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基础物理复习上

2026-06-24
2026-06-24
文章摘要
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基础物理学 B(1) — 期末复习完整资料

课程:北京航空航天大学 · 基础物理学 B(1)
学期:2025 春季
考试性质:闭卷
题型:选择题(10×3=30分)+ 填空题(10×3=30分)+ 计算题(4×10=40分)
满分:100 分


📋 课程体系总览

基础物理学 B(1)
├── 力学
│   ├── 第1章 质点运动学
│   ├── 第2章 质点动力学
│   └── 第3章 刚体力学基础
├── 热学
│   ├── 第4章 热力学基础
│   └── 第5章 气体动理论
├── 电磁学
│   ├── 第6章 静电场
│   ├── 第7章 静电场中的导体和电介质
│   ├── 第8章 稳恒磁场
│   └── 第9章 电磁感应
├── 振动与波动
│   ├── 第10章 振动学基础
│   └── 第11章 波动学基础
├── 光学
│   └── 第12章 波动光学
└── 近代物理
    └── 狭义相对论基础

第一部分:力学


第1章 质点运动学

1.1 基本概念

参照系与坐标系

  • 参照系:运动是相对的,描述运动需选定参照系
  • 坐标系:定量描述位置变化的数学工具
    • 直角坐标系:最常用
    • 自然坐标系:已知轨迹时使用
    • 极坐标系:平面圆周运动
  • 质点:忽略形状大小、视为质量集中于一点的对象

位置矢量与位移

概念定义说明
位置矢量(位矢)\vec{r} = x\vec{i} + y\vec{j} + z\vec{k}从原点指向质点所在位置
位移\Delta\vec{r} = \vec{r}(t+\Delta t) - \vec{r}(t)矢量,只与始末位置有关
路程\Delta s标量,实际轨迹长度

⚠️ 重要区别:|\Delta\vec{r}| \neq \Delta s(一般情况),|\Delta\vec{r}| \neq \Delta r(位矢大小增量 ≠ 位移大小)

速度与速率

物理量公式说明
平均速度\bar{\vec{v}} = \dfrac{\Delta\vec{r}}{\Delta t}矢量
瞬时速度\vec{v} = \dfrac{d\vec{r}}{dt}矢量
平均速率\bar{v} = \dfrac{\Delta s}{\Delta t}标量
瞬时速率v = \dfrac{ds}{dt}标量,$

⚠️ 平均速度大小 ≠ 平均速率:|\bar{\vec{v}}| \neq \bar{v}

加速度

\vec{a} = \frac{d\vec{v}}{dt} = \frac{d^2\vec{r}}{dt^2}

  • 加速度方向总指向轨迹凹侧
  • 直角分量:a_x = \dfrac{dv_x}{dt},a_y = \dfrac{dv_y}{dt}

1.2 直角坐标系中的运动描述

运动方程分量式:
\begin{cases} x = x(t) \\ y = y(t) \end{cases}

消去 t 得轨道方程:f(x, y) = 0

速度分量:v_x = \dfrac{dx}{dt},v_y = \dfrac{dy}{dt}

加速度分量:a_x = \dfrac{d^2x}{dt^2},a_y = \dfrac{d^2y}{dt^2}

1.3 圆周运动 ⭐⭐

角量描述

角量定义单位
角位置\theta = \theta(t)rad
角速度\omega = \dfrac{d\theta}{dt}rad/s
角加速度\beta = \dfrac{d\omega}{dt} = \dfrac{d^2\theta}{dt^2}rad/s²

角量与线量关系 ⭐⭐

\boxed{v = R\omega}

\boxed{a_\tau = R\beta}

\boxed{a_n = R\omega^2 = \frac{v^2}{R}}

  • a_\tau:切向加速度(改变速度大小)
  • a_n:法向加速度(改变速度方向,总指向圆心)
  • 总加速度:a = \sqrt{a_\tau^2 + a_n^2}

自然坐标系下的牛顿方程

F_\tau = ma_\tau = m\frac{dv}{dt}, \quad F_n = ma_n = m\frac{v^2}{\rho}

1.4 相对运动

伽利略变换(经典力学):

\Delta\vec{r} = \Delta\vec{r}\,' + \Delta\vec{r}_0

\vec{v} = \vec{v}\,' + \vec{v}_0

\vec{a} = \vec{a}\,' + \vec{a}_0

经典力学认为时间和空间是绝对的,与参照系无关

1.5 运动学两类问题

类型已知求方法
第一类运动方程 \vec{r}(t)v(t)、a(t)微分法:v = dr/dt,a = dv/dt
第二类加速度 a(t) + 初始条件v(t)、\vec{r}(t)积分法:v = v_0 + \int a\,dt,\vec{r} = \vec{r}_0 + \int v\,dt

