📚 高中六科 · 通关手册

物理 · 核心知识点 12 大板块

从运动学到近代物理,一条线串起来:力 → 运动 → 功和能 → 场 → 电磁感应 → 波与量子。每个板块都是「公式 + 结论 + 例题」,例题点开看解析。

知识 训练 20 题 测试 12 题

0. 十二板块速览

板块核心公式常考题型难度
运动学v=v₀+at,x=v₀t+at²/2,v²−v₀²=2ax刹车、追及、图象基础
牛顿定律F合=ma受力分析、连接体、超失重基础
曲线运动x=v₀t,y=gt²/2;F=mv²/r平抛、圆周临界中档
万有引力F=GMm/r²,v=√(GM/r)卫星、变轨、双星中档
功与能W=Fxcosθ,W合=ΔEk动能定理、机械能守恒基础
动量p=mv,Ft=Δp碰撞、爆炸、反冲挑战
静电场E=F/q=kQ/r²,C=Q/U场强叠加、粒子偏转中档
恒定电流I=E/(R+r),P=UI动态电路、电学实验中档
磁场F=BIL,F=qvB,r=mv/(qB)粒子在磁场中圆周挑战
电磁感应E=nΔΦ/Δt,E=BLv单杆、线框、楞次挑战
交变电流U₁/U₂=n₁/n₂,U=Um/√2变压器、输电损耗中档
光学与近代n=sin i/sin r,E=mc²全反射、光电效应、能级中档

一、运动学

匀变速直线运动的全部工具:三公式 + 两推论 + 两图象。先判断"是不是匀变速",再决定用哪把刀。

1. 三个基本公式

v = v0 + at   x = v0t + 12at2   v2 − v02 = 2ax

三个式子只有两个独立:已知三个量,挑"不含要求量"的那个式子,一步到位。

2. 两个推论

推论表达式说明
平均速度v̄ = x/t = (v₀+v)/2只对匀变速成立
中间时刻速度vt/2 = v̄ = (v₀+v)/2等于全程平均速度
中间位置速度vx/2 = √((v₀²+v²)/2)恒有 vx/2 > vt/2
逐差公式Δx = x2 − x1 = aT²纸带实验求加速度

3. 自由落体与竖直方向

v = gt  h = 12gt2  v2 = 2gh

自由落体是 v₀=0、a=g 的匀加速。竖直上抛可全程当 a=−g 的匀变速处理(上升下降对称,同一高度速度大小相等)。

4. 图象:斜率与面积是命根子

图象斜率面积关键读法
x–t速度 v无意义切线斜率即瞬时速度,交点表示相遇
v–t加速度 a位移 x图线在 t 轴下方,面积记为负位移

关键结论

例题

汽车以 20 m/s 行驶,紧急刹车加速度大小 5 m/s²,求刹车距离,以及刹车后 6 s 内的位移。

看解析

① 停车时间 t停 = v₀/|a| = 20/5 = 4 s。

② 刹车距离用 v² = 2ax:x = v₀²/(2|a|) = 400/10 = 40 m。

③ 6 s > 4 s,车 4 s 已停,后 2 s 位移为 0,所以 6 s 内位移仍是 40 m(不是 30 m,也不是 45 m)。

二、牛顿运动定律

力学的地基。做题顺序永远是:选对象 → 画受力 → 正交分解 → 列 F=ma。

1. 三定律

定律内容常见考法
牛顿第一定律不受外力时保持静止或匀速直线运动(惯性定律)惯性只与质量有关
牛顿第二定律F合 = ma瞬时性、矢量性、同体性
牛顿第三定律作用力与反作用力等大反向、同性质、不同物体与平衡力的区别
G = mg  F = kx(胡克定律)  f = μN(滑动摩擦)

