  物理力学的研究工作,目前主要集中三个方面:高温气体性质,研究气体在高温下的热力学平衡性质(包括状态方程)、输运性质、辐射性质以及与各种动力学过程有关的弛豫现象;稠密流体性质,主要研究高压气体和各种液体的热力学平衡性质(包括状态方程)、输运性质以及相变行为等;固体材料性质,利用微观理论研究材料的弹性、塑性、强度以及本构关系等。

  物质的性质及其随状态参量变化规律的知识,无论对科学研究还是工程应用都极为重要,力学本身的发展就一直离不开物性和对物性的研究。

  近代工程技术和尖端科学技术迅猛发展,特别需要深入研究各种宏观状态下物体内部原子、分子所处的微观状态和相互作用过程,从而认识宏观状态参量扩大后物体的宏观性质和变化规律。因此,物理力学的建立和发展,不但可直接为工程技术提供所需介质和材科的物性,也将为力学和其他学科的发展创造条件。

  摘要]文章分析了“热学”与“热力学统计物理”课程整合的必要性和可能性,并提出了初步的整合方案,以优化配置教学资源。

  [作者简介]苏安(1973- ),男,广西都安人,河池学院物理与电子工程系讲师。(广西 宜州 546300)

  “热学”与“热力学统计物理”(以下简称“热统”)课程是物理学专业必修的两门主干课程,两者承前启后,存在着密切关系。在高等教育改革不断推进的今天,怎样整合两门课程,优化设置,以达到高效的教与学的目的,是我们面临和必须考虑的问题。

  党的十六届六中全会通过的《中共中央关于构建社会主义和谐社会若干重大问题的决定》中强调指出:“保持高等院校招生合理增长,要注重增强学生的实践能力、创造能力和就业能力、创业能力”,这为我国高等教育人才培养提出了明确的目标,也为高等教育改革与发展指明了方向。为不断深化高等教育教学改革,全面提高高等教育质量,2007年2月17日《教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》又指出:“推进人才培养模式和机制改革,着力培养学生创新精神和创新能力。香港六合彩铁算盘资料,要采取各种措施,通过推进学分制、降低必修课比例、加大选修课比例、减少课堂讲授时数等,增加学生自主学习的时间和空间,拓宽学生知识面,增强学生学习兴趣,完善学生的知识结构,促进学生个性发展。”

  理论物理学专业主要是培养学生掌握物理学的基本理论、基本知识和实践技能,具备较高科学素养和创新能力,能够胜任物理学或相关科学与技术领域的科研、教学、技术开发等工作,也可以继续攻读本学科或其他相关学科的硕士学位。可见,在新的社会市场需求和高等教育教学改革形势下的今天,原来的理论物理学专业的课程设置、各内容设计以及教学模式等已凸显出其不合理性。部分课程的重复性建设比较严重,有些课程内容相近或者基本相同,却分别在同一专业不同的课程中开设;不同院系、专业之间信息不够畅通,统筹规划比较少,各专业按照自己的需要开设课程,造成不同院系、专业之间课程的重复性建设。

  因此,怎样降低必修课比例、加大选修课比例、减少课堂讲授时数、重视实践教学环节、提高学生实践能力,已是摆在我们面前的高教改革的实际问题。在此形势下,作为物理学专业两门主干课程的“热学”与“热统”,既承前启后又相互渗透,在保质保量的前提下进行整合优化,以获得最大的教学效益已势在必行。

