高中物理知识体系全景思维导图

核心思想： 物理学是研究物质、能量、空间和时间以及它们之间相互作用的自然科学，高中物理的核心是力学，它为理解其他所有物理现象（如热、电、光、原子）提供了基础模型和工具。

力学

力学是高中物理的基石，占比最大，也最能体现物理思想。

运动的描述

• 核心概念： 参考系、质点、时间与时刻、位移与路程
• 物理量：
  • 速度 (v): 描述运动快慢和方向。v = Δx / Δt
    • 平均速度: 粗略描述。
    • 瞬时速度: 精确描述,某时刻的速度。
  • 加速度 (a): 描述速度变化的快慢和方向。a = Δv / Δt
    • 矢量性： 与速度变化量 Δv 方向相同。
    • 匀变速直线运动： 加速度恒定。
• 图像法：
  • x-t 图像： 斜率代表速度,截距代表初始位置。
  • v-t 图像： 斜率代表加速度，面积代表位移,截距代表初速度。

匀变速直线运动的研究

• 核心公式：
  1. v = v₀ + at
  2. x = v₀t + ½at²
  3. v² - v₀² = 2ax
  4. x = (v₀ + v)t / 2 (仅适用于匀变速)
• 重要推论：
  • 连续相等时间内的位移差：Δx = aT²
  • 中间时刻速度：v_中 = (v₀ + v) / 2
  • 中间位置速度：v_位 = √((v₀² + v²) / 2)
• 自由落体运动： 初速度为零，加速度为 g (约 9.8 m/s²) 的匀加速直线运动。
• 竖直上抛运动： 可分为上升（匀减速）和下降（匀加速）两个过程，或全程用匀变速公式处理（注意 a = -g）。

相互作用

• 三种基本力：
  • 重力：
    • 来源：地球吸引。
    • 大小：G = mg (g 与纬度、高度有关)。
    • 方向：竖直向下。
    • 作用点：重心。
  • 弹力：
    • 来源：物体弹性形变。
    • 大小：胡克定律 F = kx (弹簧弹力)。
    • 方向：与形变方向相反,恢复原状。
    • 类型：支持力、压力、绳的拉力等。
  • 摩擦力：
    • 静摩擦力：
      • 大小：0 ≤ f_s ≤ f_{smax},根据平衡条件或牛顿第二定律求解。
      • 方向：与相对运动趋势方向相反。
    • 滑动摩擦力：
      • 大小：f_k = μN (μ 为动摩擦因数，N 为正压力)。
      • 方向：与相对运动方向相反。
• 力的合成与分解：
  • 平行四边形定则 / 三角形定则： 矢量运算法则。
  • 正交分解法： 将力分解到相互垂直的两个方向上,简化计算。
  • 共点力平衡： 合力为零 (F_合 = 0)，推论：任意两个力的合力与第三个力等大反向。

牛顿运动定律

• 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,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。
  • 惯性：物体保持原有运动状态的性质,质量是惯性大小的唯一量度。
• 牛顿第二定律（核心定律）：
  • 内容：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。
  • 公式：F_合 = ma
  • 关键点：
    • 瞬时性：a 与 F_合 同时产生,同时消失。
    • 矢量性：a 的方向与 F_合 的方向一致。
    • 同体性：F_合、m、a 对应于同一物体。
• 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。
  • 与平衡力的区别： 作用对象不同，性质可能不同，效果不同,同时产生同时消失。
• 牛顿定律的应用：
  • 两类基本问题：
    1. 已知受力情况，求运动情况 (F_合 → a → v, x)。
    2. 已知运动情况，求受力情况 (v, x → a → F_合)。
  • 超重与失重：
    • 超重： 物体对支持面的压力（或对悬挂物的拉力）大于重力。a 向上。
    • 失重： 物体对支持面的压力（或对悬挂物的拉力）小于重力。a 向下。
    • 完全失重：a = g 向下,压力或拉力为零。

