张朝阳，搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官，1986年毕业于清华大学物理系，后赴美深造，1993年在MIT获得博士学位。1996年，他回国创立爱特信公司，1998年推出搜狐产品。他热爱教育，2021年推出《张朝阳的物理课》，至今已开讲百节课，深受欢迎。

☆空间站会不会突然掉下来？ ☆微波炉加热食物的原理是什么？ ☆天空为什么是蓝色的，而云朵是白色的？ ☆太阳的寿命是多久? ☆怎么计算出声音的速度？ ☆如何计算潮汐的高度？ “张朝阳的物理课”是火遍全网的烧脑在线课程，以高密度知识输出赢得超高人气。 在本书中，张朝阳从自然界的现象出发，引出基本物理概念，推导基本理论，研算现象后面的根本原因，达到本质的理解，涵盖力学、热力学、电磁学、量子力学等。本书中使用较多数学推导展示物理与数学的不可分割，也能帮助读者提升数学水平。
 张朝阳 搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官。 1986年毕业于清华大学物理系，同年考取李政道奖学金（CUSPEA）赴美留学，1993年底在美国麻省理工学院（MIT）获得博士学位，并继续在MIT从事博士后研究。1996年持风险资金，回国创立爱特信公司，并于1998年推出“搜狐”产品，同时将公司更名为搜狐公司。 《张朝阳的物理课》于 2021年11月5日开播，目前已经开讲了一百多课，本书是前50讲的内容。

张朝阳手稿演示

牛顿力学是物理世界的基石，其核心是力、加速度、质量等基本概念。牛顿三大定律揭示了物体运动的规律，而万有引力定律和库仑力则展示了它们与距离平方成反比的特性。这些知识不仅帮助我们解释现实中的物理现象，还能预测未来的运动情况。

卫星绕地球飞行的原理，基于牛顿万有引力定律和圆周运动公式，推导出第一宇宙速度，这是卫星在近地轨道上保持圆周运动所需的最小速度。同步卫星的概念及其轨道半径的计算方法，使得卫星能相对于地面保持静止。第二宇宙速度则是物体从地球表面飞出并逃离地球引力所需的最小初速度。

分析物体在万有引力作用下的运动轨迹时，通过能量守恒定律和轨道方程的推导，解释了物体在引力场中的运动规律，包括椭圆、抛物线和双曲线三种轨迹。空间站受到扰动后轨迹的变化，以及速度改变量很小的情况下轨道变化不大的原因，也在此得到解释。

质点系运动定律和角动量定理的推导过程，以及它们在刚体定轴转动中的应用，帮助我们理解质点系在外力作用下的运动状态和刚体在力矩作用下的旋转状态。角动量守恒定律，即在没有外力矩的情况下，刚体的角动量保持不变，也在实际应用中发挥重要作用。

在强磁场干扰下，指南针会失效，此时陀螺仪可以替代指南针进行定向。在宇宙中，为了精确定位方向，也需要使用陀螺仪。例如，中国空间站“天和”核心舱就装载了六个高速旋转的大铁球作为陀螺仪。计算地球引力对空间站宇航员的相对运动影响时，需考虑宇航员到地球中心的距离不等的情况，计算过程涉及潮汐力的产生。飞轮进动的原理是通过重力产生的力矩推动飞轮水平进动，但由于飞轮自转角动量的存在，飞轮会倾斜以抵消进动时产生的角动量。

牛顿定律与守恒量专题

微波炉加热食物的原理与共振现象紧密相关。微波炉通过发射特定频率的微波，使食物中的水分子发生共振。这种共振使得水分子吸收微波中的电磁能量，并将其转化为热能，进而加热食物。

共振现象同样适用于琴弦振动。通过调整琴弦的张力，可以改变其振动频率。这与微波炉的原理相似，都是通过调整频率来引发共振。

在声学领域，声音在空气中的波动方程也涉及共振现象。然而，牛顿在推导声音表达式时存在一个错误，即假设声音传播过程中空气温度保持不变。实际上，通过绝热近似和准静态近似，我们可以得出声速与温度的关系，并解释了为什么声速只与温度有关，而与压强和密度无直接关系。

推导空气中的声波方程时，我们发现声速的表达式受到空气密度和温度的影响。温度升高，声速也会增加。这是因为温度升高时，空气分子的平均动能增加，从而使得声波传播速度加快。