  目前,国内普通本科院校理论物理学专业“热学”和“热统”课程普遍使用的教材为:秦允豪编的《普通物理学教程:热学》教材是国家九五级重点教材,其结构基本上先是分子物理学,后是热力学,最后是物态与相变及统计物理的初步。汪志诚编的《热力学统计物理》教材内容包括热力学与统计物理两个部分。其中热力学讲授的主要是热力学的基本定律、热力学函数、相平衡与化学平衡等;统计物理部分主要讲授玻耳兹曼系统、玻色系统和费米系统,以及微正则分布、巨正则分布和正则分布等。据统计,“热统”课程中热力学部分和统计物理部分各占总内容的46%和54%。而“热学”课程中设计的热力学定律部分和“热统”课程中热力学的部分内容(平衡态、温度、物态方程、热力学第一定律、功、热量与焓、理想气体、热力学第二定律、熵、卡诺定理等)重复率达1/3。统计物理部分和“热统”课程中统计的部分内容(等概率原理、玻耳兹曼统计、能均分定理、麦克斯韦分布等)重复率达1/4。其中设计的麦玻分布、气体分子运动论、输运现象、热力学定律与熵、均匀物质的热力学、复相平衡、玻耳兹曼分布等内容重复尤为明显。

  可见,“热学”与“热统”课程之间存在着内容重复性建设的不足,这样不仅浪费大量的时间去讲解相同的内容,而且使学生产生厌烦的心理,不利于学生的学习。同时,在这种课程内容设置下,学生的选修课时和实践教学课时将难于得到保障。在新的形势下,不但要求“热学”与“热统”课程课时的减少和许多非专业但适用性课程的开设,还要让学生全面而又系统地学习“热学”与“热统”的基本思想、研究方法以及当今学科前沿技术。所以,通过对两课程重复内容的整合,节约出近1/3课时,是新时期下“热学”和“热统”课程教学改革的重要手段之一。

  1.“热学”与“热统”整合后的体系必须保持原有知识结构的完整性。内容上要保证基础、承前启后、连接顺畅、由浅入深。课程从热力学、统计物理两方面入手,系统讨论热力学的基本定律,引入热力学函数,研究物质的热性质,并运用统计方法,讨论不同系统所遵循不同的统计规律,用求系统平均值的方法来研究具体系统的热力学性质。

  2.“热学”与“热统”整合后的内容体系要符合教学规律。即教材内容编排必须遵循学生掌握的理论基础知识、认知规律和教师教学方便性,合理地处理好各知识点的先后首次位置。按整合后的内容体系实施教学,既要体现教学的基本内容,又要使学生懂得解决热物理学问题的方法:透过普通物理的现象——唯象理论,培养学生由感性到理性的分析问题的方法,懂得由宏观到微观世界的转变,即透过现象看本质;通过统计物理理论的学习和训练,培养学生由理性到感性的思考问题的策略,即通过本质预测现象。这种由唯象到唯理,由宏观到微观的内容编排,也比较符合学生的认识层次,有利于学生学习和提高热物理学理论。

  3.“热学”与“热统”整合后的内容在一定程度上要体现学科的发展前沿。随着科技的不断进步及经济的飞速发展,热物理理论在不同的领域发挥着越来越重要的作用,同时也产生新的课题和要求。所以应在教材中适当融入学科的前沿和热点问题,使学生与时俱进。这样既能培养和提高学生的创新意识,又为今后学生在科研部门工作或是进一步深造奠定扎实的基础。

  4.“热学”与“热统”的整合要有利于高等教育改革和发展新形势下的人才培养。即整合后的内容和教学要有利于培养学生创新精神和创新能力,有利于增强学生的实践能力、创造能力和就业能力、创业能力,为学生今后的就业和深造发展打好基础。这是新时代对物理学专业学生的要求,也是物理学专业学生适应高新技术发展的需要。

  适当地削减“热力学”(削减后约占“热统”总内容的1/4)内容,主要讲授统计物理的理论和简单应用(约占整个内容的3/4)。关于热力学的基本定律和有关概念,在普通物理的“热学”(分子物理学)中已作过较详尽的讨论,因此不作更多的介绍。对于研究宏观热现象所需要的热力学基本公式,没有将它们作为经验规律,而是用统计物理的理论导出。在“热学”中已讨论较多的“麦—玻分布(最可几分布)”也尽量不再重复,只将它作为系综理论的结果讨论。这样,还可以更好地理解宏观理论与微观理论的关系,使认识上一个层次。

