高中物理知识体系总览

这张图是整个高中物理的“骨架”，你可以把它想象成一棵大树的树干,后续的每个分支都是从这个主干上生长出来的。

• 主干：物理学
  • 两大基石：
    • 经典力学: 研究物体低速（远小于光速）机械运动规律的学科。
    • 电磁学: 研究电荷、电场、磁场之间相互作用及规律的学科。
  • 两大支柱：
    • 热学: 研究热现象、物质热运动及规律（分子动理论）的学科。
    • 近代物理: 研究高速（接近光速）和微观世界（原子、原子核）的物理学革命。
  • 一根主线： 能量守恒定律 贯穿始终,是联系各个物理领域的核心思想。

第一部分：必修一 & 必修二 (经典力学)

这是高中物理的基础,也是最重要的部分。

运动学

• 核心任务： 描述物体的运动,不涉及原因。
• 关键概念：
  • 参考系: 描述物体运动时选作标准的物体。
  • 质点: 忽略物体的大小和形状,用一个有质量的点来代替。
  • 时间与时刻: 时间是过程量,时刻是状态量。
  • 位移与路程: 位移是矢量（有方向），路程是标量（无方向）。
• 两大运动模型：
  • 匀变速直线运动:
    • 定义: 加速度恒定的直线运动。
    • 核心公式:
      • v = v₀ + at
      • x = v₀t + ½at²
      • v² - v₀² = 2ax
      • x = (v₀ + v)t / 2 (平均速度公式)
    • 特例：自由落体运动 (a=g)`
  • 曲线运动:
    • 处理方法： 化曲为直,分解为两个互相垂直的直线运动。
    • 平抛运动:
      • 水平方向： 匀速直线运动 (a_x=0, v_x = v₀)
      • 竖直方向： 自由落体运动 (a_y=g, v_y = gt)
      • 轨迹： 抛物线
    • 匀速圆周运动:
      • 定义: 线速度大小不变,方向时刻改变的曲线运动。
      • 物理量:
        • 线速度 v：描述运动快慢。
        • 角速度 ：描述转动快慢。
        • 周期 T、频率 f：T=1/f
        • 向心加速度 a：a = v²/r = ω²r (方向始终指向圆心)
        • 向心力 F：F = ma = mv²/r (效果力,方向指向圆心)

动力学

• 核心任务： 研究运动和力的关系。
• 三大定律：
  • 牛顿第一定律 (惯性定律):
    • 内容：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。
    • 意义：定义了“力”和“惯性”。
  • 牛顿第二定律 (核心定律):
    • 内容：物体的加速度与所受合外力成正比，与质量成反比,方向与合外力方向相同。
    • 公式：F_合 = ma
    • 意义：定量揭示了力与运动的关系。
  • 牛顿第三定律 (作用力与反作用力定律):
    • 内容：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。
    • 特点：同种性质、同时产生、同时消失、作用在不同物体上。
• 关键应用：
  • 共点力平衡:
    • 条件：F_合 = 0 (或 ΣFx=0, ΣFy=0)
  • 超重与失重:
    • 本质： 物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）不等于其重力。
    • 超重: a 向上，N = G + ma
    • 失重: a 向下，N = G - ma
    • 完全失重: a = g 向下，N = 0

功和能

• 核心思想： 能量观点是解决物理问题的最高效方法之一。
• 核心概念：
  • 功: W = F·l·cosα (力与位移在力的方向上的投影的乘积)
  • 功率: P = W/t = F·v·cosα (单位时间内做的功)
  • 动能: E_k = ½mv²
  • 重力势能: E_p = mgh (相对参考平面)
  • 弹性势能: 与形变量有关。
• 两大守恒定律：
  • 动能定理:
    • 内容：合外力对物体做的功等于物体动能的变化量。
    • 公式：W_合 = ΔE_k = E_k末 - E_k初
  • 机械能守恒定律:
    • 条件： 只有重力或系统内的弹力做功。
    • 在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和势能可以相互转化,而总的机械能保持不变。
    • 公式：E_k初 + E_p初 = E_k末 + E_p末 或 ΔE_k = -ΔE_p

