物理选修3-1 知识点归纳

物理学是一门探究自然界基本规律的学科，选修3-1主要聚焦于电磁学的基础内容，这部分知识不仅是高中物理的核心，也是理解现代科技的基石。从微观的电荷相互作用到宏观的电磁场应用，本章内容层层递进，逻辑严密。以下将对各主要知识点进行系统梳理，旨在帮助同学们构建清晰的知识框架，深化理解。一、静电场1.电荷及其守恒定律自然界中存在两种电荷，即正电荷和负电荷。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。电荷的多少叫做电荷量，其单位是库仑，简称库，符号为C。电荷守恒定律是自然界的基本规律之一，其内容为：电荷既不会创生，也不会消灭，它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；在转移过程中，电荷的总量保持不变。摩擦起电、感应起电和接触起电都是电荷转移的过程，均遵循电荷守恒定律。元电荷是指电子所带的电荷量，用e表示，所有带电体的电荷量都是元电荷的整数倍。2.库仑定律真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。这个规律叫做库仑定律。其数学表达式为：F=k*(q₁q₂)/r²其中，k为静电力常量，其值为k=9.0×10⁹N·m²/C²。库仑定律的适用条件是真空中的点电荷。点电荷是一种理想化的物理模型，当带电体的形状、大小及电荷分布对它们之间的相互作用力的影响可以忽略时，这样的带电体就可以看作点电荷。3.电场强度电场是存在于电荷周围的一种特殊物质，电荷之间的相互作用是通过电场发生的。电场的基本性质是对放入其中的电荷有力的作用，这种力叫做电场力。为了描述电场的强弱和方向，引入电场强度的概念。放入电场中某点的试探电荷所受的电场力F跟它的电荷量q的比值，叫做该点的电场强度，简称场强。定义式为：E=F/q电场强度是矢量，其方向规定为正电荷在该点所受电场力的方向。负电荷在该点所受电场力的方向与该点的场强方向相反。场强的单位是牛每库（N/C）。点电荷Q在真空中形成的电场，在距离Q为r的某点的场强大小为：E=kQ/r²电场强度的叠加遵循矢量叠加原理，即某点的合场强等于各个点电荷单独在该点产生的场强的矢量和。4.电场线电场线是为了形象地描述电场而引入的假想曲线。电场线的疏密程度表示电场的强弱，电场线上某点的切线方向表示该点的场强方向。电场线具有以下特点：始于正电荷（或无穷远），终于负电荷（或无穷远）；不闭合，不相交；在同一电场中，电场线越密的地方场强越大，越疏的地方场强越小。几种常见电场的电场线分布情况需要掌握，如孤立正、负点电荷的电场线，等量同种、异种点电荷的电场线，匀强电场的电场线等。匀强电场的电场线是间隔相等的平行直线。5.电势能、电势和电势差电荷在电场中具有的势能叫做电势能，用Eₚ表示。电场力对电荷做功，电荷的电势能会发生变化。电场力做正功，电势能减少；电场力做负功（或克服电场力做功），电势能增加。电场力做功与电势能变化的关系为：Wₐᵦ=Eₚₐ-Eₚᵦ即电场力做的功等于电势能的减少量。电势是描述电场能的性质的物理量。电场中某点的电势φ，等于该点相对零电势点的电势能Eₚ与试探电荷电荷量q的比值，定义式为：φ=Eₚ/q电势是标量，其单位是伏特（V）。电势的高低与零电势点的选取有关，通常取无穷远处或大地的电势为零。电场中两点间电势的差值叫做电势差，也叫电压。设电场中A点的电势为φₐ，B点的电势为φᵦ，则A、B两点间的电势差为：Uₐᵦ=φₐ-φᵦ电势差与电场力做功的关系为：Wₐᵦ=qUₐᵦ这个公式表明，电荷q在电场中从A点移到B点时，电场力做的功Wₐᵦ等于电荷量q与A、B两点间电势差Uₐᵦ的乘积。6.等势面电场中电势相等的各点构成的面叫做等势面。等势面与电场线垂直，即电场线的方向总是垂直于等势面。在同一等势面上移动电荷时，电场力不做功。等势面的疏密程度也可以反映电场的强弱，等差等势面越密的地方，电场强度越大。