物理學基礎知識講座

物理學基礎知識講座目錄物理學概述力學基礎熱學基礎電磁學基礎光學基礎量子力學基礎01物理學概述03研究范圍從微觀的基本粒子到宏觀的宇宙天體，都是物理學的研究范圍。01物理學定義物理學是研究物質的基本結構、相互作用及運動規(guī)律的自然科學。02研究對象物理學的研究對象包括物質的基本粒子、電磁場、量子力學、熱力學系統(tǒng)等。物理學定義與研究對象古代人們對自然現(xiàn)象的觀察和思考，為物理學的萌芽奠定了基礎。古代物理學以牛頓為代表的經典物理學，建立了質點和剛體的運動方程，研究了光、熱、電、磁等現(xiàn)象。經典物理學20世紀初，相對論和量子力學的出現(xiàn)，標志著現(xiàn)代物理學的誕生，愛因斯坦、波爾等物理學家做出了杰出貢獻?，F(xiàn)代物理學物理學歷史發(fā)展及重要人物電子技術通信技術能源技術醫(yī)療技術物理學在現(xiàn)實生活中的應用01020304物理學中的電磁學、量子力學等理論是電子技術的基礎，推動了現(xiàn)代電子產業(yè)的發(fā)展。光纖通信、衛(wèi)星通信等現(xiàn)代通信技術都離不開物理學原理的支持。太陽能、核能等新能源的開發(fā)和利用，都需要物理學知識的指導。醫(yī)學影像學、放射治療等醫(yī)療技術也都運用了物理學原理。02力學基礎01一個物體在不受外力作用時，其運動狀態(tài)不會發(fā)生改變。牛頓第一定律（慣性定律）02物體加速度的大小與作用力成正比，與物體質量成反比，方向與作用力方向相同。牛頓第二定律（加速度定律）03任何兩個物體之間的作用力與反作用力總是大小相等、方向相反、作用在同一條直線上。牛頓第三定律（作用與反作用定律）牛頓運動定律重力彈力摩擦力力的合成與分解力的種類及性質由于地球吸引而產生的力，方向豎直向下。阻礙物體相對運動的力，方向與物體相對運動趨勢或相對運動方向相反。物體發(fā)生彈性形變時產生的力，方向與形變方向相反。根據平行四邊形定則或三角形定則進行力的合成與分解。物體動量的變化等于它所受合外力的沖量。動量定理一個系統(tǒng)不受外力或所受外力之和為零時，系統(tǒng)的總動量保持不變。動量守恒定律根據動量守恒定律分析碰撞前后的物體運動狀態(tài)。碰撞問題動量定理與動量守恒自然界中的一切物質都具有能量，能量既不能創(chuàng)造也不能消滅，只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。能量守恒定律在只有重力或彈力做功的情況下，物體的動能和勢能可以相互轉化，但機械能總量保持不變。機械能守恒除重力或彈力之外的力對物體做功時，物體的機械能將發(fā)生改變，且等于該力所做的功。功能原理分析各種物理過程中能量的轉化與傳遞情況，如熱傳遞、電磁感應等。能量轉化與傳遞能量守恒定律及應用03熱學基礎

溫度與熱量概念辨析溫度表示物體冷熱的物理量，是熱力學系統(tǒng)的一個物理屬性，而不是一個系統(tǒng)狀態(tài)函數。熱量指在熱力系統(tǒng)與外界之間依靠溫差傳遞的能量，是過程量，不是狀態(tài)量。溫度與熱量的關系溫度的高低反映了物體內部微觀粒子運動的劇烈程度，而熱量是熱傳遞過程中轉移的那部分內能，與過程相聯(lián)系。能量守恒定律在熱力學中的具體表現(xiàn)，表明在一個封閉系統(tǒng)中，能量的增加等于該系統(tǒng)內能的增加與外界對該系統(tǒng)所做功的和。反映自然界中涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，即不可逆性。它有多種表述方式，如克勞修斯表述、開爾文表述等。熱力學第一定律和第二定律熱力學第二定律熱力學第一定律熱傳導熱量從高溫物體傳向低溫物體的過程，或在同一物體內部由高溫部分傳向低溫部分的過程。對流由于溫度差異引起的流體各部分的相對運動，使熱量由一處傳到另一處的過程。熱輻射物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象，是一種非接觸式的熱量傳遞方式。熱傳導、對流和輻射原理熱機效率熱機所做有用功與燃料完全燃燒釋放的熱量之比，表示熱機的經濟性。提高熱機效率的方法改進燃燒過程，使燃料更充分燃燒；盡量減小各種熱量損失；在熱機的設計和制造上，采用先進技術；使用時注意保養(yǎng)，保證良好的潤滑，減小摩擦。熱機效率及優(yōu)化方法04電磁學基礎123由靜止電荷產生的電場，具有保守性和無旋性，滿足高斯定理和電場線的連續(xù)性質。靜電場由恒定電流產生的磁場，具有有旋性和無源性，滿足安培環(huán)路定律和磁場線的閉合性質。