曲线运动与万有引力

• 核心联系： 行星的椭圆运动是万有引力作用下的匀速圆周运动。
• 万有引力定律:
  • 内容：宇宙间的一切物体都是相互吸引的，两个物体间的引力大小与它们的质量乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。
  • 公式：F = G·(m₁m₂)/r²
• 天体运动:
  • 向心力来源： 万有引力。
  • 基本公式： G·(Mm)/r² = m·(v²)/r = m·ω²·r = m·(4π²/T²)·r
  • 三个宇宙速度:
    • 第一宇宙速度 (环绕速度): v₁ = 7.9 km/s (近地卫星速度)
    • 第二宇宙速度 (脱离速度): v₂ = 11.2 km/s
    • 第三宇宙速度 (逃逸速度): v₃ = 16.7 km/s

第二部分：选修系列 (选择性学习)

机械振动与机械波

• 机械振动:
  • 定义: 物体在某一中心位置两侧所做的往复运动。
  • 简谐运动: 最简单的振动，如弹簧振子、单摆。
    • 回复力: F = -kx (与位移成正比,方向相反)
    • 周期: T = 2π√(m/k) (弹簧振子), T = 2π√(l/g) (单摆,小角度)
• 机械波:
  • 定义: 机械振动在介质中的传播。
  • 产生条件: 振源和介质。
  • 分类:
    • 横波: 质点振动方向与波传播方向垂直 (如绳波)。
    • 纵波: 质点振动方向与波传播方向在同一直线上 (如声波)。
  • 物理量:
    • 波长 (λ): 两个相邻的、在振动中位移总是相等的质点间的距离。
    • 频率 (f): 波源的频率。
    • **波速 (v):`v = λf = λ/T
  • 现象: 干涉、衍射 (波特有的现象)。

热学

• 分子动理论:
  • 物质由大量分子组成。
  • 分子永不停息地做无规则运动 (扩散、布朗运动)。
  • 分子间存在相互作用力 (引力和斥力)。
• 内能:
  • 定义: 物体内所有分子的动能和分子势能的总和。
  • 改变方式: 做功和热传递。
• 热力学定律:
  • 热力学第一定律 (能量守恒): ΔU = Q + W
    • ΔU: 内能变化
    • Q: 系统与外界的热量交换 (吸热为正)
    • W: 外界对系统做的功 (为正)
  • 热力学第二定律 (方向性):
    • 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
    • 开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功,而不产生其他影响。
  • 能量耗散: 自然界中的能量虽然总量守恒,但可利用的品质在降低。

静电场

• 电荷与电荷守恒定律:
  • 自然界只存在两种电荷：正电荷和负电荷。
  • 电荷既不能创造，也不能消灭，只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分。
• 库仑定律:
  • 内容：真空中两个点电荷之间的相互作用力与它们的电荷量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。
  • 公式：F = k·(q₁q₂)/r²
• 电场:
  • 定义: 存在于电荷周围的一种特殊物质。
  • 电场强度: E = F/q (定义式), E = k·(Q/r²) (点电荷场强)
  • 电场线: 形象描述电场，起于正电荷，终于负电荷,不相交。
• 电势能与电势:
  • 电势能: 电荷在电场中具有的势能。
  • 电势: φ = E_p/q (单位正电荷在该点具有的电势能)
  • 电势差 (电压): U_AB = φ_A - φ_B
• 电容:
  • 定义: 电容器所带电荷量与两极板间电势差的比值。
  • 公式：C = Q/U
  • 平行板电容器电容: C = εS/(4πkd)

恒定电流

• 核心概念:
  • 电流: I = q/t
  • 电阻: R = U/I (定义式), R = ρl/S (决定式)
  • 欧姆定律: I = U/R (适用于金属导体和电解液)
• 串并联电路:
  • 串联: I_总 = I_分, U_总 = U_1 + U_2 + ..., R_总 = R_1 + R_2 + ...
  • 并联: I_总 = I_1 + I_2 + ..., U_总 = U_分, 1/R_总 = 1/R_1 + 1/R_2 + ...
• 电功与电功率:
  • 电功: W = UIt
  • 电功率: P = UI
  • 焦耳定律: Q = I²Rt (计算电热)
• 测量仪器:
  • 电流表: 串联,内阻小。
  • 电压表: 并联,内阻大。
  • 多用电表: 测量电压、电流、电阻等。

