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物理知识
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一、力与运动
牛顿第一定律(惯性定律)
一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。第一定律表明物体具有惯性。
惯性的应用
- 汽车行驶时突然刹车时乘客的身体会向前倾
- 在太空中，宇航员能够离开航天飞机在太空行走而不被甩掉
牛顿第二定律
物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比、跟它的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。
牛顿第三定律
两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。
应用：火箭能升空是因为它喷出的气体对火箭产生反作用力。
摩擦力
增大摩擦力的方法
- 增大接触面的粗糙程度
- 增大压力等
例子：菜刀柄、锅铲柄、电水壶把手有凸凹花纹，使接触面粗糙，增大摩擦。
减小摩擦力的方法
- 物体与接触面光滑
- 变滑动为滚动等
例子：菜刀的刀刃有油，为的是在切菜时，使接触面光滑，减小摩擦。
摩擦力的应用
- 没有摩擦力的话，鞋带无法系紧
- 螺丝钉和钉子无法固定物体
- 人将不能行走
杠杆
- 原理：动力×动力臂=阻力×阻力臂
- 支点：杠杆在运动过程中固定不动的点
- 动力点：力作用在杠杆上的点
- 阻力点：阻力作用在杠杆上的点
- 动力臂：从支点到动力点的距离
- 阻力臂：从支点到阻力点的距离
杠杆分类
省力杠杆：动力臂大于阻力臂
例子：撬棍，扳手，钳子，拔钉器，开瓶器，钢丝钳，指甲剪、手推汽车方向盘等费力杠杆：动力臂小于阻力臂
例子：人的手臂，镊子，汤勺，铁闸门，起重机，鱼竿，缝纫机脚踏板，划桨，理发师用的剪刀，扫帚，筷子，晾衣杆等等臂杠杆：动力臂等于阻力臂
例子：天平，跷跷板，定滑轮(改变力的方向)等
杠杆原理提出
- 战国时代的墨子最早提到了杠杆原理，在《墨子·经下》中说“衡而必正，说在得”：“衡，加重于其一旁，必捶，权重不相若也，相衡，则本短标长，两加焉，重相若，则标必下，标得权也”
- 阿基米德在《论平面图形的平衡》一书中提出了杠杆原理
万有引力定律
任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。
验证：19世纪中叶，通过计算发现海王星是牛顿万有引力定律的有力证明，被称为“笔尖上的发现”。
超重与失重
超重：是加速度向上的运动，限制力(弹力、拉力或支持力)大于物体所受重力的现象。
例子：电梯加速上升失重：是加速度向下的运动，限制力(弹力、拉力或支持力)小于物体所受重力的现象。
例子：自由落体运动、电梯快速下降、在太空中，所有物体都处于失重状态
生活中的力学原理
- 火车轨道转弯处外轨略高于内轨，可以给火车提供一个指向内部的向心力，防止火车脱轨，也避免外轨在外侧车轮的挤压下发生形变
- 铁路桥禁止行人通行的主要原因是高速行驶的火车扰动空气，气流改变造成向内的吸力，有将附近物体卷入的危险
二、光学现象
光的本质
- 光是一种电磁波，由光子组成，具有波粒二象性，即同时具有粒子性与波动性
光速
- 指光波的传播速度。真空中的光速是目前所发现的自然界物体运动的最大速度
- 光的传播不需要任何介质，光可以在真空、空气、水等透明的介质传播
- 光在介质中传播的速度小于在真空中传播的速度
光年
是长度单位，一光年指光在宇宙真空中沿直线传播一年时间所经过的距离
可见光
可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，电磁波按照波长递减的顺序分别为：红橙黄绿青蓝紫
不可见光
不可见光是个比较笼统的概念，是指除可见光外其他所有人眼所不能感知的波长的电磁波。
红外线
应用：红外探测器(感应门、电梯、遥控器等)、热成像仪紫外线
- 自然界的主要紫外线光源是太阳，太阳光透过大气层时，紫外线被大气层中的臭氧吸收
- 应用：杀菌、验钞、促进人体合成维生素D
光的直线传播
光在同种均匀介质中沿直线传播。
应用：手电筒的光、影子的形成、小孔成像、日食、月食、激光准直
光的反射
光的反射是指光在两种物质分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象。
镜面反射
- 平面镜反射：照镜子，水中倒影，潜望镜
- 球面镜反射：
- 凸面镜：作用是对光线起发散作用，案例：机动车后视镜、反光镜
- 凹面镜：作用是对光线起汇聚作用，案例：太阳灶
漫反射 漫反射是在凹凸不平的物体表面四处反射光线。
- 由于光在物体表面发生漫反射，所以我们可以从不同角度看到本身不发光的物体（如电影银幕、教室黑板）
- 由于漫反射的光在眼内成像，所以我们能看清物体全貌
光的折射
指光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折。
光的折射现象
- 插入水中的筷子变“折”了
- 从岸上看水池的水“变浅”
- 在水中的人看岸上的树“变高”
- 海市蜃楼：常在海上、沙漠中产生，是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像
透镜 是用透明物质(一般是玻璃)制成的表面为球面的一部分的光学元件。
- 凸透镜：应用于照相机、投影仪、放大镜、远视的矫治
- 凹透镜：应用于近视的矫治
散射
光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。
应用：晴天时天空是蓝色的、雾天时光线变得朦胧、丁达尔现象
三、电磁学
电磁理论
- 1831年，英国物理学家法拉第发现，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流。法拉第将这种现象叫电磁感应现象
- 1864年，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并预言光是一种电磁波
- 1888年，赫兹发现了电磁波
- 麦克斯韦的电磁理论成为描述电磁运动的基本理论，被称为自然科学的第三次理论大综合
电压(U)
- 单位是伏特(V)
- 目前我国常用的家庭电压标准为220V
- 人体的安全电压是36伏，安全电流为10mA
为什么鸟站在高压线上安全?