7.静电场中的导体导体内部有大量的自由电荷。当导体处于静电场中时，自由电荷会在电场力的作用下发生定向移动，从而使导体两端出现等量异种电荷，这种现象叫做静电感应。当导体中没有电荷定向移动时，我们说导体达到了静电平衡状态。处于静电平衡状态的导体具有以下特点：导体内部的电场强度处处为零；导体是一个等势体，导体表面是一个等势面；净电荷只分布在导体的外表面上，且在导体表面，越尖锐的位置电荷分布越密集。8.电容器与电容电容器是储存电荷和电能的装置。任何两个彼此绝缘又相距很近的导体，都可以组成一个电容器。电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间的电势差U的比值，叫做电容器的电容，定义式为：C=Q/U电容是描述电容器容纳电荷本领的物理量，其单位是法拉（F），常用单位还有微法（μF）和皮法（pF），它们之间的换算关系为1F=10⁶μF=10¹²pF。平行板电容器是一种常见的电容器，其电容的大小与两极板的正对面积S、极板间的距离d以及极板间电介质的相对介电常数εᵣ有关，决定式为：C=εᵣS/(4πkd)电容器的充电和放电是重要的物理过程。充电时，电容器两极板带等量异种电荷，两极板间形成电场，储存电能；放电时，电荷中和，电场消失，电能转化为其他形式的能。二、恒定电流1.电流和电阻定律电荷的定向移动形成电流。要形成持续的电流，需要两个条件：一是要有能自由移动的电荷（自由电荷），二是导体两端要有电压（电势差）。电流的强弱用电流强度（简称电流）来描述。通过导体横截面的电荷量q跟通过这些电荷量所用时间t的比值，叫做电流I，定义式为：I=q/t电流的单位是安培（A），常用单位还有毫安（mA）和微安（μA）。电流是标量，但习惯上规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。金属导体中电流的微观表达式为I=nqSv，其中n是单位体积内的自由电子数，q是每个自由电子的电荷量，v是自由电子定向移动的平均速率，S是导体的横截面积。电阻是表示导体对电流阻碍作用大小的物理量。实验表明，在温度不变时，导体的电阻R跟它的长度L成正比，跟它的横截面积S成反比，这就是电阻定律，表达式为：R=ρL/S其中ρ是比例系数，叫做材料的电阻率，它反映了材料导电性能的好坏，单位是欧姆·米（Ω·m）。电阻率的大小与材料的种类和温度有关，大多数金属的电阻率随温度的升高而增大。2.欧姆定律导体中的电流I跟导体两端的电压U成正比，跟导体的电阻R成反比，这个规律叫做欧姆定律，表达式为：I=U/R欧姆定律适用于金属导体和电解液导电，不适用于气体导电和某些半导体元件。导体的伏安特性曲线是以电压U为横轴、电流I为纵轴画出的曲线。对于遵守欧姆定律的导体，其伏安特性曲线是一条过原点的直线，其斜率等于电阻的倒数。3.电功和电功率电流通过导体时所做的功叫做电功，实质上是电场力对自由电荷做功。电功W的计算公式为：W=UIt电功的单位是焦耳（J），常用单位还有千瓦时（kW·h），1kW·h=3.6×10⁶J。电流所做的功与完成这些功所用时间的比值叫做电功率，P=W/t=UI。电功率是表示电流做功快慢的物理量，单位是瓦特（W）。对于纯电阻电路（电能全部转化为内能的电路），电功和电功率还可以表示为W=I²Rt=U²t/R，P=I²R=U²/R。4.焦耳定律电流通过导体产生的热量Q跟电流I的二次方成正比，跟导体的电阻R成正比，跟通电时间t成正比，这个规律叫做焦耳定律，表达式为：Q=I²Rt在纯电阻电路中，电流产生的热量等于电功，即Q=W；在非纯电阻电路中，电流产生的热量小于电功，即Q<W，此时W=Q+W其他（其他形式的能）。5.电源的电动势和内阻电源是把其他形式的能转化为电能的装置。电源的电动势E是描述电源把其他形式的能转化为电能本领大小的物理量，它等于电源没有接入电路时两极间的电压。