磁场

• 基本概念:
  • 磁感线: 形象描述磁场，闭合曲线,切线方向为磁场方向。
  • 磁感应强度: B = F/(IL) (定义式,垂直时)
• 电流的磁效应:
  • 安培定则: 判断电流的磁场方向。
• 磁场对电流的作用:
  • 安培力: F = BILsinθ (θ为B与I的夹角)
  • 左手定则: 判断安培力方向。
• 磁场对运动电荷的作用:
  • 洛伦兹力: f = qvBsinθ (θ为v与B的夹角)
  • 左手定则: 判断洛伦兹力方向 (注意四指指向正电荷运动方向)。
  • 应用: 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，qvB = mv²/r，r = mv/(qB)

电磁感应

• 核心思想: 磁生电。
• 感应电流产生的条件: 穿过闭合电路的磁通量发生变化。
• 楞次定律:
  • 内容：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
  • 应用步骤: (1)原磁场方向 (2)磁通量变化 (3)感应磁场方向 (4)感应电流方向 (安培定则)。
• 法拉第电磁感应定律:
  • 内容：感应电动势的大小与穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。
  • 公式：E = n·(ΔΦ/Δt)
  • 特例：导体切割磁感线 E = BLv (B, L, v两两垂直)
• 自感现象:
  • 定义：导体本身的电流发生变化时,在自身中产生电磁感应现象。
  • 应用：日光灯的镇流器、扼流圈。

模块十一：交变电流 & 传感器

• 交变电流:
  • 产生: 线圈在匀强磁场中匀速转动。
  • 瞬时值: e = E_m·sin(ωt), u = U_m·sin(ωt), i = I_m·sin(ωt)
  • 有效值: E = E_m/√2, U = U_m/√2, I = I_m/√2 (计算电功、电功率用)
  • 周期、频率、角速度: T = 1/f, ω = 2πf = 2π/T
• 变压器:
  • 原理: 电磁感应。
  • 理想变压器公式: U₁/U₂ = n₁/n₂, I₁/I₂ = n₂/n₁ (只有一个副线圈时), P_入 = P_出
• 远距离输电: 关键是减小输电线上的能量损失 (P_损 = I²R_线),采用高压输电。
• 传感器: 将非电学量（如力、位移、温度、光、声）转换为电学量的元件。

模块十二：近代物理初步

• 相对论简介:
  • 狭义相对论的两个基本假设:
    1. 相对性原理：物理规律在所有惯性参考系中都是相同的。
    2. 光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。
  • 质能方程: E = mc² (质量可以转化为巨大的能量)
• 量子论初步:
  • 黑体辐射: 能量子假说 (普朗克)
  • 光电效应: 光子说 (爱因斯坦) E = hν, E_k = hν - W₀
  • 波粒二象性: 光既具有波动性，又具有粒子性，实物粒子（如电子）也具有波动性。

如何使用这份思维导图

1. 构建框架： 先看总览,对高中物理有个整体的认识。
2. 逐个击破： 从必修一开始，一个模块一个模块地深入理解，每个模块的“核心任务”是你学习的方向。
3. 联系公式： 对于每个物理量，不仅要记住公式，更要理解它的物理意义、定义式、决定式以及适用范围。
4. 对比记忆： 将容易混淆的概念放在一起对比，如：位移 vs 路程、速度 vs 速率、功 vs 能、电势 vs 电势能等。
5. 专题整合： 在学完多个模块后，尝试用“能量观点”或“力与运动”的观点去重新审视问题,你会发现很多难题都可以迎刃而解。
6. 查漏补缺： 在做题或复习时，遇到模糊的知识点，回到这张思维导图上定位,回顾相关概念和公式。

希望这份详尽的思维导图能成为你高中物理学习路上的得力助手！