熱力學與統(tǒng)計物理教學大綱

1、熱力學與統(tǒng)計物理教學大綱課程名稱：熱力學與統(tǒng)計物理英文名稱：Thermodynamics and statistic physics課程性質(zhì)：學科教育必修課課程編號：E121015所屬院部：光電工程學院周學時：3 學時總學時：45 學時學 分：3 學分教學對象(本課程適合的專業(yè)和年級) ：物理學專業(yè)(本科)2012 級學生預備知識：高等數(shù)學、概率統(tǒng)計、普物課程在教學計劃中的地位作用：熱力學·統(tǒng)計物理課是物理專業(yè)學生的專業(yè)基礎課，與理論力學、量子力學、電動力學共同構成物理專業(yè)重要的四門必修課，通常稱為物理專業(yè)的四大力學課。熱力學和統(tǒng)計物理的任務是研究熱運動的規(guī)律，研究與熱運動有關的物性

2、及宏觀物質(zhì)系統(tǒng)的演化。本課程的作用是使學生掌握熱力學與統(tǒng)計物理的基本原理和處理具體問題的一些重要方法，并初步具有用這些方法解決較簡單問題的能力。教學方法：以板書手段為主要形式的課堂教學。在課堂教學中，教師應精心組織教學內(nèi)容，注重發(fā)揮學生在教學活動中的主體作用和教師的主導作用，注重采用多種教學形式提高課程教學質(zhì)量。注意在學習中調(diào)動學生積極性和創(chuàng)造性，注重各種教學方法的靈活應用。教學目標與要求：要求學生初步掌握與熱現(xiàn)象有關的物質(zhì)宏觀物理性質(zhì)的唯象理論和統(tǒng)計理論，并對二者的特點與聯(lián)系有一個較全面的認識同時注重對學生邏輯思維能力的培養(yǎng)，強調(diào)學生物理素養(yǎng)的生成和提高。課程教材： 汪志誠主編. 熱力學統(tǒng)計

3、物理（第四版） .北京：高等教育出版社，2010 年參考書目：1 蘇汝鏗主編. 統(tǒng)計物理學. 上海：復旦大學出版社，2004 年2 王竹溪主編. 熱力學簡程. 北京：高等教育出版社，19643 王竹溪主編. 統(tǒng)計物理學導論. 北京：高等教育出版社，1956考核形式：考核方式為考試。綜合成績根據(jù)平時成績和期末成績評定，平時成績不超過30，期末成績不少于 70%。編寫日期：2012 年 5 月制定課程內(nèi)容及學時分配（含教學重點、難點）：本課程內(nèi)容主要包括：熱力學的基本規(guī)律麥克斯韋關系及其應用，氣體的節(jié)流膨脹與絕熱膨脹，基本熱力學函數(shù)，特性函數(shù)，平衡輻射熱力學，磁介質(zhì)熱力學等。熱動平衡判據(jù)，開放系的

4、熱力學基本方程，多元系的復相平衡和化學平衡,吉布斯相律熱力學第三定律,粒子和系統(tǒng)運動狀態(tài)的經(jīng)典描述與量子描述，等幾率原理，分布與微觀狀態(tài)，三種統(tǒng)計分布熱力學量的統(tǒng)計表式，熱力學量的統(tǒng)計表式，理想氣體的物態(tài)方程，麥克斯韋速度分布律，能量均分定理，理想氣體的內(nèi)能,弱簡并玻色氣體和費米氣體，光子氣體，*玻色-愛因斯坦凝聚，金屬自由電子氣, ,相空間，劉維爾定理，微正則分布及其熱力學公式，正則分布及其熱力學公式等。通過講課、練習和實驗，使學生達到各章中所提的基本要求，最終使學生掌握熱力學與統(tǒng)計物理的基本理論和思想。教學時數(shù)具體分配：教 學 內(nèi) 容講授實驗/實踐合計第一章熱力學的基本規(guī)律44第二章均勻物

5、質(zhì)的熱力學性質(zhì)66第三章單元系的相變66第四章多元系的復相平衡和化學平衡33第六章近獨立粒子的最概然分布66第七章波耳茲曼統(tǒng)計88第八章玻色統(tǒng)計和費米統(tǒng)計88第九章系綜理論22復習22總計4545講授大綱與各章的基本要求：第一章 熱力學的基本規(guī)律本章介紹熱力學系統(tǒng)基本規(guī)律，屬復習章節(jié)教學內(nèi)容：1.掌握平衡態(tài)概念及其描述方法2.根據(jù)熱平衡定律建立溫度的嚴格概念，并掌握定量量度法3.簡單了解理想氣體溫標4.物態(tài)方程的表達式，并會學應用；5.熱力學第一定律、第二定律的內(nèi)容和數(shù)學表達式及其對應的熱力學函數(shù)的意義及其應用6.熱力學基本規(guī)律的統(tǒng)一方程熱力學基本方程的意義及應用7.熱力學中的過程量功、熱量與