声速公式的适用范围也是讨论的重点。在某些特定条件下，该公式可能并不适用。例如，在极低温度或极高温度下，声速公式的准确性会受到影响。

总之，共振现象在微波炉加热食物、琴弦振动以及声波传播中起着重要作用。通过调整频率、温度等因素，我们可以控制共振现象，实现不同的物理效果。在声学领域，了解声速公式的适用范围和影响因素对于研究声音传播具有重要意义。

振动和波专题

第一部分 经典力学问题

电磁波和光的散射，阐述了传统推导电磁波的方法，并介绍了费曼利用运动电荷产生的电场公式推导电磁波的方法。对比了引力和库仑力的相同与不同，深入分析了运动电荷辐射电磁波的过程，并推导了电磁波的波动方程。接着，通过分析束缚电荷散射电磁波的情况，揭示了辐射强度与频率的关系，并提出了“散射”这一重要概念。最后，结合光的本质、可见光光谱和瑞利散射，解释了天空为什么是蓝色的、云为什么是白色的，以及太阳为何早晚泛红，而中午却发白等自然现象。



第二部分 光电问题

热力学是一门研究物质热运动规律的科学，其基本概念和定律构成了该学科的核心。从第零定律出发，我们引入了温度这一概念，随后阐述了热力学第一定律和第二定律，这两大定律对能量守恒和热力学过程有着深刻的描述。

特别地，文章深入探讨了理想气体在绝热过程中的压强与体积关系，揭示了热力学在指导热机制造等方面的实际应用价值。同时，卡诺循环和相图的分析，为理解热力学过程提供了直观的工具。

在热力学中，熵是一个重要的概念。它作为状态函数，具有与路径无关的特性。通过卡诺热机和可逆过程，熵增原理得以阐述，即孤立系统的熵总是趋向于增加。文章进一步推导了理想气体熵的公式，并探讨了理想气体在等温和绝热过程中的熵变化。

熵增原理在高温物体向低温物体导热过程中的应用，以及气体数密度随高度变化的原因，都是熵增原理的实际体现。这些内容加深了我们对熵这一概念的理解。

此外，文章还介绍了物理学家在经典力学框架下探索量子力学的过程。通过计算双原子分子的能量均分，推导出理想气体状态方程，并解释了比热随温度的阶梯变化。然而，实验结果与理论推导存在差异，促使科学家进一步研究量子力学。

量子力学揭示了分子振动能级的分立性，以及玻尔兹曼分布和能级简并度的概念，从而解释了比热随温度的阶梯变化。通过玻尔兹曼分布和量子力学能级，科学家们计算了振动自由度对应的比热，与实验结果一致。这些研究不仅展示了量子力学在热力学和统计力学中的重要性，还揭示了经典力学在处理量子现象时的局限性。

综上所述，热力学作为一门研究物质热运动规律的学科，其基本概念和定律对理解和指导热机制造等方面具有重要意义。熵增原理和量子力学的研究，进一步丰富了我们对热力学和物质世界的认识。

第三部分 热力学与统计物理问题

黑体辐射的研究揭示了其由众多谐振子组成的系统特性，并分析了谐振子所受的阻尼力。通过推导阻尼运动方程，我们发现了辐射阻尼与阻尼力成正比的关系，并推导出了等效阻尼系数的表达式。引入外周期电场后，我们研究了受迫振动下谐振子的辐射能量，结合能量均分定理，推导出了瑞利-金斯公式。然而，在高频区，该公式与实验结果不符，出现了“紫外灾难”。

为了解决这一难题，普朗克提出了量子化假设，提出了与实验相符的普朗克黑体辐射公式，成功解决了“紫外灾难”。进一步，利用普朗克黑体辐射公式，我们推导出了维恩位移定律，并通过估算太阳辐射谱中可见光区域的最大值，计算出了太阳表面的温度。此外，通过电磁场的能量密度推导出了斯特藩定律，即黑体辐射的能量通量与温度的四次方成正比。这一规律被应用于计算太阳光强和人体散热率，并解释了温室效应的原因。

斯特藩定律的应用十分广泛，它不仅能够计算太阳光强，还能估算人体在空气中的散热效率。通过测量地球上的太阳光强，我们可以推算出太阳直径与日地距离的比值，从而验证斯特藩定律。同时，利用斯特藩定律，我们还能估算人体在空气中的散热效率，并解释二氧化碳导致温室效应的机理。