第2章 质点动力学

2.1 牛顿运动定律 ⭐⭐⭐

定律内容公式要点
第一定律惯性定律\sum\vec{F}=0 \Rightarrow \vec{v}=C定义了力与惯性、惯性系
第二定律运动定律\vec{F} = m\vec{a}瞬时关系、矢量性、适用于惯性系
第三定律作用力与反作用力\vec{F}_{12} = -\vec{F}_{21}成对、同时、等大反向、同性质

牛顿第二定律的分量形式

直角坐标:
\sum F_x = ma_x, \quad \sum F_y = ma_y

自然坐标(已知轨迹):
\sum F_\tau = m\frac{dv}{dt}, \quad \sum F_n = m\frac{v^2}{\rho}

2.2 常见力 ⭐

力类型公式说明
万有引力F = G\dfrac{m_1 m_2}{r^2}G = 6.67 \times 10^{-11}
重力W = mgg \approx 9.8 m/s²
弹簧弹力F = -kx虎克定律
静摩擦力f_s \leq \mu_s N变力,需按平衡/运动判定
滑动摩擦力f_k = \mu_k N方向与相对运动方向相反
流体阻力低速 f = kv,高速 f = k'v^2

万有引力重要推论

  1. 球对称体外质点 → 质量视为集中于球心
  2. 匀质球体内距球心 r 处 → 引力仅来自 r 以内的质量
  3. 匀质球壳内任意位置 → 合力为零

2.3 解题标准步骤

  1. 选对象:隔离物体,明确研究对象
  2. 看运动:确定运动状态(匀速/变速、直线/曲线)
  3. 查受力:全面画出受力图,不漏力不添力
  4. 建坐标:根据运动特征选坐标系(直角/自然/极坐标)
  5. 列方程:分量形式 + 运动学关系 + 辅助条件
  6. 求解讨论:先文字推导,后代入数值,检验合理性

2.4 动量定理与动量守恒 ⭐⭐

冲量与动量

\vec{I} = \int_{t_1}^{t_2} \vec{F}\,dt

\vec{p} = m\vec{v}

动量定理

\vec{I} = \vec{p}_2 - \vec{p}_1

质点系:\vec{I}_{\text{外}} = \vec{p} - \vec{p}_0,其中 \vec{p} = \sum m_i\vec{v}_i = M\vec{v}_C

内力不改变系统总动量,仅交换内部动量

动量守恒定律

\sum\vec{F}_{\text{外}} = 0 \;\Rightarrow\; \sum m_i\vec{v}_i = \text{常数}

  • 若某一方向上合外力为零,则该方向动量守恒
  • 适用条件:合外力为零

2.5 功与动能定理

功的定义

A = \int \vec{F} \cdot d\vec{r}

动能与动能定理

E_k = \frac{1}{2}mv^2

A = E_k - E_{k0}

质点系:A_{\text{外}} + A_{\text{内}} = E_k - E_{k0}

2.6 保守力与势能 ⭐

保守力

做功仅与始末位置有关、与路径无关的力。如:重力、弹簧弹力、万有引力。

势能定义

E_p = -\int_{\vec{r}_0}^{\vec{r}} \vec{F}_{\text{保}} \cdot d\vec{r}

力类型势能表达式
重力E_p = mgh(h 为从参考零点算起的高度)
弹簧弹性力E_p = \dfrac{1}{2}kx^2
万有引力E_p = -G\dfrac{Mm}{r}(无穷远为零点)

功能原理

A_{\text{外}} + A_{\text{非保内}} = E - E_0

其中 E = E_k + E_p 为机械能。

机械能守恒定律 ⭐⭐

A_{\text{外}} = 0 \;\text{且}\; A_{\text{非保内}} = 0 \;\Rightarrow\; E = E_0 = \text{常数}