6、狀態(tài)量（熱力學函數(shù)內(nèi)能、焓、熵、自由能和吉布斯函數(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，并掌握其數(shù)學表達式教學重點和難點：1.物態(tài)方程的三個系數(shù)的定義式，應用它們求解物態(tài)方程的方法2.熱力學第一定律、第二定律的內(nèi)容和數(shù)學表達式及其對應的熱力學函數(shù)的意義及其應用3.熱力學中的過程量功、熱量與狀態(tài)量（熱力學函數(shù)內(nèi)能、焓、熵、自由能和吉布斯函數(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，其數(shù)學表達式4.二元函數(shù)、偏導數(shù)循環(huán)關系、倒數(shù)關系及全微分性質(zhì)在熱力學中應用考核要求：1.理解平衡態(tài)概念及其描述方法2.了解理想氣體溫標3.掌握物態(tài)方程的表達式，并會學應用4.掌握熱力學第一定律、第二定律的內(nèi)容和數(shù)學表達式及其對應的熱力學函數(shù)的意義及其應用5.理解熱力學

7、基本方程的意義及應用6.了解熱力學中的過程量功、熱量與狀態(tài)量（熱力學函數(shù)內(nèi)能、焓、熵、自由能和吉布斯函數(shù)）數(shù)學表達式學時數(shù)：4 學時第二章 均勻物質(zhì)的熱力學特性本章掌握對均勻物質(zhì)系統(tǒng)熱力學特性的求解教學內(nèi)容：1.熱力學函數(shù)（U、H、F、G 等）的定義式、全微分表達式、偏導數(shù)公式及對應麥氏關系，學會應用表格的方法總結歸納2.幾個重要的輔助公式，如等容熱、等匋熱容的熵表達式，能態(tài)方程、焓態(tài)方程以及它們之間的關系3.用實驗方法確定基本熱力學函數(shù)（物態(tài)方程、內(nèi)能 U，熵 S）的一般方法4.用理論方法確定熱力學函數(shù)的方法特性函數(shù)法5.上述兩種熱力學理論方法在實際中的應用教學重點和難點：1.熱力學函數(shù)（U

8、、H、F、G 等）的定義式、全微分表達式、偏導數(shù)公式及對應的麥氏關系，學會應用表格的方法總結歸納；2.幾個重要的輔助公式，如等容熱容、等壓熱容的熵表達式，能態(tài)方程、焓態(tài)方程以及它們之間的關系；3.用實驗方法確定基本熱力學函數(shù)（物態(tài)方程、內(nèi)能U，熵S）的一般方法；4.偏導數(shù)變換（麥氏關系）將不可測量（U、S、H、F、G）變換成可測量（T、 P、V、Cv、Cp），學會用全微分條件得出各熱力學量間的關系考核要求：1.理解熱力學函數(shù)（U、H、F、G 等）的定義式、全微分表達式、偏導數(shù)公式及對應的麥氏關系2.掌握用實驗方法和理論方法確定基本熱力學函數(shù)（物態(tài)方程、內(nèi)能 U，熵S）3.了解偏導數(shù)變換（麥氏關

9、系）將不可測量（U、S、H、F、G）變換成可測量（T、P、V、Cv、Cp），會用全微分條件得出各熱力學量間的關系教學時數(shù)：6 學時第三章 單元系的相變本章主要介紹單元系的平衡判據(jù)和相變概念基本要求：1.熱力學平衡判據(jù)的幾種形式，如熵判據(jù)、自由能判據(jù)和吉布斯函數(shù)判據(jù)等；閉系熱力學平衡條件的推導2.開系的熱力學基本方程的數(shù)學表達式，并結合熵判據(jù)得出開系的熱力學平衡條件3.從氣-液-固相圖理解單元系的復相平衡條件及其性質(zhì)4.氣-液兩相轉(zhuǎn)變的過程及其臨界條件以及液滴的形成過程5.一級相變的特點和相變分類的方法；教學重點和難點：1.熱力學平衡判據(jù)的幾種形式，如熵判據(jù)、自由能判據(jù)和吉布斯函數(shù)判據(jù)等，學會用

10、最基本的熵判據(jù)形式得出熱力學平衡條件；2.從氣-液-固相圖理解單元系的復相平衡條件及其性質(zhì)；3.一級相變的特點和相變分類的方法；考核要求：1.理解并掌握熱力學平衡判據(jù)，用最基本的熵判據(jù)形式得出熱力學平衡條件2.了解一級相變的特點和相變分類教學時數(shù)：6 學時第四章 多元系的復相平衡和化學平衡本章主要介紹多元復相系的平衡條件和化學平衡條件以及熱力學第三定律教學內(nèi)容：1.多元系的熱力學函數(shù)和熱力學方程的數(shù)學表達式；2.并掌握多元單相系的平衡條件和多元復相系的平衡條件；3.吉布斯相律及其應用；4.混合氣體的性質(zhì)及其理想氣體的化學平衡條件；5.熱力學第三定律的內(nèi)容及其意義；教學重點和難點：1.多元系的熱