这些鸟只站在一根电线上，鸟两脚间的跨步电压微弱。
电流(I)
电流指处于电场内的电荷在电场力的作用下，发生的定向移动。
单位是安培(A)
电阻(R)
物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。
单位是欧姆(Ω)
电功率(P)
电流在单位时间内做的功叫做电功率，是用来表示消耗电能的快慢的物理量。
单位是瓦特(W)
四、热力学
物态变化
凝华：是物质跳过液态直接从气态变为固态的现象。凝华过程物质要向外界放热。
例子：自然界中霜的形成升华：指固态物质不经液态直接变为气态的现象。升华过程物质要从外界吸热。
例子：生活中常见的樟脑丸的越来越小、灯泡用的时间长了会变黑(钨丝升华)液化：指物质由气态转变为液态的过程，会对外界放热。
例子：自然界中雾和露的形成、夏天从冰箱里拿出冰激凌冒着“白气”、夏天快下雨前自来水管“出汗”、冬天人们口中呼出的“白气”汽化：是指物质从液态变为气态的相变过程。蒸发和沸腾是物质汽化的两种形式。汽化过程物质要从外界吸热。
例子：加油站不让使用手机就是因为汽油容易汽化，容易发生爆炸熔化：固态变液态，吸热。
例子：冰、松香、石蜡玻璃、沥青等凝固：液态变固态，放热。
例子：结冰等
热力学定律
热力学第一定律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。能量守恒定律属于热力学第一定律。
热力学第二定律(熵增加原理)：
- 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体
- 微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
热力学第三定律：不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度(-273.15℃)。绝对零度不可能达到，但可以无限接近。
热传递方式
热传导：在无相对位移的情况下，物体内部具有不同温度、或者不同温度的物体直接接触时所发生的热能传递现象，是热能从高温向低温部分转移的过程。
例子：金属可以做热交换器材料；传导性能不好的如石棉，可以做热绝缘材料热对流：又称对流传热，是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。
例子：烧开水时的水循环、暖气片加热房间的空气流动以及空调制冷时的冷热空气交换热辐射：热辐射是一种用电磁辐射的形式向外发散热量的传热方式。它的进行不需要介质，不依赖任何外界条件，是在真空中最为有效的传热方式。
例子：太阳辐射（太阳发出的热能使地球变暖）、火炉散热（火炉通过红外线辐射加热周围环境）、人体散热（人体皮肤散发的热辐射）
分子运动论
- 一切物体都是由大量分子构成的，分子之间有空隙。
例子：食盐能溶于水中、气体极易被压缩、酒精与水混合总体积变小 - 分子处于不停息地，无规则运动状态，这种运动称为热运动。温度越高，分子无规则运动越剧烈，扩散现象就是分子的无规则运动引起的。
例子：墙内开花墙外香 - 分子间存在着相互作用着的引力和斥力。
例子：固体和液体很难被压缩，固体不易拉断
热胀冷缩
- 夏天路面会受热膨胀，使得路面向上拱起，因此水泥混凝土路面每隔一段距离都有空隙留着
- 传统的玻璃式体温计是利用汞(水银)的热胀冷缩来测量体温
- 架设电线时若把线绷得太紧，到冬天电线受冷时，就会缩短断裂。因此一般夏天架设电线时电线都要略有下垂
- 煮熟后滚烫的鸡蛋在冷水中浸泡后更易剥壳，是利用了蛋壳与蛋白遇冷收缩程度不同的原理
五、声音传播与特性
声音的传播
- 声音是由物体振动产生的声波，其传播需要介质
- 在真空中，声音不能传播
- 常温下，声音在不同的介质中传播的速度不同，通常固体>液体>气体
声音的特性
- 不同的人声和不同的声响都能区分为不同的音色
- 音调的高低取决于发声体振动的频率
- 弦乐器在演奏之前，需要调整琴弦的松紧程度，以校准琴声的音调
- 响度的大小取决于发声体振动的振幅
- 音色、音调、响度是声音的三个特性
| 特性 | 描述 | 影响因素 |
|---|---|---|
| 音调 | 声音的高低 | 物体振动的频率越大，音调就越高，频率越小，音调就越低 |
| 响度 | 声音的强弱 | 振幅越大，响度越大；振幅越小，响度越小 |
| 音色 | 不同发声体发出的声音 | 即使音调和响度相同，仍能够分辨它们 |
超声波
超声波是一种频率高于 20kHz 的声波。
应用：可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒，B超机等。
例子：海豚是用超声波进行交流的。
次声波
次声波是频率小于 20Hz的声波，容易和人体器官产生共振，对人体有很强的伤害性，危险时可致人死亡。
六、压力与压强
（一）固体压力与压强
- 公式：（F=压力，S=接触面积）
- 改变压强大小方法：
- 减小压力或增大受力面积，可以减小压强
- 增大压力或减小受力面积，可以增大压强
（二）浮力
- 浮力公式：（压强的大小仅取决于液体的密度ρ和深度h，而与液体的质量、体积等因素无关。）
应用：潜水艇
七、现代物理
相对论
相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。
- 爱因斯坦的相对论揭示了时间、空间与物质运动的不可分性，是核武器发明的理论基础
- 广义相对论的验证——黑洞：1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，则该质点周围会存在一个界面——“视界”，一旦进入这个界面，即使是光也无法逃脱。这种天体被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”
量子力学
20世纪初，普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔、泡利、德布罗意、玻恩、费米、狄拉克、爱因斯坦、康普顿等一大批物理学家共同创立了量子力学。
- 量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学
- 它的产生起源于对黑体辐射的研究，其产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