封闭保守系统中机械能守恒

2.7 质心运动

质心位置

离散:\vec{r}_C = \dfrac{\sum m_i \vec{r}_i}{M}

连续:\vec{r}_C = \dfrac{\int \vec{r}\,dm}{M}

质心运动定理

\vec{F}_{\text{合外}} = M\vec{a}_C

质点系质心的运动等同于所有质量集中在质心、所有外力作用在质心上的单个质点的运动

2.8 碰撞问题

类型动量动能
完全弹性碰撞守恒守恒
完全非弹性碰撞守恒不守恒(碰后粘在一起)
非完全弹性碰撞守恒不守恒

第3章 刚体力学基础

3.1 转动惯量 ⭐⭐

定义

J = \sum \Delta m_i r_i^2 \quad \text{或} \quad J = \int r^2 dm

常见刚体的转动惯量

刚体转轴转动惯量
细杆(长 L)过中点垂直J = \dfrac{1}{12}mL^2
细杆(长 L)过一端垂直J = \dfrac{1}{3}mL^2
匀质圆环(半径 R)过中心垂直环面J = mR^2
匀质圆盘(半径 R)过中心垂直盘面J = \dfrac{1}{2}mR^2
匀质球体(半径 R)过球心J = \dfrac{2}{5}mR^2
匀质球壳(半径 R)过球心J = \dfrac{2}{3}mR^2
正方形薄板(边长 L)过中心垂直板面J = \dfrac{1}{6}mL^2
正方形薄板(边长 L)过一边J = \dfrac{1}{3}mL^2

平行轴定理

J = J_C + md^2

  • J_C:过质心轴的转动惯量
  • d:两平行轴之间的距离

3.2 转动定律 ⭐⭐⭐

力矩

\vec{M} = \vec{r} \times \vec{F}, \quad M = Fr\sin\varphi

转动定律(类比牛顿第二定律)

\boxed{M = J\beta}

M_{\text{合外力矩}} = J\frac{d\omega}{dt}

角量与线量

v = r\omega, \quad a_\tau = r\beta, \quad a_n = r\omega^2

3.3 刚体转动的功与能 ⭐

转动动能

E_k = \frac{1}{2}J\omega^2

力矩的功

A = \int_{\theta_1}^{\theta_2} M\,d\theta

动能定理

A = \frac{1}{2}J\omega^2 - \frac{1}{2}J\omega_0^2

含刚体系统的机械能守恒

E = \frac{1}{2}mv^2 + mgh + \frac{1}{2}J\omega^2 = \text{常数}

3.4 角动量定理与角动量守恒 ⭐⭐⭐

角动量

质点对定点:\vec{L} = \vec{r} \times m\vec{v}

刚体绕定轴:\boxed{L = J\omega}

含刚体和质点的系统:L = \sum m_i v_i d_i + \sum J_i \omega_i

角动量定理

\int_{t_1}^{t_2} M\,dt = L_2 - L_1

角动量守恒定律 ⭐

\boxed{M_{\text{合外}} = 0 \;\Rightarrow\; L = \text{常数}}

最常见应用:转动惯量变化引起角速度变化。人从转台中心走到边缘 → J 增大 → \omega 减小

3.5 刚体-质点混合系统解题要点

  1. 分别隔离:质点列牛顿第二定律 \vec{F} = m\vec{a},刚体列转动定律 M = J\beta
  2. 无滑动条件:a = R\beta
  3. 绳子约束:a_1 = R_1\beta,a_2 = R_2\beta
  4. 角动量守恒:适用于定轴转动系统合外力矩为零时

第二部分:热学


第4章 热力学基础

4.1 基本概念

平衡态

系统宏观性质不随时间变化的状态,有确定的状态参量 (p, V, T) 和内能 E。

理想气体状态方程 ⭐

\boxed{pV = \nu RT}

  • \nu:物质的量(mol)
  • R = 8.31 J/(mol·K):气体常量

4.2 热力学第一定律 ⭐⭐⭐

\boxed{Q = \Delta E + W}

  • Q:系统吸收的热量(吸热为正)
  • \Delta E:内能变化(增加为正)
  • W:系统对外做的功(W = \int p\,dV)

\Delta E 仅与始末状态有关(状态函数),Q 和 W 与过程有关(过程量)

4.3 理想气体的摩尔热容 ⭐

热容公式关系
定容摩尔热容C_V = \dfrac{i}{2}R
定压摩尔热容C_p = C_V + R = \dfrac{i+2}{2}RC_p > C_V
比热容比\gamma = \dfrac{C_p}{C_V} = \dfrac{i+2}{i}
  • 单原子分子:i = 3,C_V = \dfrac{3}{2}R,\gamma = \dfrac{5}{3}
  • 刚性双原子分子:i = 5,C_V = \dfrac{5}{2}R,\gamma = \dfrac{7}{5}
  • 刚性多原子分子:i = 6,C_V = 3R,\gamma = \dfrac{4}{3}