曲线运动

• 运动的合成与分解：
  • 等效替代思想：一个复杂的运动可以看作是几个简单运动的合运动。
  • 遵循法则：平行四边形定则。
  • 特点： 分运动与合运动具有等时性。
• 平抛运动：
  • 性质：水平方向匀速直线运动，竖直方向自由落体运动的合运动。
  • 规律：
    • 水平：x = v₀t, v_x = v₀
    • 竖直：y = ½gt², v_y = gt
    • 合速度：v = √(v_x² + v_y²)，方向与水平方向夹角 θ = arctan(v_y / v_x)
    • 轨迹：抛物线 y = (g/2v₀²)x²
• 圆周运动：
  • 线速度 (v)： 描述运动快慢，方向沿轨迹切线方向。v = s/t
  • 角速度 (ω)： 描述转动快慢。ω = θ/t，单位 rad/s。
  • 周期 (T) 与频率 (f)： T = 1/f
  • 关系： v = ωr = 2πr/T = 2πrf
  • 向心加速度 (a_n)： 描述速度方向变化的快慢。a_n = v²/r = ω²r,方向始终指向圆心。
  • 向心力 (F_n)： 产生向心加速度的力。F_n = ma_n = mv²/r = mω²r，效果力,性质力。
• 万有引力与航天：
  • 万有引力定律： F = G(Mm)/r² (G 为引力常量)
  • 应用：
    • 天体质量估算： GMm/r² = mv²/r → M = v²r/G
    • 重力加速度： g = GM/r² (r 为物体到地心距离)
    • 宇宙速度：
      • 第一宇宙速度（环绕速度）：v₁ = √(GM/R) ≈ 7.9 km/s
      • 第二宇宙速度（脱离速度）：v₂ = √(2GM/R) ≈ 11.2 km/s
      • 第三宇宙速度（逃逸速度）：v₃ ≈ 16.7 km/s
  • 开普勒三定律：
    • 第一定律（轨道定律）：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个焦点上。
    • 第二定律（面积定律）：对任意一个行星来说,它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等。
    • 第三定律（周期定律）：所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等，即 a³/T² = k。

机械能

• 功：
  • 定义：W = Fx cosα (α 为力与位移夹角)。
  • 正功、负功、零功的判断。
  • 总功：W_总 = W_1 + W_2 + ... 或 W_总 = F_合 · x cosα
• 功率：
  • 定义：P = W/t (平均功率)。
  • 瞬时功率：P = Fvcosα (F 为牵引力，v 为瞬时速度)。
• 动能：
  • 定义：E_k = ½mv²
  • 动能定理：合外力做的功等于物体动能的变化量。 W_合 = ΔE_k = ½mv² - ½mv₀²
• 势能：
  • 重力势能： E_p = mgh (h 为相对零势能面的高度)。
    • 重力做功与路径无关，只与初末位置高度差有关。W_G = -ΔE_p
  • 弹性势能： 与形变量有关。
• 机械能守恒定律：
  • 在只有重力或系统内弹簧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。
  • 条件： 只有重力或系统内弹力做功（其他力不做功或做功代数和为零）。
  • 表达式： E_k1 + E_p1 = E_k2 + E_p2 或 ΔE_k = -ΔE_p

动量

• 动量：
  • 定义：p = mv (矢量，方向与速度相同)。
  • 单位：kg·m/s。
• 冲量：
  • 定义：I = FΔt (矢量，方向与力方向相同)。
  • 意义：力对时间的积累效应。
• 动量定理：
  • 物体所受合外力的冲量等于它的动量的变化量。
  • 表达式： I_合 = Δp = p' - p 或 F_合Δt = mv' - mv
  • 应用： 解释缓冲现象、碰撞问题等。
• 动量守恒定律：
  • 一个系统不受外力或者所受外力之和为零,这个系统的总动量就保持不变。
  • 条件： 系统所受合外力为零 (F_合 = 0)。
  • 表达式： p_1 + p_2 = p_1' + p_2' 或 m₁v₁ + m₂v₂ = m₁v₁' + m₂v₂'
  • 推广： 某方向上合外力为零,该方向上动量守恒。
  • 碰撞类型：
    • 弹性碰撞： 动量守恒,动能守恒。
    • 非弹性碰撞： 动量守恒，动能不守恒（部分动能转化为内能等）。
    • 完全非弹性碰撞： 动量守恒，动能损失最大,碰后共速。

热学

分子动理论

• 物质是由大量分子组成的。
• 分子在做永不停息的无规则热运动。 (扩散现象、布朗运动)
• 分子间存在相互作用力。 (引力和斥力，同时存在,随距离变化)

内能

• 分子动能： 温度是分子平均动能的标志。
• 分子势能： 由分子间相对位置决定,与物体的体积有关。
• 物体的内能： 物体内所有分子的热运动动能和分子势能的总和。理想气体内能只与温度有关。
• 改变内能的两种方式：
  • 做功： 其他形式的能与内能相互转化。
  • 热传递： 物体间内能的转移。
  • 等效性： 做功和热传递在改变物体内能上是等效的。

热力学定律

• 热力学第一定律： ΔU = W + Q
  • ΔU：内能增加为正,减少为负。
  • W：外界对物体做功为正,物体对外做功为负。
  • Q：物体吸热为正,放热为负。
  • 本质： 能量守恒定律在热学中的体现。
• 热力学第二定律：
  • 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。
  • 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。
• 能量耗散： 能量在转化和转移过程中，利用的品质会降低，最终会变成环境中的内能,无法再利用。

