高中物理知识框架·选择性必修第二册（人教版 2019 版）

第一章 安培力与洛伦兹力　必修三只说了「磁场对通电导线有力的作用」，这一章把它定量化，并追到微观：安培力其实是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现。带电粒子在匀强磁场中的圆周运动，流程与必修二完全一样。

第1节 磁场对通电导线的作用力　安培力：磁场对通电导线的作用力。大小 F = BIL sinθ，其中 θ 是电流方向与磁场方向的夹角。　两种特殊情形：电流与磁场垂直时安培力最大，F = BIL；电流与磁场平行时安培力为零。这两条是判断题的常见素材。　左手定则：磁感线穿入手心，四指指电流，拇指所指就是安培力。安培力与洛伦兹力都用左手，判断磁场方向才用右手。　方向的三个特点：安培力同时垂直于磁场与电流，即垂直于 B 与 I 所决定的那个平面，方向是唯一确定的。　F = BIL sinθ（安培力）　适用：θ 为电流与磁场的夹角。垂直时 F = BIL，平行时 F = 0

第2节 磁场对运动电荷的作用力　洛伦兹力：磁场对运动电荷的作用力，F = qvB sinθ。垂直时 F = qvB，平行时为零。　与安培力的关系：安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现。由 F = BIL 与 I = nqSv 即可推出 F = qvB。　方向判断：同样用左手定则，四指指正电荷的运动方向；负电荷则先按正电荷判断再取反。　洛伦兹力永不做功：它始终与速度垂直，所以永远不做功，只改变速度的方向。这是本章最重要的结论。　F = qvB sinθ（洛伦兹力）　适用：θ 为速度与磁场的夹角。垂直时 F = qvB，平行时 F = 0

第3节 带电粒子在匀强磁场中的运动　运动性质：带电粒子垂直进入匀强磁场时，洛伦兹力大小不变、方向始终垂直于速度，恰好提供向心力，粒子做匀速圆周运动。　半径公式：由 qvB = mv²/r 得 r = mv/(qB)。速度越大半径越大，磁场越强半径越小。　周期公式：T = 2πm/(qB)：与速度、半径都无关，只由比荷与磁场决定。回旋加速器正是靠这一条工作。　解题流程：与必修二的圆周运动相同：先定圆心（在洛伦兹力所指方向、与速度垂直），再由几何关系求半径。　圆心的确定：圆心一定在过入射点且垂直于速度的那条直线上，具体在哪一侧由洛伦兹力的指向决定。这是画图的第一步。　r = mv / (qB)（圆周半径）　适用：带电粒子垂直进入匀强磁场。由 qvB = mv²/r 得来　T = 2πm / (qB)（周期）　适用：与速度、半径都无关。这是回旋加速器的工作基础

第4节 质谱仪与回旋加速器　速度选择器：电场力与洛伦兹力方向相反，只有 v = E/B 的粒子能沿直线通过 —— 与电荷量和质量都无关。　质谱仪：由速度选择器与偏转磁场组成。r = mv/(qB) 随比荷而异，不同同位素落在不同位置。　回旋加速器：两个 D 形盒之间加交变电压，每过缝隙加速一次。盒内周期不变，所以交变电压的频率可以固定。　回旋加速器的最大能量：由最大半径决定：Eₖₘₐₓ = q²B²R²/(2m)，与加速电压无关 —— 电压只影响加速次数。　v = E / B（速度选择器的选择速度）　适用：电场力与洛伦兹力平衡。与电荷量、质量都无关　Eₖₘₐₓ = q²B²R² / (2m)（回旋加速器的最大动能）　适用：R 为 D 形盒的半径。与加速电压无关

第二章 电磁感应　必修三已经知道磁通量变化会产生感应电流，这一章补上方向怎么定（楞次定律）与大小怎么算（法拉第定律）。楞次定律的实质极简单 —— 感应电流的效果总是阻碍引起它的那个变化。

