主题：【资料】物理学定律列表

能量守恒定律

　　自然科学中最基本的定律之一。它科学地阐明了运动不灭的观点。它可表述为：在孤立系统中，能量从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在转换和传递的过程中，各种形式，各个物体的能量的总和保持不变。整个自然界也可看成一个孤立系统，而表述为自然界中能量可不断转换和传递，但总量保持不变。
　　从18世纪末到20世纪40年代 ，6个国家的10多位科学家从不同角度或否定热质说或独立地提出了能量守恒观点。俄国化学家盖斯于1836年发现，任何一个化学反应，不论是一步完成，还是几步完成，放出的总热量相同，即证明了能量在化学反应中是守恒的，被认为是能量守恒定律的先驱。德国医生J.R.迈尔，于荷兰远航东印度船中任船医时，在热带地区看到海员静脉中的血红于在欧洲时，他联系到L.A.拉瓦锡的燃烧理论，认为机体需热量小，食物氧化过程减弱，静脉血中留下较多的氧，从，而想到食物中化学能与热能的等效性。又从海员谈话中听到海水在暴风雨中较热，想到热和机械运动的等效性，1841 和 1842 年连续写出论自然力（即能）守恒的论文，并从空气的定压和定容比热之比，推算出热功当量为1卡等于365克力·米。因此迈尔是公认的第一个提出能量守恒并计算出热功当量的人。J.P.焦耳是英国的酒商和业余的物理学家，从1837年开始就研究电流产生热量 ，以后又用多种机械装置反复测定热功当量，一直工作到1878年，终于精确地测定了热功当量值（他用的是英制，换算后为4.51焦／卡），和现代值很近，从而为能量守恒奠定了巩固的实验基础，因此也被公认为发现人之一。德国生理学家H.von 亥姆霍兹在不了解迈尔和焦耳的研究情况下 ，从永动机不可能出发，思考自然界不同的力（即能）间的相互关系。在专著《力的守恒》中提到张力（今称势能）和活力（即动能）的转换，还深刻地阐明热的本质：“被称为热的量的 ，一部分是指热运动活力的量，另一部分是指原子之间张力的量。这些张力在原子的排列发生变化时能引起热运动，第一部分相当于称之为自由热的部分，第二部分相当于称之为潜热的部分。”他还分析了在电、磁和生物机体中的力的守恒问题。尽管他系统地完整地综合了能量守恒理论，他仍把发现定律的优先权让给迈尔和焦耳。此外，还有好几位科学家对这条定律作出贡献，但这条揭示力、热、电、化学等各种运动间的统一性，使物理学融为一体的重要定律，在诞生初期却受到重重阻挠。英国皇家学会曾拒绝宣读焦耳的论文 ，德国主要物理学杂志主编J.C.波根多夫因含有思辨内容为由曾先后拒绝发表迈尔和亥姆霍兹的论文，使得他们不得不以小册子形式自费出版论文。
　　20世纪，根据A.爱因斯坦的狭义相对论，能量有新的涵义，高速运动的粒子的能量表示式也和宏观、低速运动的物体的表示式有根本差别。实验证明，康普顿效应等高速粒子碰撞现象完全符合能量守恒，而且还能根据这条定律预言在β衰变中出现的新粒子——中微子。因此这条从宏观物理现象总结出来的基本定律完全符合微观粒子的运动。确保了它在自然科学中的重要地位。已知道它是和时间平移对称性相关联的，并和三个方向上的动量守恒，组成了四维空间的守恒关系。

机械能守恒定律

　　动力学中的基本定律，即任何物体系统如无外力作功或外力作功之和为零，系统内又只有保守力（见势能）作功时，则系统的机械能（动能与势能之和）保持不变。外力作功为零，表明没有从外界输入机械功；只有保守力作功，即只有动能和势能的转换，而无机械能转换为其他能，符合这两条件的机械能守恒对一切惯性参考系都成立。这个定律的简化说法为：质点（或质点系）在势场中运动时，其功能和势能的和保持不变；或称物体在重力场中运动时动能和势能之和不变。这一说法隐含可以忽略不计产生势力场的物体（如地球）的动能的变化。这只能在一些特殊的惯性参考系如地球参考系中才成立。