  采用这种体系,目的在于有效地避免相继课程在内容上过多的重复,在削减学时的前提下,能有相对充足的时间介绍统计物理的较新应用,增加本课程的先进性与适用性,以提高教学效益。同时,减少重复性还可以避免产生厌学情绪,激发学生的学习兴趣和积极性,提高学习效率。

  整合方法一:“热学”与“ 热统”课程独立教学。在教学过程中,采用两本教材教学,对相同、重复的内容合二为一进行教学。教学内容的组织方式是从宏观热现象入手,通过合适的实验定律、逻辑演绎推理,从微观深入,建立模型,应用统计物理学的理论,分析具体物质的宏观特性。从知识结构来看,注重基础知识和基本应用,兼顾新知识、前沿问题的介绍。在具体的教学过程中,注意体现对学生严格逻辑思维的训练,演绎推理能力的培养,给学生以构建物理模型的体验,解决问题的实践。这样组织内容的目的是突出理论物理的特征,“热学”与“热统”课程既合理分工,又妥善衔接,避免重复,杜绝繁冗,削减学时,充实内容,提高教学效率,增加课程的先进性和适用性。而且,学生受到良好的理论训练,对统计物理有系统的理解,能熟练运用热物理理论解决实际问题,进一步掌握学习新知识的方法,整体上融会贯通,深刻理解热现象这一理论的本质及其研究方法和前沿。

  整合方法二:“热学”与“热统”整合成“热物理学”。把“热学”和“热统”课程二合一成“热物理学”,根据教学要求和学生的认知过程,设计的教学内容有:热学部分包括热学科学史、经典热学、热学最新动态、高新科技的热学基础和热学在新科技中的应用。热统部分主要是以系综理论为主线,融宏观与微观理论于一体。立足于微观量子理论,从一个基本假设——等几率原理入手,循序渐进地阐明统计物理的基本理论。同时,运用统计物理的理论导出热力学基本定律,给出统计物理概念与宏观现象的对应,从而将热现象的宏观理论与微观理论有机地融合于一体。鉴于量子论在当今世界早已被广泛了解,统计物理的概念理应建立在量子力学基础之上。至于经典统计物理,则仅作为量子统计物理的极限进行讨论。本体系力求使学生比较系统、准确地掌握统计物理的基本概念,找到对统计物理的感觉,全面、灵活地运用热物理理论解决实际问题,并为进一步学习更深的知识和了解物理学的最新成果奠定较为扎实的基础。其授课方式为两个学期连续开课,其目录如下表所示。

  本体系虽然大量削减了纯粹“热力学”的内容,但并不削弱对于热力学理论运用的训练。为使学生更好地掌握热物理的宏观理论,我们仍用足够的篇幅讨论平衡态的热力学性质,介绍研究相平衡、化学平衡等问题的热力学理论,并附有一定数量的习题。此外,同其他体系一样,也注意了将教学难点适当分散。例如,一般认为,系综理论是统计物理中的核心也是最为抽象的内容。对于三种典型的统计系综,我们没有集中讨论,而是遵循由表及里、由浅入深、循序渐进的认识规律,分散在章节穿插介绍。这样,就将抽象的理论难点分散开了。与此同时,也将各系综适用的热力学系统及性质作相应的讨论。宏观与微观的交错,一定程度上避免了学习的枯燥无味。

  “热学”“热统”作为基础专业物理学专业的两门主干课程,传统的教学内容、方法、模式已经不能适应新形势下人才的培养需求,必须在稳定知识结构的前提下大胆进行教学改革,选用新型教材,启用新的教学模式,把科学前沿引进教材,培养学生的创新意识和实践能力。这也是“热学”“热统”两课程教学内容整合的目的和出发点。通过整合,既降低必修课比例,加大选修课比例,减少课堂讲授时数等,又增加学生自主学习的时间和空间,拓宽学生知识面,增强学生学习兴趣,完善学生的知识结构,促进学生个性发展,对增强学生的实践能力、创造能力和就业能力、创业能力具有一定的促进作用。


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