高中物理知识框架·选择性必修第三册（人教版 2019 版）

第一章 分子动理论　九年级已经知道分子在不停地做无规则运动，这一章把它定量化，并引入一套全新的方法：统计。一个分子的速度毫无意义，大量分子速率的分布才是可测的、稳定的。

第1节 分子动理论的基本内容　分子动理论的三条内容：物体是由大量分子组成的；分子在永不停息地做无规则热运动；分子之间存在相互作用的引力和斥力。　阿伏加德罗常数：NA = 6.02×10²³ mol⁻¹。它是连接宏观量与微观量的桥梁，也是本章计算的枢纽。　两类估算：固体液体分子紧密排列，V₀ = V摩尔/NA 就是分子体积；气体算出的则是每个分子平均占有的空间。　布朗运动：悬浮微粒的无规则运动。它不是分子的运动，是大量分子撞击不平衡造成的。微粒越小、温度越高越显著。　分子力随距离的变化：r = r₀ 时合力为零；r < r₀ 时斥力占主导，r > r₀ 时引力占主导；超过 10r₀ 后可以忽略。　N = n·NA = (M/M摩尔)·NA（分子数）　适用：n 为物质的量。也可写成 N = (V/V摩尔)·NA　V₀ = V摩尔 / NA（分子体积（固体、液体））　适用：只对固体和液体成立。对气体，算出的是每个分子平均占有的空间　d = ∛(6V₀/π)（分子直径（球模型））　适用：把分子看作小球。数量级约 10⁻¹⁰ m

第2节 实验：用油膜法估测油酸分子的大小　实验原理：油酸在水面上摊开成单分子层，薄膜的厚度就是分子的直径：d = V/S。　为什么要配成稀溶液：一滴纯油酸摊开的面积远超水盆。配成稀溶液后，一滴里的油酸量极少，面积才落在可测范围内。　两个关键测量：一滴的体积：数出 1 mL 有多少滴再乘以体积分数；油膜面积：描到坐标纸上数格子，不足半格舍去。　误差的方向：面积描得偏大则 d 偏小；油膜没摊开则 d 偏大；把溶液体积当成油酸体积，d 会大得离谱。　d = V / S（油膜法求分子直径）　适用：假定油膜是单分子层。V 为油酸的体积（不是溶液的体积），S 为油膜面积

第3节 分子运动速率分布规律　速率分布的特点：速率呈「中间多、两头少」的分布。这是统计规律，只对大量分子成立。　温度的微观含义：温度是分子平均动能的标志。温度升高时分布曲线的峰向速率大的一侧移动，峰变低变宽。　统计规律的含义：个别分子的速度随机而不可预测，大量分子的整体表现却确定、可重复。这是本册方法上的根本差别。　只对大量分子成立：少数几个分子谈不上「分布」。统计规律必须以大量为前提，这一条在判断题中常被考查。

第4节 分子动能和分子势能　分子动能：分子热运动的动能。个别分子的没有意义，有意义的是平均动能 —— 它只由温度决定。　分子势能：由分子间相互作用与间距决定。r = r₀ 时最小（不是零），比它近或远都增大。　内能：所有分子动能与势能的总和，由温度、体积与物质的量共同决定。　内能与机械能的区别：内能是微观的，机械能是宏观的。静止在地面上的物体机械能可以为零，内能却永远不为零。

第二章 气体、固体和液体　上一章从微观看物质，这一章回到宏观：气体的压强、体积、温度之间遵守三条实验定律，而它们背后的微观解释仍是分子动理论。固体与液体一节则说明了为什么晶体有确定的熔点、为什么液面会绷成一张膜。

第1节 温度和温标　热平衡与温度：两个系统接触后不再交换热量即达到热平衡。处于热平衡的系统温度相同 —— 这就是温度的定义。　热力学温标：开尔文温标，T = t + 273.15。它与摄氏温标分度值相同，所以温度差 ΔT = Δt。　绝对零度：0 K = −273.15 ℃，是温度的下限，只能无限接近而不能达到。　为什么气体定律必须用 T：气体实验定律里的温度是热力学温度。用摄氏温度代入会得到荒谬的结果，这是本章主要失分点。　T = t + 273（热力学温度与摄氏温度）　适用：分度值相同，因此温度差相等：ΔT = Δt

