1、2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,1,給各學(xué)科大學(xué)生講授物理學(xué)課程,北京大學(xué)物理學(xué)院高崇壽 ,大學(xué)物理課程報告論壇 2005.10.22 - 24.,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,2,1. 各學(xué)科的物理學(xué)素質(zhì)教育通選課 2. 今日物理課程建設(shè) 3. 怎樣對各學(xué)科學(xué)生 講授今日物理課程,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,3,各學(xué)科的物理學(xué)素質(zhì)教育通選課。,為了深化本科教學(xué)改革，推進素質(zhì)教育，提高本科人才培養(yǎng)質(zhì)量，北京大學(xué)校決定從 2000 年 9 月開始在全校開設(shè)本科生素質(zhì)教育通選課。 通選課的目的是引導(dǎo)學(xué)生廣泛涉獵不同學(xué)科領(lǐng)域，拓寬知識面，學(xué)習(xí)不同學(xué)科的思想和方法，進一步打通專

2、業(yè)，拓寬基礎(chǔ)，強化素質(zhì)，為適應(yīng) 21 世紀對高素質(zhì)人才的需要打下基礎(chǔ)。 通選課是全校所有系科各年級的本科生都可以申請選修學(xué)習(xí)的課程。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,4,通選課課程設(shè)置遴選的原則 （1）有利于學(xué)生了解人類最基本的知識領(lǐng)域和思維方法。 （2）有利于加強學(xué)生的人文素質(zhì)、創(chuàng)新能力和基礎(chǔ)知識。 （3）有利于促進不同學(xué)科的交叉滲透。 （4）有利于培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力。 （5）有利于引導(dǎo)學(xué)生了解學(xué)科前沿和新成果、新趨勢、新信息。 （6）有利于從綜合角度掌握經(jīng)典著作的基本精神，啟迪思路。 （7）有利于學(xué)生選修著名學(xué)者的特色課。 （8）有利于學(xué)生對現(xiàn)有的一級學(xué)科有基本了解。,2020/7/

3、28,北京大學(xué)物理學(xué)院,5,通選課按學(xué)科門類劃分為五個基本領(lǐng)域: A、數(shù)學(xué)與自然科學(xué) B、社會科學(xué) C、哲學(xué)與心理學(xué) E、語言學(xué)、文學(xué)與藝術(shù) D、歷史學(xué) 各門通選課由具有豐富教學(xué)經(jīng)驗的教學(xué)骨干承擔(dān)。課程內(nèi)容重在啟發(fā)思想、傳授方法，而非講授知識細節(jié)。 因此通選課里包括理科各學(xué)科開設(shè)的包括文科和社會科學(xué)各學(xué)科各年級的本科生選修的理科課程，還包括文科和社會科學(xué)各學(xué)科開設(shè)的包括理科各學(xué)科各年級的本科生選修的文科和社會科學(xué)課程。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,6,實際上，在全校各學(xué)科普遍開設(shè)通選課之前，按照這些精神開設(shè)了物理學(xué)全校性的通選課：今日物理。學(xué)校確定今日物理每周講授 4 學(xué)時，在一學(xué)期

4、內(nèi)完成，是 4 學(xué)分的通選課。今日物理由全校各學(xué)科包括文科和社會科學(xué)各學(xué)科各年級的本科生選修，2000 年春季起每年開設(shè)。 課程編號：00434440 周 學(xué) 時：4 總 學(xué) 時：68 學(xué)分：4 課程名稱：今日物理 英文名稱：Physics Today 開課單位：物理學(xué)院 授課教師：高崇壽張酣 授課對象：全校各院系各年級本科生 先修課程：無 所屬領(lǐng)域：A（數(shù)學(xué)與自然科學(xué)）,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,7,2. 今日物理課程建設(shè),物理學(xué)是在人類探索自然的奧秘中形成的學(xué)科，物理學(xué)研究宇宙間物質(zhì)存在的基本形式，物質(zhì)的性質(zhì)、物質(zhì)的運動規(guī)律、物質(zhì)之間如何相互作用、相互轉(zhuǎn)化以及各種物質(zhì)形態(tài)內(nèi)部結(jié)