靜磁場靜電場和靜磁場都是矢量場，具有疊加性、方向性和空間分布性；但靜電場是有源場，靜磁場是無源場。性質比較靜電場和靜磁場概念及性質安培環(huán)路定律在磁場中，沿任何閉合路徑的線積分等于該閉合路徑所包圍的各個電流的代數和的μ0倍。電流元產生磁場電流元在空間某點產生的磁場大小與該點的位置、電流元的大小和方向有關，滿足畢奧-薩伐爾定律。無限長直導線產生磁場無限長直導線周圍產生的磁場呈同心圓分布，磁感線方向與導線垂直，滿足右手螺旋定則。010203電流產生磁場規(guī)律（安培環(huán)路定律）電磁波產生與傳播變化的電場和磁場相互激發(fā)，形成電磁波并向遠處傳播；電磁波在真空中以光速傳播，不需要介質。電磁波譜按照頻率從低到高依次為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線和X射線等；不同波段的電磁波具有不同的特性和應用。電磁波應用無線電通信、雷達探測、遙感監(jiān)測、醫(yī)學診斷與治療、材料加工與改性等領域廣泛應用電磁波技術。電磁波傳播原理及應用利用電磁感應原理實現(xiàn)電壓變換的電氣設備；主要由鐵芯和線圈組成，通過改變線圈匝數比實現(xiàn)電壓升降。變壓器原理利用磁場對通電導體的作用力使導體運動的電氣設備；主要由定子和轉子組成，通過定子產生旋轉磁場并作用于轉子使其轉動。電動機原理變壓器廣泛應用于電力系統(tǒng)中的電壓變換和電能傳輸；電動機則廣泛應用于各種機械設備中的動力驅動。電氣設備應用變壓器、電動機等電氣設備原理05光學基礎光線在兩種介質的分界面上改變傳播方向又返回到原來介質中的現(xiàn)象。反射光線從一種介質斜射入另一種介質時，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。折射描述了反射和折射現(xiàn)象中光線方向變化的規(guī)律。反射定律和折射定律基于反射和折射原理制成的透鏡、棱鏡等光學元件。光學器件幾何光學基本概念（反射、折射等）光具有波動性質，表現(xiàn)為干涉、衍射等現(xiàn)象。光的波動性干涉衍射光學儀器的分辨率兩列或多列光波在空間某些區(qū)域疊加時相互加強或減弱的現(xiàn)象。光波遇到障礙物或穿過小孔時偏離直線傳播路徑的現(xiàn)象。與光的波動性有關，決定了光學儀器的成像清晰度。波動光學初步（干涉、衍射等）光波在特定方向上振動強弱的現(xiàn)象。光的偏振現(xiàn)象用于產生、檢測或控制偏振光的器件，如偏振片、波片等。偏振器件在光學通信、液晶顯示等領域有廣泛應用。偏振光的應用散射現(xiàn)象中光的偏振狀態(tài)會發(fā)生變化。光的散射與偏振的關系光的偏振現(xiàn)象和偏振器件微型化與集成化光學器件向微型化、集成化方向發(fā)展，實現(xiàn)更高性能的光學系統(tǒng)。智能化與自動化引入人工智能、機器學習等技術，實現(xiàn)光學系統(tǒng)的智能化和自動化?？鐚W科融合光學與其他學科如電子學、生物學等融合，形成交叉學科研究領域。綠色環(huán)保研究環(huán)保型光學材料和制造工藝，降低光學技術對環(huán)境的負面影響?，F(xiàn)代光學技術發(fā)展趨勢06量子力學基礎微觀粒子具有波動性和粒子性微觀粒子如電子、光子等，既表現(xiàn)出波動性，如干涉、衍射等現(xiàn)象，又表現(xiàn)出粒子性，如光電效應、康普頓散射等現(xiàn)象。德布羅意假說微觀粒子的波動性可以用波長來描述，其波長與粒子的動量成反比，即波長越短，動量越大。微觀粒子波粒二象性概念微觀粒子的位置和動量不能同時被精確測量，其測量精度的乘積不小于一個常數，即測量越精確，對另一物理量的擾動就越大。不確定性原理如果一個量子系統(tǒng)可以處于多個狀態(tài)，那么它也可以處于這些狀態(tài)的線性組合，即疊加態(tài)。在測量之前，系統(tǒng)處于所有可能狀態(tài)的疊加態(tài)中，而測量結果則使系統(tǒng)塌縮到某個確定的狀態(tài)上。量子態(tài)疊加原理不確定性原理和量子態(tài)疊加原理薛定諤方程及其求解方法薛定諤方程描述微觀粒子狀態(tài)隨時間變化的偏微分方程，是量子力學的基本方程之一。其解即為粒子的波函數，包含了粒子在空間中的分布和隨時間的變化信息。求解方法薛定諤方程的求解需要采用數學上的偏微分方程求解方法，如分離變量法、傅里葉變換等。對于復雜系統(tǒng)，還需要采用近似方法或數值計算方法進行求解。ABCD量子計算利用量子態(tài)的疊加性和糾纏性，可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)