第四部分 黑体辐射问题

量子力学诞生于对经典物理局限性的深入探讨，比热危机、黑体辐射、光电效应等实验现象揭示了经典物理在解释某些微观现象时的不足。量子力学通过揭示能量量子化、波粒二象性等关键概念，填补了这一空白。康普顿散射、德布罗意波和海森堡不确定性原理等实验进一步证实了光和物质的波粒二象性。

薛定谔方程作为量子力学的核心，为理解微观粒子的物理性质提供了基本框架。该方程类似于经典力学中的牛顿第二定律，通过对自由粒子和存在势能粒子的分析，引入哈密顿算符表示总能量。薛定谔方程的解是波函数，揭示了粒子的量子态和概率分布。波函数的统计诠释意味着其模平方表示粒子在空间中的概率密度，归一化条件确保全空间内找到粒子的概率为1。

以无限深方势阱为例，通过分离变量法求解薛定谔方程，得到波函数和分立的能级，揭示了量子力学中能量量子化的现象。傅里叶变换在量子力学中具有重要意义，它可以将波函数展开为平面波的叠加，并揭示了不确定性原理，即位置和动量的不确定性。

这些内容共同构成了量子力学的基础，揭示了微观世界的运动规律。量子力学的发展不仅揭示了微观世界的奥秘，还对现代科技产生了深远影响。

量子力学基础专题

量子力学在解决氢原子模型中发挥了关键作用。该模型首先将复杂的二体问题简化为质心运动和相对运动两个单体问题，通过质心坐标和相对坐标，将二体薛定谔方程分解为两个独立的方程。随后，利用球坐标系和角动量算符，将哈密顿算符进一步分解为径向部分和角向部分，实现了径向与角向的分离。通过求解角向部分的薛定谔方程，揭示了量子力学中物理量特有的分立性。

在求解氢原子波函数的过程中，量子力学首先通过分离变量法将波函数分解为径向和角向部分。接着，利用可对易算符找到共同本征态，并将角向波函数分解为平面波形式和连带勒让德方程。在角向部分，通过求解连带勒让德方程得到球谐函数，这些函数构成了角动量平方和磁量子数的共同本征函数。在径向部分，通过分析r趋于0和无穷的渐进行为，化简氢原子径向薛定谔方程，并通过级数展开的方法求解出能级和径向波函数。最终，结合径向和角向波函数，得到氢原子的完整波函数和能级结构，揭示了氢原子能级的量子化特征。

原子半径和电子排布之间的关系，通过对比锂、铍、硼和钠等元素的例子，揭示了不同壳层和同一壳层电子之间的屏蔽效应差异。类氢处理和类氦处理方法被用来解释电子在原子中的排布，并解释了元素周期表中原子半径的规律。此外，谐振子模型在量子力学中的重要性也被讨论，通过求解薛定谔方程，揭示了谐振子模型的量子化问题，以及其在双原子分子光谱问题中的应用。这些内容共同揭示了电子排布和原子性质之间的复杂关系，为理解元素周期表和物质世界的本质提供了重要线索。

氢分子的振动能级差远大于转动能级差，导致氢分子的光谱以振动能级差为主，同时伴有间距较小的转动谱线。通过近似处理，我们可以将原子核与电子的运动分开，从而计算出氢原子的振动转动能级。这种近似方法使得我们得到的光谱与实验结果相符，进一步证明了薛定谔方程的正确性和强大功能。

从“氢”开始研究

第五部分 量子力学问题

迈克尔逊-莫雷实验原本旨在验证“以太”假说，但结果却出乎意料地否定了以太的存在，对经典物理学提出了挑战。为了解释这一结果，爱因斯坦提出了洛伦兹变换，它描述了不同参考系之间的时空坐标变换关系。基于此，我们能够推导出时间膨胀效应和长度收缩效应，揭示了时间与空间的相对性。通过几何语言，这些相对论效应变得直观易懂，并在生活中得到应用。

在狭义相对论中，质速关系、动质量、静质量以及质能方程是其核心概念。通过思想实验和实例分析，我们揭示了相对论中的反直觉现象，如尺缩效应、时间膨胀效应，并在实际生活中找到了应用。例如，相对论在μ子穿过大气层、碳-14衰变、原子核的稳定性以及考古学中的应用等方面得到了具体体现。

相对论与经典力学既有联系又有区别。相对论强调了相对性原理和光速不变原理，而经典力学则基于绝对时间和空间。相对论在物理学中的重要地位不容忽视。

具体来说，洛伦兹变换揭示了不同参考系之间的时空关系，时间膨胀效应和长度收缩效应揭示了时间与空间的相对性。这些效应在生活中的应用包括GPS系统的误差修正、原子钟的同步等。