2. 受力分析四步

  1. 定对象:把要研究的物体(或系统)单独"拎"出来,画出它的轮廓。
  2. 按序画力:重力 → 弹力(绳、杆、面)→ 摩擦力 → 其他(电场力、洛伦兹力)。顺序固定,才不会漏力、多力。
  3. 查状态:静止/匀速 → 合力为零;有加速度 → 沿 a 方向列 F合=ma。
  4. 正交分解:一般沿 a 方向和垂直 a 方向建轴,减少分解量。

3. 整体法与隔离法

4. 超重与失重

状态加速度支持力 N现象
超重向上(加速上升 / 减速下降)N = m(g+a) > mg体重计示数变大
失重向下(加速下降 / 减速上升)N = m(g−a) < mg示数变小
完全失重a = gN = 0一切"浮、落、摆"现象消失

5. 连接体模型

两物体用绳/杆相连或叠放、挤压,加速度相同(或大小相同):整体求 a,隔离求接触力。

例题

质量 2 kg 的物体放在水平面上,用 10 N 的水平力拉,动摩擦因数 μ=0.2,g=10 m/s²,求加速度。

看解析

竖直方向:N = mg = 20 N,所以 f = μN = 0.2×20 = 4 N。

水平方向合力:F合 = F − f = 10 − 4 = 6 N。

由 F合 = ma 得 a = 6/2 = 3 m/s²。

⚠️ 摩擦力一定要先算 N,不能直接用 mg 以外的力去凑。

三、曲线运动

曲线运动的速度方向沿轨迹切线,合力必指向轨迹的凹侧。两大模型:平抛、圆周。

1. 运动的合成与分解

2. 平抛运动

x = v0t  y = 12gt2  vy = gt  tan θ = vyv0

由 y = ½gt² 得飞行时间 t = √(2h/g),只由高度决定;水平射程 x = v₀√(2h/g)。

速度偏角 θ 与位移偏角 α 关系:tan θ = 2 tan α(速度反向延长线过水平位移中点)。

3. 圆周运动

v = ωr = 2πrT   a = v2r = ω2r = 4π2rT2   F = mv2r = mω2r

4. 向心力来源分析

模型向心力由谁提供临界条件
水平转盘静摩擦力μmg = mω²r
圆锥摆重力与绳拉力的合力mg·tanθ = mω²r
汽车过拱桥mg − N最高点 N=0 时 v=√(gR)
竖直圆轨道内侧重力 + 轨道压力最高点 vmin=√(gR)
轻绳小球重力 + 绳拉力最高点 vmin=√(gL)(杆则可为 0)

例题

从 20 m 高处以 10 m/s 水平抛出一小球,g=10 m/s²,求落地时间、水平射程和落地速度大小。

看解析

竖直方向自由落体:h = ½gt² ⇒ t = √(2h/g) = √(40/10) = 2 s。

水平方向匀速:x = v₀t = 10×2 = 20 m。

落地竖直分速度 vy = gt = 20 m/s,合速度 v = √(10² + 20²) = √500 ≈ 22.4 m/s。

四、万有引力与航天

一条主线:万有引力提供向心力,一套公式通吃卫星、行星、双星。

1. 基本公式

F = GMmr2   GMmr2 = mv2r = mω2r = m4π2T2r = ma

G = 6.67×10−11 N·m²/kg²;r 是质心距离,卫星题即"轨道半径 = 地球半径 + 高度"。

2. 人造卫星

v = √(GM/r)  ω = √(GM/r3)  T = 2π√(r3/(GM))  a = GM/r2

越高越慢:r↑ ⇒ v↓、ω↓、a↓、T↑。这条"一反一正"是选择题的高频陷阱。

地面附近 mg = GMm/R²,得 GM = gR²(黄金代换),可绕开 G 和 M。

3. 三个宇宙速度

速度数值意义
第一宇宙速度7.9 km/s近地圆轨道环绕速度,也是最小发射速度
第二宇宙速度11.2 km/s脱离地球引力,成为绕日卫星
第三宇宙速度16.7 km/s脱离太阳系