4.4 理想气体典型过程 ⭐⭐⭐

过程特征功 W热量 Q内能变化 \Delta E
等容V = C0\nu C_V(T_2 - T_1)\nu C_V(T_2 - T_1)
等压p = Cp(V_2 - V_1) = \nu R(T_2 - T_1)\nu C_p(T_2 - T_1)\nu C_V(T_2 - T_1)
等温T = C\nu RT\ln\dfrac{V_2}{V_1} = \nu RT\ln\dfrac{p_1}{p_2}W0
绝热Q = 0-\nu C_V(T_2 - T_1) = \dfrac{p_1V_1 - p_2V_2}{\gamma - 1}0\nu C_V(T_2 - T_1)

绝热过程方程

pV^\gamma = C_1, \quad TV^{\gamma-1} = C_2, \quad p^{\gamma-1}T^{-\gamma} = C_3

绝热线比等温线更陡

4.5 循环过程 ⭐⭐

热机循环(顺时针)

热机效率:
\boxed{\eta = \frac{W}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}}

卡诺热机效率:
\boxed{\eta_\text{卡诺} = 1 - \frac{T_2}{T_1}}

  • T_1:高温热源温度
  • T_2:低温热源温度
  • 卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成

制冷循环(逆时针)

制冷系数:
\boxed{\varepsilon = \frac{Q_2}{W} = \frac{Q_2}{Q_1 - Q_2}}

卡诺制冷系数:
\boxed{\varepsilon_\text{卡诺} = \frac{T_2}{T_1 - T_2}}

4.6 热力学第二定律 ⭐

两种表述

表述内容
开尔文表述不可能从单一热源吸热完全变成功而不产生其他影响
克劳修斯表述热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化

两种表述等价,本质:与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的

熵

S = k\ln\Omega

孤立系统中自然过程熵增加:\Delta S > 0


第5章 气体动理论

5.1 统计规律与分子热运动

  • 单个分子运动杂乱无章
  • 大量分子的集体表现满足统计规律
  • 平衡态下分子各微观量的平均值为定值

5.2 麦克斯韦速率分布律 ⭐

速率在 v \sim v + dv 之间的分子数占比:

\frac{dN}{N} = 4\pi\left(\frac{\mu}{2\pi kT}\right)^{3/2} e^{-\frac{\mu v^2}{2kT}} v^2 dv = f(v)dv

三种特征速率 ⭐⭐

速率公式特点
最概然速率v_p = \sqrt{\dfrac{2kT}{\mu}} = \sqrt{\dfrac{2RT}{M}}分布函数最大值
平均速率\bar{v} = \sqrt{\dfrac{8kT}{\pi\mu}} = \sqrt{\dfrac{8RT}{\pi M}}算数平均
方均根速率\sqrt{\overline{v^2}} = \sqrt{\dfrac{3kT}{\mu}} = \sqrt{\dfrac{3RT}{M}}与能量相关

大小关系:v_p < \bar{v} < \sqrt{\overline{v^2}}

5.3 压强与温度的微观意义

压强公式

\boxed{p = \frac{1}{3}n\mu\overline{v^2} = \frac{2}{3}n\bar{\varepsilon}_{kt}}

  • n:分子数密度
  • \mu:单个分子质量
  • \bar{\varepsilon}_{kt} = \dfrac{1}{2}\mu\overline{v^2}:分子平均平动动能

温度公式

\boxed{\bar{\varepsilon}_{kt} = \frac{3}{2}kT}

温度是大量气体分子平均平动动能的量度

5.4 能量均分定理

在平衡状态下,分子每个自由度平均分配 \dfrac{1}{2}kT 的能量。

分子类型自由度 i平均总动能
单原子3(平动)\dfrac{3}{2}kT
刚性双原子5(3平动+2转动)\dfrac{5}{2}kT
刚性多原子6(3平动+3转动)3kT

理想气体内能:
E = \nu \cdot \frac{i}{2}RT


第三部分:电磁学


第6章 静电场

6.1 电场强度 ⭐

定义

\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q_0}

点电荷电场

\vec{E} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q}{r^2}\hat{r}

电场叠加原理

\vec{E} = \sum \vec{E}_i = \int d\vec{E}

计算时先分解为分量再积分:E_x = \int dE_x,E_y = \int dE_y

常见带电体的电场 ⭐

带电体电场公式
均匀带电圆环轴线E = \dfrac{qx}{4\pi\varepsilon_0(x^2 + R^2)^{3/2}},环心 E = 0
无限大均匀带电平面E = \dfrac{\sigma}{2\varepsilon_0}
均匀带电直线E = \dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 a}(无限长)

6.2 高斯定理 ⭐⭐⭐

电通量

\Phi_e = \iint_S \vec{E} \cdot d\vec{S}

高斯定理

\boxed{\oint_S \vec{E} \cdot d\vec{S} = \frac{1}{\varepsilon_0}\sum q_{\text{内}}}