动量守恒定律 

　　物理学中的重要定律之一。在惯性系统中，任何物质系统在不受外力作用或所受外力之和为零，它的总动量保持不变。这个定律是牛顿第二定律、作用和反作用定律（见牛顿运动定律）联合应用于力学系统的必然结果。动量守恒定律的成立，不随这系统内部发生什么变化（碰撞、分裂、爆炸、化学反应等）而变。系统动量守恒时其质心保持原vσ的方向作等速直线运动。动量守恒定律是对同一个惯性坐标系而言的，如果换以不同的惯性坐标系，那么这个总动量的数值和方向就相应地需要改变。这个定律对于接近于光速 с的相对论力学也成立。
　　在微观领域中粒子和粒子之间的散射也适合动量守恒定律。把光看成由光子组成的，频率为 v的光子的动量为由康普顿效应（见光的量子理论）证实,光子和电子的碰撞也适合动量守恒定律。现在认识到动量守恒定律是由空间不变性决定的。所以动量守恒定律是物理学中的一个基本定律。
　　场是物质的基本形态，它也具有能量和动量。在四维时空中，可以把物质（包括场）的动量守恒定律和能量守恒定律统一起来。

角动量守恒定律

　　反映不受外力作用或所受诸外力对某定点（或定轴）的合力矩始终等于零的质点和质点系围绕该点（或轴）运动的普遍规律。物理学的普遍定律之一。例如一个在有心力场中运动的质点，始终受到一个通过力心的有心力作用，因有心力对力心的力矩为零，所以根据角动量定理，该质点对力心的角动量守恒。因此，质点轨迹是平面曲线，且质点对力心的矢径在相等的时间内扫过相等的面积。如果把太阳看成力心，行星看成质点，则上述结论就是开普勒行星运动三定律之一。一个不受外力或外界场作用的质点系，其质点之间相互作用的内力服从牛顿第三定律，因而质点系的内力对任一点的主矩为零，从而导出质点系的角动量守恒。如质点系受到的外力系对某一固定轴之矩的代数和为零，则质点系对该轴的角动量守恒。角动量守恒也是微观物理学中的重要基本规律。在基本粒子衰变、碰撞和转变过程中都遵守反映自然界普遍规律的守恒定律，也包括角动量守恒定律。W.泡利于1931 年根据守恒定律推测自由中子衰变时有反中微子产生，1956年后为实验所证实。

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惯性原理可以表述为：一个不受任何外力的物体将保持静止或匀速直线运动。

惯性原理是伽利略在1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》书中发表的，它是作为捍卫日心说的基本论点而提出来的。

根据亚里士多德的物理学，保持物体以均速运动的是力的持久作用。但是伽利略的实验结果证明物体在引力的持久影响下并不以匀速运动，而是相反地每次经过一定时间之后，在速度上就有所增加。物体在任何一点上都继续保有其速度并且被引力加剧。如果引力能够截断，物体将仍旧以它在那一点上所获得的速度继续运动下去。伽利略在金属球在斜面滚动的实验中观察到，金属球以匀速继续滚过一片光滑的平桌面。从以上这些观察结果就得到了惯性原理。这个原理阐明物体只要不受到外力的作用，就会保持其原来的静止状态或匀速运动状态不变。

伽利略的惯性原理是近代科学的起点，它摧毁了反对哥白尼的所谓缺乏地球运动的直接证据的借口。

牛顿运动定律

Newtonˊs laws of motion

　　英国I.牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出的关于物体运动的三个基本规律，又称牛顿三定律。它们是在观察和实验的基础上发现的，已被公认为宏观自然规律，并成为数学演绎的基础。第一和第二定律是关于一个质点的，因此也是进一步研究质点系运动的基础；第三定律是质点系力学的基础。定律的部分内容在牛顿出生前虽已被伽利略在实验中发现，但以定律的形式准确表述则是牛顿的功绩。第三定律是牛顿发现的。牛顿三定律只适用于惯性坐标系，对非惯性坐标系则必须加以修正（见参考系）。

　　牛顿在阐述这些定律时指出，它们只适用于“绝对运动”。按照牛顿的解释，绝对运动是在“绝对空间”中的运动，而“绝对空间”则同任何外界事物无关，是永远不变和静止不动的。他还认为时间的流逝不能改变，不管运动得快、慢或无运动，事物持续的时间总是相同的，这就是“绝对时间”。近代物理学的成就证明，空间、时间甚至质量都同物体运动的速度有关，而且物体运动速度愈接近光速（3×105千米/秒）,它们受速度的影响就愈加明显。当物体运动的速度可与光速相比拟时，牛顿的动力学基本定律就不适用了。此外，牛顿定律是从那些由大量原子和分子组成的宏观物体的运动中总结出来的，而构成原子的电子、质子和中子等微观粒子则有与宏观物体不同的属性和运动规律，因此牛顿定律对这些微观粒子的相互作用也不适用。微观粒子的研究要用反映微观世界客观规律的量子力学。然而在一般工程技术中,宏观物体的运动速度,即使是比较高的速度──第一宇宙速度和第二宇宙速度（见宇宙速度），也只是每秒7.9千米和11.2千米,都远小于光速。所以宏观物体的运动对于空间、时间和质量的影响都微不足道，应用牛顿三定律所得到的结果都很精确。因此，以三个基本定律为基础的经典力学或牛顿力学在现代工程技术中有十分重要的价值。