4. 开普勒三定律

  1. 轨道定律:行星绕太阳沿椭圆运动,太阳在一个焦点上。
  2. 面积定律:行星与太阳连线在相等时间内扫过相等面积(近日点快、远日点慢)。
  3. 周期定律:a³/T² = k,k 只与中心天体质量有关。

例题

地球半径 R=6.4×10³ km,表面重力加速度 g=9.8 m/s²,估算近地卫星的环绕速度与周期。

看解析

近地卫星 r≈R,万有引力 = 重力:v = √(gR) = √(9.8×6.4×10⁶) ≈ 7.9×10³ m/s,即 7.9 km/s。

周期 T = 2πR/v = 2×3.14×6.4×10⁶ / 7.9×10³ ≈ 5.1×10³ s ≈ 85 min。

结论:近地卫星周期约 85 分钟,是所有卫星中最小周期。

五、功与能

力学第二条主线。遇到"位移—速度"、变力、多过程,优先想动能定理。

1. 功与功率

W = Fx cos θ  P = Wt = Fv cos θ

θ<90° 做正功;θ=90° 不做功;θ>90° 做负功。求"平均功率"用 W/t,求"瞬时功率"用 Fv。

2. 动能定理

W合 = 12mv2 − 12mv02 = ΔEk

3. 势能与机械能守恒

Ep = mgh  WG = mgh1 − mgh2 = −ΔEp  Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2

机械能守恒条件:系统内只有重力(或弹簧弹力)做功,其他力不做功或做功为零。有摩擦生热时机械能减少,用 W其他 = ΔE 或能量守恒。

摩擦力做功 Wf = −f·s相对,生热 Q = f·s相对,这里用的是相对路程,不是位移。

例题

质量 1 kg 的物体从 5 m 高的光滑斜面顶端由静止滑下,g=10 m/s²,求到达底端的速度。

看解析

光滑斜面无摩擦,只有重力做功,机械能守恒:mgh = ½mv²。

v = √(2gh) = √(2×10×5) = √100 = 10 m/s。

与斜面倾角无关——这是机械能守恒的典型结论。

六、动量

"碰撞、爆炸、反冲"专用工具。动量守恒比机械能守恒范围更广,因为它是矢量、且不要求能量不损失。

1. 动量与冲量

p = mv  I = Ft  I = Δp = mv2 − mv1

动量与冲量都是矢量,方向要带正负号(先规定正方向);p² = 2mEk 是连接两章的桥。

2. 动量守恒

m1v1 + m2v2 = m1v1′ + m2v2′

守恒条件:系统不受外力,或所受合外力为零;或内力远大于外力(碰撞、爆炸的瞬间可近似守恒);或某一方向合外力为零,则该方向动量守恒。

3. 碰撞类型

类型动量动能结果
弹性碰撞守恒守恒等质量时交换速度
非弹性碰撞守恒减少一般情况
完全非弹性碰撞守恒损失最大碰后共速 v = (m₁v₁)/(m₁+m₂)