第1节 楞次定律　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。　「阻碍」不是「阻止」：变化仍然发生，只是被延缓。若感应电流顺应变化，能量将凭空产生 —— 它的本质是能量守恒。　口诀：来拒去留：磁通量增加时感应电流的磁场与原磁场反向，表现为排斥；减少时同向，表现为吸引。　另一种表述：增反减同：判断步骤固定：先看原磁场方向 → 再看磁通量增还是减 → 定感应电流磁场方向 → 用安培定则定电流方向。　右手定则：切割磁感线时的专用判法：磁感线穿入右手手心，拇指指运动方向，四指所指即电流方向。

第2节 法拉第电磁感应定律　法拉第电磁感应定律：感应电动势与穿过电路的磁通量的变化率成正比：E = nΔΦ/Δt，n 是线圈匝数。　关键在「变化率」：决定电动势的是 ΔΦ/Δt，不是 Φ 本身。磁通量很大而不变时为零，很小但变得快时可以很大。　导体棒切割磁感线：E = BLv（三者两两垂直时）。它是法拉第定律在切割情形下的特例，用起来更直接。　两个式子的分工：E = nΔΦ/Δt 求一段时间内的平均值，E = BLv 求瞬时值。问「某时刻」用后者。　感应电荷量：q = nΔΦ/R。它只与磁通量的变化量有关，与变化的快慢无关。　E = n·ΔΦ / Δt（法拉第电磁感应定律）　适用：求一段时间内的平均电动势。n 为线圈匝数　E = BLv（导体棒切割磁感线）　适用：B、L、v 两两垂直。求瞬时电动势。不垂直时取垂直分量　q = n·ΔΦ / R（感应电荷量）　适用：只与磁通量的变化量有关，与变化快慢无关

第3节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动　涡流：整块导体处在变化的磁场中时，内部产生的环形感应电流。它在导体内部像旋涡一样流动，故名涡流。　涡流的利与弊：利用：电磁炉、高频感应炉、金属探测器。防止：铁芯做成相互绝缘的薄硅钢片叠合。　电磁阻尼：导体在磁场中运动时，感应电流受到的安培力总是阻碍它的运动。电磁阻尼天平、电表指针的快速稳定用的都是它。　电磁驱动：磁场相对导体运动时，安培力驱动导体跟着一起运动。交流感应电动机正是靠旋转磁场带动转子转动。　两者的共同点：电磁阻尼与电磁驱动都是楞次定律的推论：感应电流的效果总是阻碍相对运动。谁动谁不动只是参考系的差别。

第4节 互感和自感　互感：两个线圈之间通过磁场相互影响、在对方线圈中产生感应电动势的现象。变压器正是靠互感工作的。　自感：由于线圈本身电流变化而在自己线圈中产生感应电动势的现象。产生的电动势叫自感电动势。　自感电动势的方向：由楞次定律决定：总是阻碍原电流的变化。电流增大时它反向（阻碍增大），电流减小时它同向（阻碍减小）。　自感系数：L 由线圈本身决定（匝数、截面积、长度、有无铁芯）。有铁芯的大得多。E = L·ΔI/Δt。　通电与断电自感：通电瞬间串联的灯泡缓慢变亮；断电瞬间并联的灯泡先闪亮再熄灭，因为线圈的电流通过它放电。　E = L·ΔI / Δt（自感电动势）　适用：L 为自感系数，由线圈本身决定。电流变化越快，自感电动势越大

第三章 交变电流　上一章讲了怎样产生感应电动势，这一章讲实际发电得到的是什么样的电 —— 线圈在匀强磁场中匀速转动，产生的是按正弦规律变化的交变电流。变压器与远距离输电则回答了「为什么全世界都用交流」这个问题。

第1节 交变电流　交变电流：大小和方向都随时间做周期性变化的电流。发电机产生的正弦式交变电流是最常见的一种。　产生：矩形线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动。线圈平面与磁场平行时电动势最大。　中性面：线圈平面与磁场垂直的位置。此时磁通量最大、变化率为零，电动势为零，电流恰在此刻换向。　两个「最」的位置：磁通量最大处电动势为零（中性面），磁通量为零处电动势最大。这两条互为倒置，是本节最容易记混的地方。　峰值：E₀ = nBAω。从中性面开始计时时，瞬时值 e = E₀ cos(ωt)。　E₀ = nBAω（交变电动势的峰值）　适用：矩形线圈在匀强磁场中匀速转动。A 为线圈面积，ω 为角速度　e = E₀ cos(ωt)（瞬时值）　适用：从中性面开始计时。从与中性面垂直的位置开始计时则写成正弦