电磁学

电磁学是高中物理的另一大核心，逻辑严密，应用广泛。

静电场

• 电荷、电荷守恒定律、元电荷
• 库仑定律： F = k(Q₁Q₂)/r² (真空中)
• 电场：
  • 定义： 存在于电荷周围,能对放入其中的电荷施加力的作用的特殊物质。
  • 电场强度 (E)： 描述电场强弱的物理量。E = F/q (定义式),矢量。
  • 点电荷电场： E = kQ/r²
  • 电场线： 形象描述电场，起于正电荷（或无穷远），终于负电荷（或无穷远），不相交,切线方向为场强方向。
• 电势能、电势、电势差：
  • 电势能 (E_p)： 电荷在电场中具有的势能。W_AB = -ΔE_p (电场力做功等于电势能减少的负值)。
  • 电势 (φ)： φ = E_p / q (标量)，相对量,与零势能点选择有关。
  • 电势差 (U)： U_AB = φ_A - φ_B (标量)，绝对量。W_AB = qU_AB
• 电势差与电场强度的关系： U = Ed (匀强电场中，d 为沿场强方向的距离)。
• 电容器：
  • 电容 (C)： C = Q/U (描述电容器容纳电荷本领的物理量)。
  • 平行板电容器： C = εS/(4πkd) (ε 为介电常数，S 为正对面积，d 为板间距离)。
• 带电粒子在电场中的运动：
  • 平衡： Eq = mg
  • 加速： qU = ½mv² - ½mv₀²
  • 偏转（类平抛）： 水平匀速,竖直匀加速。

恒定电流

• 电流： I = q/t (单位：安培 A)
• 电阻： R = U/I (定义式,欧姆定律)
• 电阻定律： R = ρL/S (ρ 为电阻率，与材料、温度有关)
• 电功与电功率：
  • 电功： W = UIt (焦耳 J)
  • 电功率： P = UI
  • 焦耳定律： Q = I²Rt (纯电阻电路中 Q=W)
• 串联与并联电路：
  • 串联： I_总 = I_1 = I_2, U_总 = U_1 + U_2, R_总 = R_1 + R_2, P ∝ R
  • 并联： I_总 = I_1 + I_2, U_总 = U_1 = U_2, 1/R_总 = 1/R_1 + 1/R_2, P ∝ 1/R
• 电源：
  • 电动势 (E)： 描述电源把其他能转化为电能本领的物理量。E = U_外 + U_内
  • 闭合电路欧姆定律： I = E/(R + r) (R 为外电路总电阻，r 为内阻)
  • 路端电压： U = E - Ir (随外电阻 R 增大而增大)
• 测量仪器：
  • 电流表： 串联，R_g 很小。
  • 电压表： 并联，R_g 很大。
  • 多用电表： 测电阻、电流、电压。

磁场

• 磁场：
  • 来源： 运动电荷（电流）、磁体。
  • 方向： 小磁针静止时 N 极的指向。
  • 磁感线： 与电场线类似,描述磁场。
• 电流的磁效应：
  • 安培定则（右手螺旋定则）： 判断直线电流、环形电流、通电螺线管的磁场方向。
• 磁场对电流的作用——安培力：
  • 大小： F = BILsinθ (θ 为 B 与 I 的夹角)。F = BIL (B⊥I)。
  • 方向： 左手定则。
• 磁场对运动电荷的作用——洛伦兹力：
  • 大小： f = qvBsinθ (θ 为 v 与 B 的夹角)。f = qvB (v⊥B)。
  • 方向： 左手定则 (注意四指指向正电荷运动方向)。
  • 特点： 洛伦兹力不做功,只改变速度方向。
• 带电粒子在磁场中的运动：
  • 匀速直线运动： v // B。
  • 匀速圆周运动： v ⊥ B。
    • 向心力： 洛伦兹力 f = qvB = mv²/r
    • 轨道半径： r = mv/(qB)
    • 周期： T = 2πm/(qB) (与 v, r 无关)
• 质谱仪、回旋加速器

电磁感应

• 电磁感应现象： 只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就有感应电流产生。
• 感应电流的方向：
  • 楞次定律： 感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
  • 右手定则： 判断切割磁感线产生的感应电流方向。
• 感应电动势的大小：
  • 法拉第电磁感应定律： E = nΔΦ/Δt (n 为线圈匝数)。
  • 导体切割磁感线： E = BLv (L, B, v 两两垂直)。
• 自感现象：
  • 自感电动势： E_L = LΔI/Δt (L 为自感系数)。
  • 应用： 日光灯、扼流圈。