11、力學函數(shù)和熱力學方程的數(shù)學表達式；2.吉布斯相律及其應用；3.熱力學第三定律的意義及絕對熵的表達式考核要求：1.掌握多元系的熱力學函數(shù)和熱力學方程的數(shù)學表達式2 掌握多元單相系的平衡條件和多元復相系的平衡條件3.掌握吉布斯相律及其應用4.理解理想氣體的化學平衡條件5.了解熱力學第三定律教學時數(shù)：3 學時第六章 近獨立粒子的最概然分布本章主要介紹近獨立粒子的微觀狀態(tài)數(shù)和最概然分布教學內(nèi)容：1.經(jīng)典粒子的經(jīng)典描述和量子描述2.三種系統(tǒng)微觀狀態(tài)數(shù)的表達式的推導過程3.并掌握等概率原理的基本內(nèi)容及其由概率法得到三種分布的方法4.并牢記宏觀分布與微觀狀態(tài)數(shù)的區(qū)別于聯(lián)系5.玻爾茲曼、玻色分布和費米分布的表

12、達式及其相互之間轉(zhuǎn)化的條件教學重點和難點：1.學會并掌握經(jīng)典與量子描述方法；2.理解等概率的內(nèi)容及其由概率法得到三種分布的方法；3.掌握三種分布的表達式及相互轉(zhuǎn)換之間的關系；考核要求：1.理解并掌握三種系統(tǒng)微觀狀態(tài)數(shù)的求解2.掌握玻爾茲曼、玻色分布和費米分布的表達式及其相互之間轉(zhuǎn)化教學時數(shù)：6 學時第七章 波爾茲曼統(tǒng)計本章主要介紹波爾茲曼系統(tǒng)統(tǒng)計表達式以及其應用教學內(nèi)容：1.熱力學量的統(tǒng)計表達式的推導過程2.配分函數(shù)在統(tǒng)計物理中作用及意義3.理想氣體配分函數(shù)，用配分函數(shù)推導理想氣體物態(tài)方程、速度分布律及能量均分定理，掌握相應的解題方法4.會應用理想氣體內(nèi)能和熱容量的表達式和熵的表達式解題5.固

13、體熱容量的愛因斯坦理論的內(nèi)容及其意義6.順磁性固體及負溫度狀態(tài)的簡單知識教學重點和難點：1.熱力學的統(tǒng)計表達式2.理想氣體物態(tài)方程的內(nèi)容3.固體熱容量的愛因斯坦理論的內(nèi)容及其意義4.順磁性固體、負溫度狀態(tài)的簡單知識5.并掌握配分函數(shù)在統(tǒng)計物理中作用及意義考核要求：1.掌握波爾茲曼系統(tǒng)熱力學量的統(tǒng)計表達式2.掌握麥克斯韋速度分布函數(shù)3.理解能量均分定理4.理解固體熱容量的愛因斯坦理論教學時數(shù)：8 學時第八章 玻色和費米統(tǒng)計本章主要介紹玻色和費米系統(tǒng)統(tǒng)計表達式以及相應系統(tǒng)的特性教學內(nèi)容：1.熱力學量的統(tǒng)計表達式的推導過程2.并掌握巨配分函數(shù)在統(tǒng)計物理中作用及意義3.玻色愛因斯坦凝聚現(xiàn)象和它與氣液凝

14、聚的區(qū)別4.普朗克公式以及在不同頻率區(qū)相應的兩種表示形式，了解光子氣體的能量密度5.利用平衡熱輻射過程推導熱輻射定律6.利用費米統(tǒng)計的相關特點討論自由電子氣的其它性質(zhì)教學重點和難點：1.黑體輻射，光子氣體的特性2.普朗克公式，光子氣體的能量密度3.T=0K 時金屬中自由電子氣有關熱力學量的計算4.費米能級的概念考核要點：1.掌握熱力學量的統(tǒng)計表達式的推導過程2.了解玻色愛因斯坦凝聚現(xiàn)象和它與氣液凝聚的區(qū)別3.理解光子氣體的能量密度4.掌握平衡熱輻射過程推導熱輻射定律5.了解自由電子氣的其它性質(zhì)教學時數(shù)：8 學時第九章 系綜理論本章主要介紹正則、微正則、巨正則分布在熱力學中的應用教學內(nèi)容：1.微正則分布的經(jīng)典表達式、量子表達式和半經(jīng)典表達式2.正則分布的推導過程及其物理意義和適用條件3.正則分布的熱力學公式及簡單應用教學重點和難點：1.相空間及劉維爾定理內(nèi)容2.正則分布、微正則分布、巨正則分布的區(qū)別于聯(lián)系3.三種分布在熱力學中的應用考核要求：1.掌握相空間及劉維爾定理2.理解正則分布、微正則分布、巨正則分布在熱力學中的應用教學時數(shù)：2 學時補充說明：本課程前五章介紹了熱力學