弹性碰撞等质量结论:v1′ = v2,v2′ = v1(速度交换)。

例题

质量 1 kg 的小球以 4 m/s 撞上静止的质量 3 kg 的小球,碰后粘在一起,求共同速度和损失的动能。

看解析

完全非弹性碰撞,动量守恒:1×4 = (1+3)v ⇒ v = 1 m/s。

初动能 Ek1 = ½×1×4² = 8 J;末动能 Ek2 = ½×4×1² = 2 J。

损失 ΔEk = 8 − 2 = 6 J(全部转化为内能)。

七、静电场

场强是"力"的视角,电势是"能"的视角。带电粒子问题:加速用动能定理,偏转用类平抛。

1. 库仑定律与场强

F = kQqr2   E = Fq   E = kQr2   E = Ud

k = 9×109 N·m²/C²;E=U/d 只适用于匀强电场。

2. 电势、电势差与电势能

UAB = φA − φB  WAB = qUAB  Ep = qφ

3. 电场线

4. 电容器

C = QU  C = εS4πkd  Ep = 12CU2

动态分析两句话:始终接电源 → U 不变;充电后断开 → Q 不变。再由 C=εS/4πkd 推 E=U/d=4πkQ/(εS)。

5. 带电粒子在电场中

加速:qU = 12mv2  偏转:t = Lv0,y = 12at2 = qUL22mdv02

例题

平行板间距 d=0.02 m,电压 U=100 V,求板间匀强电场的场强。

看解析

E = U/d = 100/0.02 = 5×10³ V/m。

场强单位也可以写成 N/C,两套单位等价:1 V/m = 1 N/C。

八、恒定电流

电路题两条腿:闭合电路欧姆定律算电流,串并联规律算分配。实验题另有套路。

1. 基本规律

I = UR  R = ρLS  P = UI = I2R = U2R  Q = I2Rt

2. 串并联

连接电流电压电阻
串联I 相等U = U₁+U₂R = R₁+R₂
并联I = I₁+I₂U 相等1/R = 1/R₁+1/R₂

3. 闭合电路欧姆定律

I = ER+r  E = U + Ir  U = E − Ir

动态电路分析顺序:某一电阻变化 → 总电阻变化 → 总电流变化 → 路端电压变化 → 各支路电压电流变化。口诀:"串反并同"(与变化电阻串联的元件变化相反,并联的同向)。

4. 电学实验

例题

电源电动势 E=12 V,内阻 r=1 Ω,外接 R=5 Ω,求电流、路端电压和 R 上消耗的功率。

看解析

I = E/(R+r) = 12/(5+1) = 2 A。

U = IR = 2×5 = 10 V(也可 U = E − Ir = 12 − 2 = 10 V)。

P = I²R = 4×5 = 20 W;内阻消耗 Pr = I²r = 4 W,总功率 EI = 24 W。

九、磁场

磁场对电流、对运动电荷的力,以及带电粒子在磁场中的匀速圆周运动——找圆心、定半径、算周期三步走。

1. 磁感应强度与安培力

B = FIL(垂直时)  F = BIL(I⊥B)  F = BIL sin θ

安培力方向用左手定则:让磁感线穿入手心,四指指电流方向,拇指即安培力方向。

2. 洛伦兹力

F = qvB(v⊥B)  F = qvB sin θ

3. 带电粒子在磁场中的圆周运动

qvB = mv2r ⇒ r = mvqB  T = 2πrv = 2πmqB  t = θ2πT

周期与速度无关(回旋加速器的原理);半径与速度成正比。圆心必在过入射点且垂直速度的直线上,也在弦的中垂线上。

例题

质子(m=1.67×10−27 kg,q=1.6×10−19 C)以 v=1×10⁶ m/s 垂直进入 B=0.5 T 的匀强磁场,求轨道半径和周期。

看解析

r = mv/(qB) = (1.67×10−27×10⁶)/(1.6×10−19×0.5) ≈ 2.1×10−2 m,约 2.1 cm。

T = 2πm/(qB) = (2×3.14×1.67×10−27)/(8×10−20) ≈ 1.3×10−7 s。

若只把速度加倍,半径变 2r,周期不变。

十、电磁感应

"磁生电"。算电动势用 E=nΔΦ/Δt 或 E=BLv,定方向用楞次定律,算力用安培力。

1. 法拉第电磁感应定律

Φ = BS  E = nΔΦΔt  E = BLv(B、L、v 两两垂直)

E=nΔΦ/Δt 求的是平均电动势;导体棒切割时 E=BLv 对应瞬时电动势(v 为瞬时值)。

2. 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("增反减同")。四步判断:

  1. 明确原磁场方向;
  2. 判断穿过回路的磁通量是增还是减;
  3. 由"增反减同"定感应电流的磁场方向;
  4. 用右手螺旋定则得出感应电流方向。

推论:来拒去留(阻碍相对运动)、增缩减扩(阻碍面积变化)。

3. 自感与涡流

4. 单杆模型

E = BLv ⇒ I = BLvR+r ⇒ F安 = BIL = B2L2vR+r

匀速时 F外 = F安,最大速度 vm = F(R+r)/(B²L²);能量关系:外力做功 = 动能增加 + 焦耳热。

例题

长 L=1 m 的导体棒以 v=2 m/s 垂直切割 B=0.5 T 的匀强磁场,回路总电阻 R=0.4 Ω,求感应电动势、电流和安培力。

看解析

E = BLv = 0.5×1×2 = 1 V。

I = E/R = 1/0.4 = 2.5 A。

F = BIL = 0.5×2.5×1 = 1.25 N,方向与运动方向相反(阻碍相对运动)。

验证能量:机械功率 Fv = 1.25×2 = 2.5 W,电功率 I²R = 6.25×0.4 = 2.5 W,正好相等。

十一、交变电流

抓住"最大值、有效值、瞬时值"三个概念,再加变压器两公式,这一章就通了。

1. 正弦交流电

e = Em sin ωt  Em = nBAω  E = Em√2 ≈ 0.707Em  ω = 2πf = 2πT

2. 变压器

U1U2 = n1n2  I1I2 = n2n1  P1 = P2(理想变压器)

电压由匝数比决定,电流由功率决定,变压器不改变频率。副线圈匝数多 → 升压变压器。

3. 远距离输电

P损 = I2R线 = (PU)2R线  ΔU = IR线

输送功率一定时,升高电压可大幅减小线路损耗(损耗与电压平方成反比)。

例题

某交流电压 u = 311 sin 100πt(V),求有效值、频率,以及接在匝数比 1000:100 的理想变压器原线圈上时副线圈的电压。

看解析

Um = 311 V ⇒ U1 = 311/√2 ≈ 220 V。

ω = 100π rad/s ⇒ f = ω/2π = 50 Hz。

U2 = U1·n2/n1 = 220×100/1000 = 22 V。

十二、光学与近代物理

几何光学算角度,物理光学记现象,近代物理套公式——都不难,难在概念别混。

1. 光的折射与全反射

n = sin isin r  n = cv  sin C = 1n

光从光密介质射向光疏介质、且入射角大于临界角时发生全反射。光导纤维、海市蜃楼、钻石闪耀都是全反射。

2. 光的干涉与衍射

Δx = Ldλ(双缝干涉条纹间距)
λ真空 > λ介质  λ = cf(频率由光源决定,进入介质不变)

薄膜干涉(肥皂膜、增透膜)、单缝衍射、泊松亮斑——条纹间距、亮暗条纹判断是选择常客。光波长越长,条纹越宽。

3. 光电效应

Ekmax = hν − W0  eUc = Ekmax  ν0 = W0/h

4. 玻尔模型与原子能级

hν = Em − En  En = E1n2  E1 = −13.6 eV

一群处于 n 能级的氢原子最多可辐射 n(n−1)/2 种频率的光子。

5. 核反应与质能方程

E = mc2  ΔE = Δmc2  21H + 31H → 42He + 10n

例题

用波长 400 nm 的光照射逸出功为 2.5 eV 的金属,求光电子的最大初动能。(取 hc = 1240 eV·nm)

看解析

光子能量 hν = hc/λ = 1240/400 = 3.1 eV。

Ekmax = hν − W0 = 3.1 − 2.5 = 0.6 eV。

若改用 500 nm 的光,hν = 2.48 eV < 2.5 eV,不发生光电效应。

下一步

公式看完别急着走,做 5 道题检验一下,比再读三遍都管用。

去做分级训练 → 直接测验 →

💡 物理提分的关键不是背公式,而是"看到题就知道该用哪个模型"。每道错题都问自己一句:我漏掉了哪个条件?