交变电流

• 交变电流的产生： 线圈在匀强磁场中匀速转动产生正弦式交变电流。
• 瞬时值： e = E_m sin(ωt), i = I_m sin(ωt)
• 最大值（峰值）： E_m = NBSω, I_m = E_m/R
• 有效值： 根据热效应定义。U = U_m/√2, I = I_m/√2, E = E_m/√2 (正弦式)
• 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： P_入 = P_出，U₁/U₂ = n₁/n₂，I₁/I₂ = n₂/n₁ (仅有一个副线圈)
• 电能的输送： 关键是减小输电线上 I²R 的损失，采用高压输电。

光学

光的折射

• 折射定律： n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂
• 折射率： n = c/v = sinθ₁ / sinθ₂ (θ₁ 为真空中的入射角，θ₂ 为介质中的折射角)
• 全反射：
  • 条件： 光从光密介质射向光疏介质；入射角大于等于临界角 C。
  • 临界角： sinC = 1/n
  • 应用： 光导纤维

光的干涉

• 现象： 明暗相间的条纹。
• 条件： 频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列相干光。
• 双缝干涉： Δx = Lλ/d (Δx 为条纹间距，L 为屏到缝的距离，d 为双缝间距，λ 为光波长)
• 薄膜干涉： 光在薄膜前后表面反射的光叠加而成。

光的衍射

• 现象： 光绕过障碍物偏离直线传播的现象。
• 条件： 障碍物或孔的尺寸与波长差不多或更小。
• 应用： 衍射光栅。

光的偏振

• 偏振光： 只在某个特定方向振动的光。
• 应用： 照相机镜头、立体电影。

光的电磁说、光的波粒二象性

• 光的电磁说： 光是一种电磁波。
• 电磁波谱： 无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线,按波长由长到短排列。
• 光电效应：
  • 现象： 光照射金属表面,有电子逸出。
  • 规律：
    • 存在极限频率 。
    • 最大初动能与入射光强度无关,与频率成线性关系。
    • 瞬时性。
  • 爱因斯坦光子说： 光是由一份不连续的光子组成的。E = hν (h 为普朗克常量)
• 光的波粒二象性： 光既有波动性，又有粒子性，大量光子行为表现出波动性,个别光子行为表现出粒子性。

近代物理初步

原子结构

• 汤姆孙的“枣糕”模型： 发现了电子。
• α粒子散射实验：
  • 现象： 绝大多数α粒子穿过金箔后几乎不偏转，少数发生较大偏转，极少数偏转超过90°，甚至几乎达到180°。
  • 原子中绝大部分是空的,正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上。
• 卢瑟核式结构模型： 原子核式结构（原子由原子核和核外电子构成）。
• 玻尔的原子模型（能级理论）：
  • 三条假设：
    1. 轨道量子化：电子在一些特定的、不连续的轨道上运动。
    2. 能量量子化：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，这些状态叫定态,原子在定态时不辐射能量。
    3. 跃迁假说：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，会辐射或吸收一定频率的光子。hν = E_m - E_n
  • 能级图： 解释氢原子光谱。

原子核

• 天然放射性现象：
  • 三种射线：
    • α射线： He²⁺核，速度约光速1/10，贯穿作用弱,电离作用强。
    • β射线： 高速电子流，速度接近光速，贯穿作用强,电离作用弱。
    • γ射线： 高频光子，速度光速，贯穿作用最强,电离作用最弱。
• 原子核的组成： 由质子和中子组成。A = Z + N (A 为质量数，Z 为质子数/核电荷数，N 为中子数)。
• 核反应与核能：
  • 核反应方程： 遵守质量数守恒、电荷数守恒。
  • 爱因斯坦质能方程： E = mc²
  • 质量亏损： Δm
  • 核能： ΔE = Δmc²
  • 核能获取途径：
    • 核裂变： 重核分裂成中等质量的核。（如：铀核裂变）
    • 核聚变： 轻核结合成质量较大的核。（如：氘氚聚变）

总结与建议

1. 理解是根本： 思维导图的骨架在于理解物理概念和规律背后的物理意义,而不是简单罗列公式。
2. 联系是关键： 不同模块的知识是相互联系的，力学中的功和能，可以用来解决电磁学中的能量问题；圆周运动和万有引力是理解原子模型的基础。
3. 模型是方法： 物理学是一门模型化的科学，质点、点电荷、理想气体、理想变压器等都是重要的物理模型,学习物理就是学习如何建立和应用模型。
4. 图像是灵魂： v-t图像、F-x图像、U-I图像等，能直观地展现物理过程和规律,务必熟练掌握。

希望这份详细的思维导图能帮助你系统地梳理高中物理知识,祝你学习进步！