5、構(gòu)的基本規(guī)律。 物質(zhì)世界是有層次的，反映物質(zhì)世界的物理學(xué)規(guī)律也是有層次的。 每一層次的物理都植根于更深層次的物理學(xué)，同時每個層次的物理都是在真實的意義上不可窮盡的。 20 世紀以來近代物理學(xué)的發(fā)展顯示：人類在探索自然奧秘的物理學(xué)研究中，有三個重要的基本問題領(lǐng)域。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,8,一個重要的問題是探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、相互作用和運動的基本規(guī)律； 第二個重要的基本問題是探索在宇觀大范圍內(nèi)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用和運動的基本規(guī)律； 第三個重要的基本問題是探索宏觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)相互作用和運動的基本規(guī)律。 這三個領(lǐng)域方面的發(fā)展構(gòu)成了近代物理學(xué)的整體。 物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)；物理學(xué)是現(xiàn)

6、代高、新技術(shù)的基礎(chǔ)。 物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動基本規(guī)律的前沿學(xué)科。物理學(xué)每一次在探索未知的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動基本規(guī)律的重大突破都帶來物理學(xué)新領(lǐng)域、新方向的發(fā)展，以至新分支學(xué)科、交叉學(xué)科和新技術(shù)學(xué)科的產(chǎn)生。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,9,物理學(xué)的發(fā)展是許多新興學(xué)科、交叉學(xué)科和新技術(shù)學(xué)科產(chǎn)生、成長和發(fā)展的基礎(chǔ)和前導(dǎo)。隨著科學(xué)的發(fā)展，近代物理學(xué)中不斷地生長和發(fā)展出新的分支學(xué)科。 近幾十年來，物理學(xué)的各分支學(xué)科有著突飛猛進的迅速發(fā)展，對物理現(xiàn)象和物理學(xué)規(guī)律的探索研究不斷取得新的進展，豐富了人們對物質(zhì)世界物理運動基本規(guī)律的認識和掌握，促進了許多和物理學(xué)緊密相關(guān)的交叉學(xué)科和技術(shù)

7、學(xué)科的發(fā)展。 二十世紀已經(jīng)過去。在二十世紀初期，物理學(xué)經(jīng)歷了一場偉大的革命。這場革命推動的整個自然科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)的偉大變革，以及這些變革對人類社會的巨大影響，將作為這個世紀的一個重要標(biāo)志而載入史冊。物理學(xué)的這段革命發(fā)展，大大深化了人們對物質(zhì)世界的結(jié)構(gòu)及其運動的規(guī)律性的認識，提供了新興的高新科學(xué)技術(shù)部門的產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ)。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,10,作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)，作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動的基本規(guī)律的物理學(xué)，總是生機勃勃，不斷地開辟自己前進的道路的。十九世紀末的物理學(xué)家看到了“遮蓋在熱和光的動力理論上的十九世紀烏云”， 進入比原子更深層次的物質(zhì)運動規(guī)律的探索，迎來了近代物理學(xué)

8、的飛躍發(fā)展。二十世紀末的物理學(xué)家們已經(jīng)探索各種可能顯示新物理線索的“二十世紀烏云”，二十一世紀初將在近代物理學(xué)的飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上迎來物理學(xué)的新的蓬勃發(fā)展。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,11,物理學(xué)是一個有長期發(fā)展的學(xué)科，有豐富的內(nèi)容，是人類對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動基本規(guī)律認識的寶貴財富。給各個學(xué)科的大學(xué)生講授的物理學(xué)課程應(yīng)該對于物理學(xué)的豐富內(nèi)容系統(tǒng)、完整地概括，盡可能地全面地介紹。 “今日物理”課程將盡可能系統(tǒng)地、完整地、準確地講解經(jīng)典物理學(xué)與近代物理學(xué)的主要進展和成就。包括基本知識、基本概念、基本規(guī)律、基本方法。同時又注入科技發(fā)展的新觀點和方法，介紹物理學(xué)的現(xiàn)代發(fā)展，使學(xué)生既能掌握物理學(xué)