第2节 气体的等温变化　玻意耳定律：一定质量的某种气体，在温度不变时，压强与体积成反比：pV = C，或 p₁V₁ = p₂V₂。　适用条件：一定质量、同一种气体、温度不变。气体不能太密、温度不能太低（否则要用真实气体方程）。　两类图像：p–V 图上等温线是双曲线的一支，离原点越远温度越高；p–1/V 图上是过原点的直线。　微观解释：温度不变则分子平均动能不变；体积减小使数密度增大，单位时间撞击器壁的分子数增多，压强增大。　p₁V₁ = p₂V₂（玻意耳定律）　适用：一定质量的同种气体，温度不变。压强单位两边一致即可，不必换算成帕

第3节 气体的等压变化和等容变化　盖—吕萨克定律（等压变化）：一定质量的气体在压强不变时，体积与热力学温度成正比：V/T = C。　查理定律（等容变化）：一定质量的气体在体积不变时，压强与热力学温度成正比：p/T = C。　图像特征：两图上都是过原点的直线；但实际气体在低温时会液化，所以低温段画成虚线。　微观解释：等容升温时撞击更猛，压强增大；等压升温时体积必须同时增大、数密度减小，压强才不变。　理想气体状态方程：把三条定律合起来：p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂。一定质量的理想气体，无论过程如何，这个量守恒。　V₁/T₁ = V₂/T₂（盖—吕萨克定律（等压））　适用：一定质量的同种气体，压强不变。T 必须是热力学温度　p₁/T₁ = p₂/T₂（查理定律（等容））　适用：一定质量的同种气体，体积不变。T 必须是热力学温度　p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂（理想气体状态方程）　适用：一定质量的理想气体。三条实验定律都是它的特例

第4节 固体　晶体与非晶体：晶体有确定的熔点、有规则的几何外形；非晶体没有确定的熔点、没有规则外形。是否有确定的熔点是根本判据。　单晶体与多晶体：单晶体有规则外形、多数性质各向异性；多晶体由小晶粒杂乱排列，各向同性，但仍有确定熔点。　各向异性：沿不同方向物理性质（导热、导电、光学、机械强度）不同。它是单晶体的特征，由内部微粒排列的方向性决定。　同素异形体：同种元素组成的不同晶体，如石墨与金刚石。原子排列方式不同，宏观性质因此差别极大。

第5节 液体　表面张力：使液体表面收缩到最小的力，沿液面切线方向。露珠成球、水黾停在水面，都是它的表现。　微观解释：表面层的分子比内部稀疏，分子间距大于 r₀，因此分子力表现为引力，使表面有收缩的趋势。　浸润与不浸润：附着层分子受固体吸引较强时浸润（水与玻璃），较弱时不浸润（水银与玻璃）。　毛细现象：浸润液体在细管中上升、不浸润液体下降，管越细越显著。土壤保墒、毛巾吸水靠的都是它。　液晶：介于晶体与液体之间：像液体一样流动，又在某些方向上有序。电场能改变它的排列，显示器由此而来。

第三章 热力学定律　九年级讲过做功与热传递都能改变内能，这一章把它写成一个式子。热力学第一定律就是把能量守恒推广到含内能的过程；第二定律则回答了一个前面从未触及的问题 —— 为什么有些过程只能朝一个方向发生。

第1节 功、热和内能的改变　做功改变内能：实质是能量的转化 —— 机械能（或其他形式的能）与内能之间互相转变。压缩气体、摩擦生热都属于此。　热传递改变内能：实质是能量的转移 —— 内能从一个物体转到另一个，形式不变。热量是这个过程的量度。　两者的等效性：在改变内能的效果上两者等效，因此仅凭「内能增加了」无法判断是哪一种方式造成的。　绝热过程与等容过程：绝热时 Q = 0，内能的改变全靠做功；体积不变时 W = 0，全靠热传递。

第2节 热力学第一定律　热力学第一定律：物体内能的增加量等于外界对物体做的功与物体吸收的热量之和：ΔU = W + Q。　符号规定：外界做功 W > 0，系统吸热 Q > 0，内能增加 ΔU > 0。三个符号必须记牢。　两个特例：绝热 ΔU = W；等容 ΔU = Q；理想气体等温 ΔU = 0，吸多少热就对外做多少功。　第一类永动机：不消耗任何能量却能持续对外做功的机器。它违背能量守恒（热力学第一定律），因此不可能制成。　理想气体的内能：理想气体忽略分子势能，内能只由温度决定。因此温度不变则内能不变 —— 这一条在解题中极常用。　ΔU = W + Q（热力学第一定律）　适用：外界对系统做功 W > 0，系统吸热 Q > 0，内能增加 ΔU > 0。符号是这条定律的一半

