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物理竞赛|复习公式

一、力学#

1. 运动学#

角速率为角位置对时间的一阶导数,角加速度为角速度对时间的一阶导数:

θ˙=ω,ω˙=β\dot{\theta}=\omega \quad , \dot{\omega}=\beta

转动参考系中质点加速度,包含向心加速度与切向加速度两项:

a⃗=ω⃗×v⃗+β⃗×r⃗\vec{a}=\vec{\omega}\times\vec{v}+\vec{\beta}\times\vec{r}

极坐标系下速度分解公式,r^\hat{r} 径向、θ^\hat{\theta}横向单位矢量:

v⃗=r˙r^+rθ˙θ^\vec{v}=\dot{r}\hat{r}+r\dot{\theta}\hat{\theta}

极坐标系下加速度分解公式:

a⃗=(r¨−rθ˙2)r^+(rθ¨+2r˙θ˙)θ^\vec{a}=(\ddot{r}-r\dot{\theta}^2)\hat{r}+(r\ddot{\theta}+2\dot{r}\dot{\theta})\hat{\theta}

科里奥利力(科氏力),ω⃗\vec{\omega} 为参考系角速度,v⃗′\vec{v}' 为质点相对参考系的相对速度:

F⃗=−2mω⃗×v⃗′\vec{F}=-2m\vec{\omega}\times\vec{v}'

2. 转动#

力矩定义式;力矩等于角动量对时间的变化率;刚体转动定律:

M⃗=r⃗×F⃗M⃗=dL⃗dtM=Iβ\vec{M}=\vec{r}\times\vec{F} \quad \vec{M}=\frac{d\vec{L}}{dt} \quad M=I\beta

角动量定义式;刚体绕定轴角动量:

L⃗=r⃗×p⃗L=Iω\vec{L}=\vec{r}\times\vec{p} \quad L=I\omega

转动惯量定义(离散质点系):

I=∑miri2I=\sum m_i r_i^2

平行轴定理:刚体对任意轴转动惯量 = 对过质心平行轴转动惯量 + 质心到转轴距离相关项

IO=Ic+md2I_O=I_c+md^2

垂直轴定理,适用于二维薄平面刚体:

Iz=Ix+IyI_z=I_x+I_y

常用转动惯量公式

物体转轴公式
细棒过中心垂直I=112ML2I=\frac{1}{12}ML^2
细棒过端点垂直I=13ML2I=\frac{1}{3}ML^2
圆环/薄圆柱环过中心轴垂直于面I=MR2I=MR^2
实心圆盘过中心轴垂直于面I=12MR2I=\frac12MR^2
细圆环直径I=12MR2I=\frac12MR^2
实心球中心线I=25MR2I=\frac25MR^2
空心球壳中心线I=23MR2I=\frac23MR^2

3. 能量#

刚体转动动能公式:

Ek=12Iω2E_k=\frac12I\omega^2

万有引力引力势能:

Ep=−GMmrE_p=-G\frac{Mm}{r}

天体椭圆轨道总机械能(动能+引力势能,aa为椭圆半长轴):

E=−GMm2aE=-G\frac{Mm}{2a}

柯尼希定理:系统总动能 = 质心动能 + 相对质心运动动能

Ek=Ek相对+EcE_k=E_{k相对}+E_c

4. 简谐振动#

简谐回复力;角频率;周期公式:

F=−kx,ω=km,T=2πωF=-kx \quad , \omega=\sqrt{\frac{k}{m}},\quad T=\frac{2\pi}{\omega}

简谐振动位移表达式,AA振幅,φ\varphi初相位:

x=Acos⁡(ωt+φ)x = A\cos(\omega t+\varphi)

简谐振动微分方程:

x¨+kmx=0\ddot{x}+\frac{k}{m}x=0

简谐振动标准微分形式,解为三角函数振荡解:

x¨+ω2x=0\ddot{x}+\omega^2x=0

指数型微分方程,解为实指数(非振荡):

x¨−ω2x=0\ddot{x}-\omega^2x=0

二、热学#

理想气体状态方程:

pV=nRTpV=nRT

理想气体压强微观表达式,式中nn代表分子数密度:

p=nkTp=nkT

理想气体内能公式,单原子分子i=3i=3,刚性双原子分子i=5i=5:

E=ni2RTE=n\frac{i}{2}RT

定容摩尔热容;迈耶公式(定压摩尔热容):

CV=i2RCp=CV+RC_V=\frac{i}{2}R \quad C_p=C_V+R

绝热指数(比热容比):

γ=CpCV\gamma=\frac{C_p}{C_V}

多方过程通用过程方程:

pVn=ConstpV^n=\text{Const}

n=0n=0:等压 n=1\quad n=1:等温 n=γ\quad n=\gamma:绝热 n→∞\quad n\to\infty:等容

热力学第一定律,QQ系统吸热,WW外界对系统做功:

ΔU=Q+W\Delta U=Q+W

卡诺热机效率,T1T_1高温热源温度,T2T_2低温热源温度:

η=1−T2T1\eta=1-\frac{T_2}{T_1}

三、光学#

1.几何光学#

折射率定义:

n=cvn=\frac{c}{v}

折射定律(斯涅尔定律):

n1sin⁡i1=n2sin⁡i2n_1\sin i_1 = n_2\sin i_2

薄透镜成像公式:

1u+1v=1f\frac1u+\frac1v=\frac1f

横向放大率公式:

m=−vum=-\frac{v}{u}

单球面折射公式:

n1u+n2v=n2−n1r\frac{n_1}{u}+\frac{n_2}{v}=\frac{n_2-n_1}{r}

球面镜反射成像公式:

1u+1v=1f\frac1u+\frac1v=\frac1f

2.波动光学#

光程定义:折射率乘以几何路程

Δ=nL\Delta = nL

四、近代物理#

1.类氢原子#

库仑力提供圆周运动向心力:

kZe⋅er2=mv2rk\frac{Ze\cdot e}{r^2}=m\frac{v^2}{r}

玻尔角动量量子化条件:

mvr=nℏmvr = n\hbar

约化普朗克常数定义:

ℏ=h2π\hbar=\frac{h}{2\pi}

类氢原子能级(总能量,动能+势能):

E=Ek+Ep=−mk2Z2e42ℏ2n2E=E_k+E_p = -\frac{mk^2Z^2e^4}{2\hbar^2n^2}

2.相对论#

相对论能量动量关系:

E2=(m0c2)2+(pc)2E^2=(m_0c^2)^2+(pc)^2

五、通用数学#

泰勒级数,函数在x=ax=a处展开:

f(x)=∑n=0∞f(n)(a)n!(x−a)nf(x)=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n

洛必达法则,0/0或∞/∞型极限,逐次求导:

lim⁡x→x0f(x)g(x)=f′(x)g′(x)=f′′(x)g′′(x)=…\lim_{x\to x_0} \frac{f(x)}{g(x)}=\frac{f'(x)}{g'(x)}=\frac{f''(x)}{g''(x)}=\dots

分部积分公式:

∫u dv=uv−∫v du\int u\,dv = uv-\int v\,du

乘积微分法则:

d(uv)=u dv+v dud(uv)=u\,dv+v\,du

分式微分法则:

d(uv)=v du−u dvv2d\left(\frac{u}{v}\right)=\frac{v\,du-u\,dv}{v^2}

六、实验#

1.不确定度#

A类不确定度(多次测量统计不确定度),共nn组测量数据:

UA=∑i=1n(Ni−Nˉ)2n(n−1)U_A=\sqrt{\frac{\sum_{i=1}^n(N_i-\bar{N})^2}{n(n-1)}}

B类不确定度(正态分布):

UB=Δx3U_B=\frac{\Delta x}{3}

B类不确定度(均匀分布):

UB=Δx3U_B=\frac{\Delta x}{\sqrt{3}}

合成标准不确定度:

UC=UA2+UB2U_C=\sqrt{U_A^2+U_B^2}

不确定度合成公式 若间接测量量N, N=f(x,y,… )N,\ N=f(x,y,\dots),x,y,…x,y,\dots为直接测量量:

函数关系不确定度传递公式
N=x±yN=x\pm yU(N)=U(x)2+U(y)2U_{(N)}=\sqrt{U(x)^2+U(y)^2}
N=xy 或 N=xyN=xy \text{ 或 } N=\dfrac{x}{y}U(N)∣N∣=(U(x)x)2+(U(y)y)2\dfrac{U_{(N)}}{\lvert N \rvert}=\sqrt{\left(\dfrac{U(x)}{x}\right)^2+\left(\dfrac{U(y)}{y}\right)^2}
N=kx (k=Const)N=kx\ (k=\text{Const})U(N)=∣k∣ U(x)U(N)=\lvert k \rvert\ U(x)
N=xk (k=Const)N=x^k\ (k=\text{Const})U(N)∣N∣=∣k∣U(x)x\dfrac{U(N)}{\lvert N \rvert}=\lvert k \rvert\dfrac{U(x)}{x}

2.最小二乘法#

一元线性拟合函数 y=b1x+b0y = b_1 x + b_0,斜率b1b_1、截距b0b_0满足方程组:

{b1=xy‾−xˉ⋅yˉx2‾−(xˉ)2b0=yˉ−b1xˉ\begin{cases} b_1=\dfrac{\overline{xy}-\bar{x}\cdot\bar{y}}{\overline{x^2}-(\bar{x})^2}\\[6pt] b_0=\bar{y}-b_1\bar{x} \end{cases}
物理竞赛|复习公式
https://luq-blog.xyz/posts/2026-09-17-physics-formulas/
作者
Luquiescene
发布于
2026-09-17
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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