9、的基礎(chǔ)知識，又能了解物理學(xué)科的前沿課題和研究動向，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,12,“今日物理”是一門物理課程，課程的內(nèi)容是物理學(xué)本身的全面講授，并且主要是 20 世紀以來近代物理學(xué)的飛速發(fā)展。因此課程的內(nèi)容應(yīng)該涉及物理學(xué)從經(jīng)典物理學(xué)到近代物理學(xué)的發(fā)展、覆蓋 20 世紀以來近代物理學(xué)在探索自然奧秘的微觀、宇觀、宏觀這三個重要的物理學(xué)基本問題領(lǐng)域的發(fā)展。同時又能充分銜接上現(xiàn)代各種高新技術(shù)發(fā)展的近代物理學(xué)基礎(chǔ)。 課程的講授盡量少用高深的數(shù)學(xué)，使不同學(xué)科的學(xué)生都能從這門課的學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)到清楚準確的物理學(xué)知識，培養(yǎng)和提高物理學(xué)的科學(xué)素養(yǎng)。,2020/7/28,北京大學(xué)物理

10、學(xué)院,13,“今日物理”課程的內(nèi)容共分 10 章，目錄如下： 1. 物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ) 2. 經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展與科學(xué)大廈的建立 3. 二十世紀初物理學(xué)的革命 4. 原子分子世界 5. 原子核、核能與核技術(shù) 6. 粒子世界 7. 航天與宇航中的物理 8. 波動、通訊技術(shù)的物理基礎(chǔ) 9. 凝聚態(tài)物理、材料物理和介觀物理 10. 宇宙的結(jié)構(gòu)和演化,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,14,今日物理教材（高崇壽、謝柏青編著）按計劃已經(jīng)于 2004 年 8 月內(nèi)由高等教育出版社正式出版。2005 年 8 月是第 3 次印刷。這本書既是 面向 21 世紀課程教材，又是普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教

11、材。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,15,給各學(xué)科的學(xué)生講授物理學(xué)課程時遇到兩個方面的問題：首先是課程的內(nèi)容如何取舍、安排和組織，能夠達到這門課程的基本要求；再一個是面對各個學(xué)科的學(xué)生，如何要不運用太多的數(shù)學(xué)工具能對物理知識和規(guī)律做清楚、準確的講授。 針對這兩個方面的問題，對于怎么講授好今日物理課程，有四個意見和建議。,3. 怎樣對各學(xué)科學(xué)生講授今日物理課程,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,16,1. 物理學(xué)是一個整體，今日物理課程要系統(tǒng)地、完整地介紹和講解近代物理學(xué)的主要發(fā)展。近代物理學(xué)的發(fā)展覆蓋了微觀、宏觀、宇觀這三個領(lǐng)域方面。今日物理課程的前三章是從經(jīng)典物理學(xué)到近代物理學(xué)發(fā)

12、展的總論，接下來三章是微觀領(lǐng)域物理的發(fā)展，再三章是宏觀領(lǐng)域物理的發(fā)展，最后一章是宇觀領(lǐng)域物理的發(fā)展。確實系統(tǒng)地、全面地、完整地介紹和講解近代物理學(xué)的主要發(fā)展，因此可以按今日物理教材的內(nèi)容來組織講授課程。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,17,2. 講授物理課程要突出物理的講解。在今日物理課程教材中有些部分牽涉到有一些數(shù)學(xué)公式，如果不是特別重要，在課堂講授時可以不具體講，有興趣的學(xué)生可以閱讀。如果有些公式確實很重要，需要在課堂上講時，不要講公式的具體推導(dǎo)，要著重講解和準確地說明這公式反映的物理規(guī)律的內(nèi)容。 例如在講狹義相對論時，要講到重要的質(zhì)量和能量聯(lián)系的公式：E = m c2 。這時就要