　　牛顿第一定律 　又称惯性定律，其内容是：任何一个物体将保持它的静止状态或作匀速直线运动，除非有施加于它的力迫使它改变此状态。

　　这里的物体是指质点。质点所具有的保持运动速度和方向不变或在特殊情况下保持静止状态的性质称为惯性。 第一定律确立了质点惯性运动的性质。设F为施加于质点的力，v为质点的速度，则第一定律可写作：如F＝0，则v＝常矢量。在特殊情况下，v＝0。

　　古希腊学者特别是亚里士多德及其后继者试图解释物体运动的惯性规律而未成功。他们失败的原因有二：一是没有准确度量距离和时间的工具，因而不能用实验检验理论；二是他们错误地假设物体的“完全静止”是物体的自然状态，而物体的运动必须有力才能保持。

　　惯性的概念是伽利略首先在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书中明确地提出的。牛顿把这个概念总结为惯性定律则是四十多年以后的事。

　　牛顿第二定律 　又称运动定律，其内容是：物体运动量的改变与所施加的力成正比，并发生于该力的作用线方向上。牛顿所说的“运动量的改变”就是质点动量的变化率。动量定义为mv，其中m为质量,v为速度矢量，因此，第二定律可用下式表示：F=kd/dt(mv) 。

设m为一常量，上式可写作：

F＝kma，

式中a为加速度。如m以克为单位，a以厘米/秒2为单位，如果k=1，F就以达因为单位。1达因就是使1克质量的物体具有1厘米/秒2加速度的力。在国际单位制(SI)和中国法定计量单位中,m以千克为单位,a以米/秒2为单位,F以牛顿为单位。1牛顿就是使1千克质量的物体具有1米/秒2加速度的力。1牛顿=103克×100厘米/秒2=105达因。

　　采用以上单位制，牛顿第二定律可写成：F=d(mv)/dt 。

如果m＝常量或dm/dt＝0，则

F＝ma。

　　上式是解决动力学问题的基本依据，故称为动力学基本方程。

　　对此定律，人们认为是伽利略首先认识到，既不是物体的速度，也不是物体的位置，而是物体的加速度决定于其他物体对它所施加的力。但质量的定义，则是牛顿首先提出的。

　　牛顿的第一和第二定律是密切相关的。第一定律表明一个不受干扰力的质点保持它的原有的运动状态；第二定律则表明，力只能引起原有运动状态的改变。故这两个定律否定了伽利略－牛顿时代以前关于必须有力才能保持运动的错误观点。

　　牛顿第三定律 　又称作用和反作用定律，其内容是：对于任何一个作用必有一个大小相等而方向相反的反作用。即两物体之间的相互作用一定是大小相等、方向相反，且沿同一直线。由于作用力和反作用力是作用在不同物体上的，所以，作用和反作用不形成等于零的力系，即平衡力系。例如，一块石头受到地心引力作用，同时石头也给地心一反作用力。地球质量太大，其位移无法测定，但石块的位移则可用肉眼看到。

万有引力定律

law of gravitation

　　物体间相互作用的一条定律，1687年为牛顿所发现。任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比例，而与它们之间的距离的平方成反比。如果用 m1、m2表示两个物体的质量，r表示它们间的距离，则物体间相互吸引力为，

G称为万有引力常数。万有引力定律是牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首先提出的。牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律，而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。他认为月球除了受到地球的引力外，还受到太阳的引力，从而解释了月球运动中早已发现的二均差、出差等（见月球运动理论）。另外，他还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象。根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。万有引力定律出现后，才正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上，从而创立了天体力学。

　　1859年，法国天文学家勒威耶发现水星近日点进动速率的数值与用万有引力定律算得的数值有偏差（见水星近日点进动问题）。以后又有人陆续发现月球运动长期加速、星光在太阳附近弯曲等用万有引力定律无法解释的现象。二十世纪以来，许多学者（如爱因斯坦等）又提出了各种新的引力理论。