第3节 能量守恒定律　能量守恒定律：能量不会凭空产生也不会凭空消失，只会转化或转移，总量始终保持不变。　它的普遍性：它在力学、热学、电磁学、原子物理中都成立，至今没有例外。机械能守恒是它的特例。　第一类永动机的不可能：任何不消耗能量而持续做功的机器都违背它。历史上所有这类方案的失败反成了它的证据。　能量的品质：守恒说的是数量，不涉及品质。集中有序的能量变成分散的内能后，可利用的程度下降。

第4节 热力学第二定律　克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。「自发」二字不可省 —— 制冷机可以做到，但要消耗电能。　开尔文表述：不可能从单一热源吸热并使之完全变为功而不产生其他影响。「不产生其他影响」不可省。　两种表述等价：两者说的是同一件事：与热现象有关的宏观过程都具有方向性，都是不可逆的。　第二类永动机：从单一热源吸热并全部转化为功的机器。它不违背能量守恒，却违背热力学第二定律，因此同样不可能制成。　微观解释：一切自发过程都朝分子运动更无序的方向进行。有序变无序是自发的，反过来不是。

第四章 原子结构和波粒二象性　前五册的物理是连续的、确定的：能量可以取任意值，粒子有确定的轨道。这一章推翻了这两条 —— 光有粒子性，原子的能量只能取分立的值，实物粒子也有波动性。

第1节 普朗克黑体辐射理论　黑体：能完全吸收各种波长的电磁波而不发生反射的物体。黑体辐射的强度按波长的分布只与温度有关，与材料无关。　实验规律：温度升高时各波长的辐射强度都增加，且极大值向短波方向移动。铁块由暗红转橙转白即是。　经典理论的困难：按经典电磁理论计算，短波段的辐射强度会趋于无穷大（史称「紫外灾难」），与实验完全不符。　能量子假说：普朗克 1900 年提出：辐射或吸收能量时只能取 ε = hν 的整数倍。它打破了「能量连续」的观念。　ε = hν（能量子）　适用：h 为普朗克常量。能量只能取 ε 的整数倍

第2节 光电效应　光电效应：金属表面在光照射下发射电子的现象，发射出来的电子叫光电子。　四条实验规律：有截止频率；最大初动能只与频率有关；几乎是瞬时的；饱和光电流与光强成正比。　波动说的困难：按波动说，光够强、照够久总能打出电子，不该有截止频率，也不该是瞬时的。　爱因斯坦的光子说：光本身由一份份光子组成，每个的能量 ε = hν。一个电子一次只吸收一个 —— 截止频率与瞬时性由此而来。　光电效应方程：Eₖₘ = hν − W₀，截止频率 ν₀ = W₀/h。光强决定光子数目，频率决定每个光子的能量。　Eₖₘ = hν − W₀（爱因斯坦光电效应方程）　适用：hν 为光子能量，W₀ 为逸出功。Eₖₘ 为光电子的最大初动能　ν₀ = W₀ / h（截止频率）　适用：低于此频率不发生光电效应，与光强无关

第3节 原子的核式结构模型　α 粒子散射实验：卢瑟福用 α 粒子轰击金箔：绝大多数穿过，极少数偏转超过 90°，甚至被弹回。　对汤姆孙模型的否定：若正电荷像枣糕那样均匀分布，α 粒子受力很小，不可能大角度偏转。　核式结构模型：中心有一个极小的核，集中了全部正电荷与几乎全部质量。核半径约为原子的十万分之一。　经典理论的困难：按经典理论，绕核运动的电子会辐射能量而落入核内，光谱也应是连续的。这一困难由玻尔模型解决。

第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型　线状谱：稀薄气体发光是一条条分立的亮线，每种元素的位置特定，是原子的「指纹」。　玻尔的三条假设：定态（只能处于分立的能量状态，此时不辐射）、跃迁（hν = Eₘ − Eₙ）、轨道量子化。　能级公式：氢原子 Eₙ = E₁/n²，E₁ = −13.6 eV。n 越大能量越高，n = 1 是基态、最稳定。　跃迁的两个要点：光子激发要求能量精确匹配，电子碰撞激发只要动能不小于能级差即可，多余的能量电子带走。　一群原子的谱线数：处于 n 能级的一群氢原子最多发出 n(n−1)/2 种频率的光。注意是「一群」。　hν = Eₘ − Eₙ（跃迁时的光子能量）　适用：m > n。辐射时放出光子，吸收时能量必须恰好匹配　Eₙ = E₁ / n²（氢原子的能级）　适用：E₁ = −13.6 eV 为基态能量。n 越大能级越高　N = n(n−1) / 2（一群氢原子的谱线种数）　适用：从 n 能级向下跃迁。「一群」是前提 —— 一个原子一次只发一种