13、準確地講清這個公式的含義：任何一個質(zhì)量為 m 的物體，必具有 m c2 的內(nèi)能。這樣就能使學(xué)生不會誤認為這是“質(zhì)量和能量互相轉(zhuǎn)換的公式”，甚至錯誤地認為“質(zhì)量轉(zhuǎn)換成能量，質(zhì)量就消失”了。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,18,例如在講氫原子光譜和氫原子結(jié)構(gòu)的玻爾模型時，要講到玻爾模型給出的氫原子能級的公式，并不需要詳細講解公式的推導(dǎo)，要著重講公式的物理含義：公式中出現(xiàn)物理量都是物理上已知的完全確定的量，其中包括普朗克新引進的普朗克常量，因此玻爾模型給出的氫原子能級是完全確定的；由此定出氫原子的線光譜的頻率是完全確定的；這結(jié)果和實驗中確立的巴耳末線系完全符合；這就使氫原子的玻爾模型理論得到

14、確立，是人們認識原子世界的重大的一步，是一個里程碑。 例如在講電磁波的多普勒效應(yīng)時，直接給出電磁波的多普勒效應(yīng)的普遍公式，然后著重講公式的物理含義，特別講這是天文學(xué)中通過星系光譜的紅移來推測星系后退速度的物理依據(jù)。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,19,3. 物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代高新技術(shù)的基礎(chǔ)。但是不是說自然科學(xué)就是物理學(xué)，現(xiàn)代高新技術(shù)就是物理學(xué)。因此不能把物理學(xué)簡單開設(shè)成“物理學(xué)在某某學(xué)科中的應(yīng)用”，“現(xiàn)代高新技術(shù)中的物理學(xué)”。講授物理課程要突出物理規(guī)律本身的講解，才能夠反映近代物理學(xué)的“基礎(chǔ)”作用。 例如在講授超導(dǎo)物理的基本規(guī)律時，就為了解超導(dǎo)技術(shù)準備了基礎(chǔ)。特別是講解了高

15、臨界溫度超導(dǎo)體之后，就為了解近年來蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代“高溫”超導(dǎo)技術(shù)準備了條件。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,20,例如在講授固體的磁性時，概括而清楚地介紹講解了固體的六類磁性，這就為了解信息記錄技術(shù)中當(dāng)前最重要的磁記錄技術(shù)準備了條件。 例如在講授原子核反應(yīng)的規(guī)律時，就給出了原子核能利用的多個方面的可能性和基礎(chǔ)，包括核裂變反應(yīng)堆、核電站的建造和可控制核聚變反應(yīng)的應(yīng)用。 例如講解了受激發(fā)射的機理、激光原理和實現(xiàn)為進一步了解現(xiàn)代激光技術(shù)在多個方面的應(yīng)用和發(fā)展準備了條件。 例如粒子物理學(xué)中正反粒子湮滅現(xiàn)象和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，促進了關(guān)于實現(xiàn)光子火箭的探索研究。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,2

16、1,4. 什么是物理學(xué)所需的科學(xué)素質(zhì)，它不僅表現(xiàn)在掌握豐富的物理學(xué)知識，更重要的是探索研究的意識、能力和水平；塌實、嚴謹、尊重科學(xué)、勇于創(chuàng)新的學(xué)風(fēng)。 物理學(xué)發(fā)展的歷史充滿了不斷地探索、研究、創(chuàng)新。物理學(xué)科學(xué)工作的優(yōu)勢探索、研究、創(chuàng)新。 在今日物理課程講授中也盡可能地體現(xiàn)這個探索、研究、創(chuàng)新精神。 可以通過講解物理學(xué)發(fā)展中的具體實例來體現(xiàn)這方面。,2020/7/28,北京大學(xué)物理學(xué)院,22,例如講授原子的有核模型時，就要講物理學(xué)的普遍研究已經(jīng)知道：當(dāng)兩個物體碰撞時，如果被碰的物體的質(zhì)量比碰撞的物體小，則碰撞后碰撞物體還會保持一定的向前的勢頭，即散射角不會超過 90 。 由于實驗中觀察到 a 粒子束透過金屬薄膜后在各方向上散射分布的情況中有少數(shù)散射角大到 150 的 a 粒子。 盧瑟福提出原子的有核模型：原子的中心部分是一個半徑大約是 10 14 m 的核，原子的全部正電荷和絕大部分質(zhì)量都集中在核上。電子分布在核外半徑約為 10