开普勒定律

Keplerˊs laws

　　德国天文学家J.开普勒提出的关于行星运动的三大定律。第一和第二定律发表于1609年，是开普勒从天文学家第谷观测火星位置所得资料中总结出来的；第三定律发表于1619年。这三大定律又分别称为椭圆定律、面积定律和调和定律。

　　①椭圆定律　所有行星绕太阳的轨道都是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上。

　　②面积定律　行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过相等的面积。

　　③调和定律　所有行星绕太阳一周的恒星时间(Ti)的平方与它们轨道长半轴(ai)的立方成正比，即 。

　　此后,学者们把第一定律修改成为:所有行星（和彗星）的轨道都属于圆锥曲线，而太阳则在它们的一个焦点上。第三定律只在行星质量比太阳质量小得多的情况下才是精确的。如果考虑到行星也吸引太阳，这便是一个二体问题。经过修正后的第三定律的精确公式为：

式中m1和m2为两个行星的质量；mS为太阳的质量。

胡克定律

Hookeˊs law

　　弹性力学基本规律之一，为英国物理学家R.胡克于1678年首先提出,故名。其内容是：在小变形情况下,固体的变形与所受的外力成正比。也可表述为：在应力低于比例极限（见材料的力学性能）的情况下，固体中的应力σ与应变ε成正比，即σ＝Eε,式中E为常数,称为弹性模量或杨氏模量。胡克定律后来被推广到三应力、应变状态，即通常所说的广义胡克定律。对于各向同性的弹性体（即沿任何方向力学性质都相同的弹性体），广义胡克定律给出的应力分量与应变分量的关系为：

　　　σ11＝λ(ε11+ε22+ε33)+2Gε11，　　σ23＝2Gε23，

　　　σ22＝λ(ε11+ε22+ε33)+2Gε22，　　σ31＝2Gε31，

　　　σ33＝λ(ε11+ε22+ε33)+2Gε33，　　σ12＝2Gε12，

式中σij和εij(i,j＝1,2,3)分别为弹性体中的应力分量和应变分量；λ和G称为拉梅系数,G又称为剪切模量。这些关系也可写为：



式中ν为泊松比。λ、G、E、ν统称为弹性系数，它们之间存在以下关系：


这说明，各向同性弹性体的胡克定律中独立的弹性系数只有两个。对于各向异性弹性体的胡克定律，独立弹性系数一般有21个。若物体是不均匀的，则弹性系数是空间位置的函数。

帕斯卡定律
Pascal’s Law
　　流体静力学的基本定律 ，由法国数学家 、物理学家B.帕斯卡于1653年首先提出而得名。内容是：不可压缩静止流体中任意一点受外力作用而产生的压强增量可立即传至静止流体内部各点。这个定律实际上反映了静止流体内部各点压强传递和保持平衡的过程。水压机、液压驱动装置等液体机械都是根据帕斯卡定律制成的。水压机可以把较小的输入力转换成较大的输出力。

阿基米德定律：

浸在流体中的物体（全部或部分）受到向上的浮力，其大小等于物体所排开流体的重力。其公式为F浮=G排液。

阿伏伽德罗定律

Avogadro’slaw

　　简称阿氏定律，是理想气体的重要定律之一。1811年由意大利科学家A.阿伏伽德罗根据 J.L.盖-吕萨克气体化学反应的倍比容积定律首先提出，并为实验证实。其表述为：在相同的温度与压强下，相等容积所含任何气体的分子数（或摩尔数）相等。在标准状态下，根据气体分子运动论的基本公式有


式中k为玻耳兹曼常数，n0为单位体积的分子数,称洛喜密脱数。可见，在标准状态下，一立方米任何气体的分子数都等于洛喜密脱常数。

　　阿氏定律还可表述为：在相同的温度和压强下，一摩尔任何气体所占的容积都相同。在标准状态下，一摩尔理想气体所占的容积已被实验较准确地测定，即V0=22.41383×10-3m3/mol。由此可得：在标准状态下,一摩尔任何气体所占的体积都是此数值。

　　如果以NA表示一摩尔气体所含的分子数，则

NA=n0V0=2.686754×1025×22.41383×10-3=6.022045×1023mol-1


即一摩尔任何气体所含的分子数都等于 6.022045×1023。这一结论与阿氏定律的上述两种表述是等价的，也可作为阿氏定律的另一种表述，因而NA称为阿伏伽德罗常数。可借溶液的电解实验、密立根油滴实验、布朗粒子在重力场中的分布等多种方法测定。根据摩尔的定义，组成物质系统的基本单元可以是原子、分子，也可以是离子、电子、其他粒子或这些粒子的特定组合，因而还可将阿伏伽德罗定律推广表述为：一摩尔任何物质所包含的基本单元数都等于阿伏伽德罗常数。