第2节 交变电流的描述　峰值与瞬时值：峰值是变化过程中的最大值（E₀、U₀、I₀），瞬时值是某一时刻的值。二者都不能直接用来算功率。　有效值：与某一直流通过相同电阻、相同时间产生相同热量，那个直流的数值就是有效值。　正弦交流的有效值：I = I₀/√2，U = U₀/√2。只对正弦式交变电流成立，方波、三角波等要按定义另算。　各种仪表读的是什么：交流电表的示数、铭牌上的额定值、家庭电路的 220 V，全是有效值。　峰值的用途：只在两处用得着：判断电容器与绝缘材料能否承受，以及由图像读数。功率与热量一律用有效值。　I = I₀ / √2　U = U₀ / √2（正弦交流的有效值）　适用：只对正弦式交变电流成立。非正弦波形须按「相同时间产生相同热量」的定义另算　P = UI = I²R = U²/R（交流电路的功率）　适用：式中 U、I 一律是有效值。代入峰值会使结果偏大一倍

第3节 变压器　工作原理：靠互感：原线圈的交变电流产生交变磁通，在副线圈中产生感应电动势。它只能变交流。　电压关系：U₁/U₂ = n₁/n₂。电压之比等于匝数之比 —— 匝数多的一侧电压高。　电流关系：理想变压器 P₁ = P₂，所以 I₁/I₂ = n₂/n₁。电压高的那一侧电流小。　因果顺序：原线圈电压 → 副线圈电压 → 副线圈电流 → 原线圈电流。顺序不能倒：原边电流由副边「要多少」决定。　多个副线圈：U₁/n₁ = U₂/n₂ = U₃/n₃（每匝电压相等）；功率关系 P₁ = P₂ + P₃。　U₁ / U₂ = n₁ / n₂（变压器的电压关系）　适用：理想变压器。匝数多的一侧电压高　I₁ / I₂ = n₂ / n₁（变压器的电流关系）　适用：理想变压器（P₁ = P₂）。与电压关系恰好相反

第4节 电能的输送　输电线上的损耗：ΔP = I²R线。输送功率一定时电流越小损耗越小，而 P = UI，所以提高电压就能减小电流。　为什么是平方关系：电压提高 n 倍，电流减小到 1/n，损耗减小到 1/n²。这就是要把电压升到几十万伏的原因。　输电线上的电压降：ΔU = IR线。它不是用户端电压，也不是升压站的输出电压 —— 后者等于前两者之和。　完整链路：发电机 → 升压变压器 → 输电线 → 降压变压器 → 用户。计算时逐段列式。　ΔP = I²R线（输电线上的功率损耗）　适用：R线 为输电线的总电阻。输送功率一定时，电压提高 n 倍则损耗降为 1/n²　ΔU = IR线（输电线上的电压降）　适用：它不是用户端电压。升压站输出电压 = ΔU + 降压站输入电压

第四章 电磁振荡与电磁波　必修三给出了麦克斯韦的两条结论，这一章补上机制与实验验证。LC 振荡电路是理解电磁波的入口：电场能与磁场能周期性互换，正如弹簧振子里动能与势能的互换。

第1节 电磁振荡　LC 振荡电路：由电容器与自感线圈组成的回路。充电后的电容器通过线圈放电，电流又给电容器反向充电，如此往复。　能量的互换：电场能与磁场能周期性互换，总能量守恒。这与弹簧振子中动能与势能的互换完全同构。　两个极端时刻：电荷量最大时电流为零、电场能最大；电流最大时电荷量为零、磁场能最大。两者相差四分之一周期。　振荡周期：T = 2π√(LC)：只由电路自身的 L 与 C 决定，与充电电压高低无关。　阻尼振荡与等幅振荡：实际电路有电阻，能量逐渐损耗，振幅衰减，称为阻尼振荡。要得到等幅振荡须由外部持续补充能量。　T = 2π√(LC)（LC 振荡电路的周期）　适用：只由 L 与 C 决定，与初始电压高低无关