第5节 粒子的波动性和量子力学的建立　光的波粒二象性：干涉、衍射、偏振表现波动性；光电效应、康普顿效应表现粒子性。两者都是光的本性，在不同的实验中表现出来。　德布罗意波：德布罗意 1924 年提出：实物粒子也具有波动性，波长 λ = h/p。它被称为物质波或德布罗意波。　实验证实：1927 年戴维孙与汤姆孙分别用电子束在晶体上得到衍射图样，证实了电子的波动性。　为什么宏观物体不显波动性：h 极小而宏观物体动量极大，德布罗意波长小到无法观测 —— 与能量量子化在宏观上不显著同一个原因。　概率波与不确定关系：物质波是概率波：波强大处粒子出现的概率大。位置与动量不能同时精确确定，经典的轨道概念不再成立。　λ = h / p = h / (mv)（德布罗意波长）　适用：对一切实物粒子都成立。h 极小，因此宏观物体的波长小到无法观测

第五章 原子核　上一章进到原子内部，这一章再往里一层：核由质子与中子组成，核内是一种全新的力，核的质量比组分之和还小 —— 少掉的那部分正是结合能。

第1节 原子核的组成　核子：原子核由质子与中子组成，二者统称核子。质子带一个单位正电荷，中子不带电，两者质量相近。　两个数：质子数 Z 等于核电荷数、也等于原子序数；质量数 A = 质子数 + 中子数。　同位素：质子数相同而中子数不同的核。化学性质完全相同，物理性质不同。氢有氕、氘、氚三种。　核反应方程的两条守恒：质量数守恒与电荷数守恒。注意：质量数守恒不等于质量守恒 —— 核反应中存在质量亏损。

第2节 放射性元素的衰变　三种射线：α 射线是氦核流（电离最强、穿透最弱），β 射线是电子流（居中），γ 射线是电磁波（穿透最强）。　α 衰变与 β 衰变：α 衰变质量数减 4、电荷数减 2；β 衰变质量数不变、电荷数加 1。γ 射线伴随产生，不改变核的组成。　半衰期：半数核发生衰变所需的时间。它由核自身决定，与温度、压强、化学状态都无关。　统计规律：半衰期是对大量原子核的统计规律。对单个原子核，只能说它在某段时间内衰变的概率，不能预言它何时衰变。　剩余量公式：N = N₀·(1/2)^(t/T)，质量同理：m = m₀·(1/2)^(t/T)。　N = N₀·(1/2)^(t/T)（衰变剩余的原子核数）　适用：T 为半衰期。它是统计规律，只对大量原子核成立

第3节 核力与结合能　核力：核子之间的强相互作用力。它是短程力，在很短距离内远强于库仑斥力，把核子束缚在一起。　结合能：把核子分开成自由核子所需的能量，也等于自由核子结合成核时放出的能量。　质量亏损：核的质量小于组成它的核子质量之和，差值就是质量亏损，对应能量 ΔE = Δmc²。　比结合能：结合能与核子数之比，反映核的稳定程度。中等质量的核比结合能最大，最稳定。　两条取能路径：曲线两端低、中间高，所以重核裂变与轻核聚变都使比结合能增大、都释放能量。　ΔE = Δm·c²（质能方程）　适用：Δm 为质量亏损，c 为真空中光速。常用换算：1 u 对应 931.5 MeV

第4节 核裂变与核聚变　核裂变：重核（铀 235）被中子轰击后分裂成两个中等质量的核，同时放出 2～3 个中子并释放能量。　链式反应：放出的中子再去轰击其他重核，反应自行延续。要求裂变物质的体积超过临界体积。　核反应堆的四个部件：核燃料、慢化剂（把快中子减速）、控制棒（吸收多余中子）、冷却剂（把热量带出去）。　核聚变：氘与氚在极高温下结合成较重的核。能量更多、原料更丰富，但需要上亿摄氏度，尚不能持续可控。　太阳的能源：太阳内部持续进行着氢核聚变。恒星发光的能量都来自聚变 —— 这也是聚变常被称为「人造太阳」的原因。

第5节 「基本」粒子　粒子的分类：强子（参与强相互作用）、轻子（不参与，如电子、中微子）、媒介子（传递相互作用，如光子）。　夸克模型：强子由夸克组成：质子是两个上夸克加一个下夸克，中子相反。夸克带分数电荷。　四种基本相互作用：引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用。强相互作用最强但作用范围最短，引力最弱但作用范围无限远。　「基本」为什么加引号：「基本粒子」的名单一再被改写：原子、质子中子、夸克。加引号是提醒今天的「基本」未必是终点。