理想气体状态方程是描述理想气体处于平衡态时的状态方程。他建立在波义耳定律，查理定律，盖-吕萨克定律和阿伏伽德罗定律等经验定律上。

处于平衡态的气体，其状态由压强P，体积V，和温度T刻划，表达这几个量之间的关系的方程称之为气体的状态方程。不同的气体有不同的状态方程。这些方程通常很复杂。但在压强很小，温度不太高也不太低的情况下，各种气体的行为都趋于理想气体。理想气体的状态方程具有非常简单的形式。


理想气体状态方程一般写作 PV=nRT 或者 PV=NKT

P为压强
V为体积
T为开氏温度,单位为K
n为物质的量
R为普适气体常数，R=8.3145 J/mol K
N为分子数
K为波尔兹曼常数，K=1.38066 x 10-23 J/K = 8.617385 x 10-5 eV/K


玻意耳定律 (Boyle law)

关于气体体积随压强变化的规律。见气体实验定律。

查理定律

Charles law

关于气体压强随温度变化的规律。见气体实验定律。

盖-吕萨克定律

Gay-Lussac law

关于气体体积随温度变化的规律。见气体实验定律。


气体实验定律

　　gas,experimental laws of

　　关于气体热学行为的5个基本实验定律，也是建立理想气体概念的实验依据。

　　①玻意耳定律 。一定质量的气体 ，当温度保持不变时，它的压强p和体积V的乘积等于常量，即

　　pV＝常量式中的常量由气体的性质、质量和温度确定。

　　②盖·吕萨克定律。一定质量的气体，当压强保持不变时，它的体积V随温度t线性地变化，即

　　V＝V0(1＋avt)式中V0，V分别是0℃和t℃时气体的体积 ；av是压力不变时气体的体膨胀系数。实验测定，各种气体的av≈1／273°。

　　③查理定律。一定质量的气体，当体积保持不变时，它的压力p随温度t线性地变化，即p＝p0(1＋apt)式中p0，p分别是0℃和t℃时气体的压强，ap 是体积不变的气体的压力温度系数。实验测定，各种气体的ap≈1／273°。

　　实验表明，对空气来说，在室温和大气压下，以上三条定律近似正确 ，温度越高 ，压力越低，准确度越高 ；反之，温度越低，压力越高，偏离越大。(以空气为例，在0℃，若压强为1大气压时体积为1升，即pV等于1大气压·升 ，则当压力增为500和1000大气压时，pV乘积增为1.34和1.99大气压·升 ，有明显差别。)另外 ，同种气体的av、ap都随温度变化，且稍有差别 ；不同气体的 av 、ap也略有不同 。温度越高，压力越低，这些差别就小，常温下在压力趋于零的极限情形，对于一切气体，av＝ap＝1／273.15°。

　　④阿伏伽德罗定律。在相同的温度和压力下 ，1摩尔任何气体都占有同样的体积。在T0＝273.15K和p0＝1大气压的标准状态下，1摩尔任何气体所占体积为V0＝22.41410×10-3米3／摩尔(m3·mol-1）。它也可表述为：在相同的温度和压力下，相同体积的任何气体的分子数(或摩尔数)相等。在标准状态下，单位体积气体的分子数即J.洛喜密脱常量为n0＝2.686773×1025m-3，因此，1摩尔气体所含分子数为

　　NA＝6.0221367×1023 mol-1称为阿伏伽德罗常量。根据摩尔的定义，组成物质系统的基本单元可以是原子，分子，也可以是离子，电子，其他粒子或这些粒子的特定组合。因此，阿伏伽德罗定律也可推广为，1摩尔任何物质所包含的基本单元数都等于阿伏伽德罗常量。

　　以上讨论限于化学纯气体。

　　⑤道耳顿定律。混合气体的压力等于各成分的分压力之和。某一成分的分压力是指该成分单独存在时（即在与混合气体的温度、体积相同，且与混合气体中所含该成分的摩尔数相等的条件下，以化学纯状态存在时)的压力。

　　以上5个气体实验定律分别是1662年R.玻意耳，1802年盖·吕萨克，1785 年 J. A. C. 查理，1811年A.阿伏伽德罗，1802年J.道耳顿提出的。