第2节 电磁场与电磁波　麦克斯韦电磁场理论：两条核心：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。两者交替产生，由近及远传播。　均匀变化与周期性变化：均匀变化的磁场只产生稳定的电场；周期性变化的磁场才产生周期性变化的电场，从而形成电磁波。　电磁波的性质：横波（电场、磁场与传播方向两两垂直）；不需要介质；真空中速度等于光速；满足 c = λf。　赫兹的验证：1888 年赫兹用实验产生并接收到电磁波，测出速度等于光速，从而证实了麦克斯韦的理论。　电磁波携带能量：电磁波在传播过程中携带能量，频率越高能量越大。太阳能、微波加热都是这一点的应用。　c = λf（电磁波的波速公式）　适用：真空中 c = 3×10⁸ m/s。频率由波源决定，进入介质后波速与波长改变而频率不变

第3节 无线电波的发射和接收　为什么要调制：有效辐射要求频率足够高。声音只有几百到几千赫兹，直接发射效率极低，所以必须装到高频振荡上。　调制：使高频振荡的某个参量随信号而变：振幅变的叫调幅，频率变的叫调频。调频抗干扰更强。　调谐：接收端从众多频率中选出所需的那一个，靠 LC 电路的电磁共振：调可变电容使固有频率等于目标频率。　解调（检波）：把信号从高频电流中取出来，是调制的逆过程。　完整链路：话筒 → 调制 → 发射天线 → 电磁波 → 接收天线 → 调谐 → 解调 → 扬声器。

第4节 电磁波谱　电磁波谱：按波长由长到短排列：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ 射线。　本质相同：各波段本质相同，只是波长不同。都遵守 c = λf，都能反射、折射、干涉、衍射与偏振。　可见光的位置：波长约 400～760 nm，在整个电磁波谱中只占极窄的一段。红光波长最长、紫光最短。　各波段的应用：无线电波用于通信，微波用于雷达与微波炉，红外线用于遥感与热成像，紫外线用于杀菌验钞，X 射线用于透视。　穿透本领：波长越短、频率越高，光子能量越大，穿透本领越强。γ 射线穿透力最强，防护也最困难。

第五章 传感器　这一章不引入新的物理规律，而是把前面学过的东西做成能用的装置：传感器把非电学量（温度、光照、压力、位移）转换成电学量，再由电路去处理。它是全套教材里最接近工程实践的一章，常以设计与分析类开放题出现。

第1节 认识传感器　传感器：能感受温度、光照、压力等非电学量，并把它按一定规律转换成电学量的元件或装置。　三个环节：敏感元件 → 转换元件 → 转换电路。多数传感器把前两步合在一个元件里。　为什么要转换成电学量：电学量便于放大、传输、显示与自动控制。把各种物理量都变成电信号，是现代测量与控制的通用做法。

第2节 常见传感器的工作原理及应用　热敏电阻：阻值随温度显著变化。多数是温度升高电阻减小，与金属导体恰好相反。用于测温与控温。　金属热电阻：用铂等金属制成，温度升高电阻增大，线性度好，用于精密测温。它与热敏电阻方向相反。　光敏电阻：阻值随光照增强而减小的半导体元件。用于光控开关、路灯自动控制、照相机测光。　霍尔元件：把磁感应强度转换成电压：洛伦兹力使载流子在薄片两侧堆积，UH = kIB/d。用于测磁场与转速。　电容式与压力传感器：位移改变极板间距或正对面积，从而改变电容；压力传感器把压力转换成形变再转换成电阻或电容。

第3节 利用传感器制作简单的自动控制装置　自动控制的基本结构：传感器（感知）→ 比较与放大电路（判断）→ 执行元件（动作）。中学阶段的执行元件通常是电磁继电器。　与电磁继电器的配合：传感器所在的是控制电路（低压小电流），继电器触点接通的是工作电路（高压大电流）。　温度报警器：热敏电阻与定值电阻串联：温度升高 → 阻值减小 → 电流增大 → 衔铁被吸合 → 接通报警电路。　光控开关：把热敏电阻换成光敏电阻即可：天黑 → 阻值增大 → 电流减小 → 继电器释放 → 接通路灯。　分析这类电路的顺序：被测量 → 传感器阻值 → 总电阻 → 电流 → 继电器动作 → 工作电路通断。顺序固定，逐环推。