电动势的单位是伏特（V）。电源内部也是由导体组成的，所以也有电阻，叫做电源的内阻r。6.闭合电路的欧姆定律闭合电路由内电路和外电路两部分组成。内电路是电源内部的电路，外电路是电源外部的电路。闭合电路的欧姆定律指出：闭合电路中的电流I跟电源的电动势E成正比，跟内、外电路的电阻之和（R+r）成反比，表达式为：I=E/(R+r)由上式可得E=IR+Ir=U外+U内，其中U外=IR是外电路两端的电压（路端电压），U内=Ir是内电路的电压（内电压）。路端电压U与电流I的关系为U=E-Ir。当外电阻R增大时，电流I减小，路端电压U增大；当外电阻R减小时，电流I增大，路端电压U减小。当外电路断路时，R趋近于无穷大，I=0，U=E；当外电路短路时，R=0，I=E/r（短路电流），U=0。7.多用电表的使用多用电表是一种可以测量电流、电压、电阻等多种电学量的仪表，其核心部件是表头（灵敏电流计）。使用多用电表时，首先要进行机械调零，使指针指在刻度盘左端的零刻度线处。测量不同电学量时，要选择合适的挡位，并进行相应的调零（如测量电阻时要进行欧姆调零）。读数时要根据所选挡位和刻度盘上的对应刻度进行。三、磁场1.磁场的基本性质磁体与磁体之间、磁体与通电导体之间以及通电导体与通电导体之间的相互作用，都是通过磁场发生的。磁场是存在于磁体、电流和运动电荷周围的一种特殊物质。磁场的基本性质是对放入其中的磁体或通电导体有力的作用。我们规定，在磁场中的某一点，小磁针静止时北极所指的方向就是该点的磁场方向。2.磁感应强度为了描述磁场的强弱和方向，引入磁感应强度的概念。在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的安培力F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值，叫做通电导线所在处的磁感应强度B，定义式为：B=F/(IL)磁感应强度是矢量，其方向就是该点的磁场方向。磁感应强度的单位是特斯拉（T），1T=1N/(A·m)。3.磁感线磁感线是为了形象地描述磁场而引入的假想曲线。磁感线上某点的切线方向表示该点的磁感应强度方向，磁感线的疏密程度表示磁感应强度的大小。磁感线具有以下特点：在磁体外部，磁感线从N极出发回到S极；在磁体内部，磁感线从S极指向N极，形成闭合曲线；任意两条磁感线都不相交。几种常见磁场的磁感线分布情况需要掌握，如条形磁铁、蹄形磁铁、直线电流、环形电流、通电螺线管的磁感线等。4.安培力磁场对通电导线的作用力叫做安培力。安培力的大小：当导线方向与磁场方向垂直时，安培力最大，F=BIL；当导线方向与磁场方向平行时，安培力为零；当导线方向与磁场方向成θ角时，安培力F=BILsinθ。安培力的方向由左手定则判定：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。5.洛伦兹力磁场对运动电荷的作用力叫做洛伦兹力。洛伦兹力的大小：当电荷的运动方向与磁场方向垂直时，洛伦兹力最大，f=qvB；当电荷的运动方向与磁场方向平行时，洛伦兹力为零；当电荷的运动方向与磁场方向成θ角时，洛伦兹力f=qvBsinθ。洛伦兹力的方向也由左手定则判定，但要注意：对于正电荷，四指指向电荷的运动方向；对于负电荷，四指指向电荷运动的反方向。洛伦兹力的方向总是垂直于速度v和磁感应强度B所决定的平面。由于洛伦兹力的方向始终与电荷的运动方向垂直，所以洛伦兹力不做功，它只改变电荷运动的方向，不改变电荷运动速度的大小。6.带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子以垂直于磁场方向的速度进入匀强磁场时，由于洛伦兹力提供向心力，粒子将做匀速圆周运动。根据牛顿第二定律有：qvB=mv²/r由此可得粒子做匀速圆周运动的半径r=mv/(qB)，周期T=2πr/v=2πm/(qB)。可见，周