静电场中通过任意闭合曲面的电通量等于面内电荷代数和的 1/\varepsilon_0

适用条件:电荷分布具有对称性(球/柱/平面对称)

用高斯定理求对称电场 ⭐⭐

带电体电场分布
均匀带电球体E = \begin{cases} \dfrac{rQ}{4\pi\varepsilon_0 R^3} & (r \leq R) \\ \dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_0 r^2} & (r > R) \end{cases}
无限长均匀带电圆柱体E = \begin{cases} \dfrac{\lambda r}{2\pi\varepsilon_0 R^2} & (r \leq R) \\ \dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r} & (r > R) \end{cases}

6.3 电势 ⭐⭐

静电场的环路定理

\oint_L \vec{E} \cdot d\vec{l} = 0

静电场是保守场(无旋场)

电势定义

U_P = \int_P^\infty \vec{E} \cdot d\vec{l}

电势差:U_{AB} = U_A - U_B = \int_A^B \vec{E} \cdot d\vec{l}

电势计算

带电体方法公式
一般电荷系电势叠加U = \int \dfrac{dq}{4\pi\varepsilon_0 r}
球/柱对称先求 E(r) 再积分U_P = \int_{r_P}^\infty E(r)dr
点电荷—U = \dfrac{q}{4\pi\varepsilon_0 r}

电场强度与电势的关系

\vec{E} = -\nabla U, \quad E_x = -\frac{\partial U}{\partial x}

电场强度等于电势的负梯度;电场方向指向电势降低最快的方向

6.4 电场对电荷的作用

点电荷 q电偶极子 \vec{p} = q\vec{l}
受力/力矩\vec{F} = q\vec{E}\vec{M} = \vec{p} \times \vec{E}
势能W = qUW = -\vec{p} \cdot \vec{E}
电场力做功A_{ab} = q(U_a - U_b)

第7章 静电场中的导体和电介质

7.1 导体的静电平衡 ⭐

静电平衡条件

  1. 导体内 \vec{E} = 0
  2. 导体表面电场垂直于表面

静电平衡时导体的性质

  • 电场:内部为零,表面垂直
  • 电势:整体是等势体,表面是等势面
  • 电荷:内部无净电荷,只分布在表面
  • 表面电场:E = \dfrac{\sigma}{\varepsilon_0}(尖端放电:曲率越大电荷密度越大)

空腔导体

  • 空腔内场强为零,不受外电场影响(静电屏蔽)
  • 内表面无电荷,电荷只分布在外表面

7.2 电容器的电容 ⭐

定义

\boxed{C = \frac{Q}{U_{AB}}}

常见电容器的电容

电容器公式
平行板电容器C = \dfrac{\varepsilon_0 S}{d}
(有介质时)C = \dfrac{\varepsilon_0\varepsilon_r S}{d}

串并联

联接特点等效电容
串联电量相等,总电压为分压和\dfrac{1}{C} = \dfrac{1}{C_1} + \dfrac{1}{C_2} + \cdots
并联电压相等,总电量为各电量之和C = C_1 + C_2 + \cdots

7.3 电介质 ⭐

极化强度

\vec{P} = \lim_{\Delta V \to 0} \frac{\sum \vec{p}_i}{\Delta V}

表面极化电荷面密度:\sigma' = P_n(法向分量)

电位移矢量

\vec{D} = \varepsilon_0\vec{E} + \vec{P}

有介质时的高斯定理

\boxed{\oint_S \vec{D} \cdot d\vec{S} = \sum Q_{0\text{内}}}

电位移通量仅与面内自由电荷有关

各向同性线性电介质

\vec{D} = \varepsilon_0\varepsilon_r\vec{E} = \varepsilon\vec{E}

  • \varepsilon_r:相对介电常量
  • \varepsilon = \varepsilon_0\varepsilon_r:介电常量

含介质对称电场求解步骤:

  1. 高斯定理求 \vec{D}(不考虑介质)
  2. \vec{E} = \vec{D}/\varepsilon

7.4 静电场的能量 ⭐

电容器储能

W_e = \frac{1}{2}QU = \frac{1}{2}\frac{Q^2}{C} = \frac{1}{2}CU^2

电场能量密度

\boxed{w_e = \frac{1}{2}\varepsilon E^2 = \frac{1}{2}DE}

总能量

W_e = \int_\Omega w_e\,dV


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基础物理复习上
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作者
wtwl
发布于
2026-06-24
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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