在μ子穿过大气层的过程中，相对论效应使得μ子的寿命得到延长，从而使得实验结果与经典物理学的预测不符。碳-14衰变实验也表明，相对论效应在原子核的稳定性方面具有重要意义。在考古学中，通过测量放射性同位素的衰变，可以推算出文物的年代，这也得益于相对论的应用。

相对论与经典力学的联系在于，相对论可以看作是经典力学的极限情况。在低速、弱引力场下，相对论的预测与经典力学一致。然而，在高速、强引力场下，相对论的预测与经典力学存在显著差异。

总之，相对论在物理学中具有重要地位，它不仅揭示了时间与空间的相对性，还为我们提供了全新的物理图像。通过相对论，我们能够更好地理解宇宙的奥秘，并在实际生活中找到应用。

第六部分 相对论问题

太阳，作为我们太阳系的中心，其结构和大小一直是天文学家和物理学家研究的重点。通过物理定律和天文观测数据，我们对太阳有了较为精确的估算。太阳由核心、辐射层、对流层和光球层构成，其核心是核聚变反应的场所，温度极高，压强极大。太阳的半径约为70万千米，质量约为2×10^30千克。

太阳的寿命和形成时间也是研究的热点。通过核聚变过程，我们估算出太阳的寿命约为100亿年，而太阳的形成则大约需要几千万年。这些数据帮助我们更深入地理解太阳，同时也揭示了宇宙中恒星的形成和演化过程。

太阳的内部结构极为复杂，包含从内核到辐射层的六层结构。其中，球壳对内部质点引力为零的原理被揭示，通过流体静平衡方程，我们还能估算出太阳中心的压强和温度。此外，太阳辐射层的光压对于抵抗引力至关重要，这一点也得到了研究者的关注。

在张朝阳的物理课中，第42讲和第43讲的内容专门探讨了太阳大气层的对流蓝移现象。这一现象的研究得益于Löhner-Böttcher等人在《天体物理学与天文》杂志上发表的研究成果。他们通过LARS设备对光谱线进行绝对测量，详细揭示了这一现象的详细情况。

这些研究不仅为我们深入理解太阳的结构和运行提供了科学依据，还揭示了宇宙膨胀的奥秘。通过对太阳的研究，我们得以一窥宇宙的广阔与神秘，也加深了对恒星生命周期的认识。太阳，作为一颗普通的恒星，其研究却为我们打开了一扇通往宇宙深处的窗口。

太阳专题

潮汐现象的产生主要源于地球、月球与太阳之间的引力作用。地球与月球围绕它们的质心做圆周运动，产生离心势能和引力势能。月球对地球上的海水产生引力，使海平面高度发生变化，形成潮汐。太阳虽然也有类似作用，但其影响力较月球小。

在分析地月系统的质心运动时，我们首先通过太阳、地球和月球的引力关系推导出质心运动方程。运用牛顿万有引力公式，我们可以计算出太阳对地球和月球的引力。比较太阳引力项与月球引力项的大小，我们发现太阳引力可以忽略不计。

为了进一步简化地月相对运动方程，我们定义了约化质量。通过这一步骤，我们解释了太阳引力对地月运动的影响可以忽略不计的原因。这主要是因为太阳与地球、月球之间的距离较远，导致其引力相对较小。

通过计算潮汐势能和潮汐力，我们可以解释潮汐高度的变化，以及地球自转对海水高度的影响。此外，潮汐力还揭示了月球逐渐远离地球的现象。

综上所述，潮汐现象的产生主要受到地球、月球与太阳之间的引力作用。通过分析地月系统的质心运动，我们得出了质心运动方程，并计算了太阳对地球和月球的引力。最终，我们解释了太阳引力对地月运动的影响可以忽略不计的原因，并揭示了潮汐现象的成因。

潮汐专题

恒星的演化过程，恒星根据自身质量的不同会有不同的结局，其中一个结局就是在超新星爆发之后变成中子星。中子星的形成是一个复杂的过程，涉及到恒星内部物质在极端物理环境下的反应。中子星内部原子结构不复存在，物质密度极高，自转速度也非常快，有的甚至每秒转几百圈。这种高自转速度的形成与恒星在形成中子星过程中经历的角动量放大效应有关。此外，中子星的磁场很强，可以发射强烈的辐射，形成脉冲星。通过角动量守恒定律，我们可以估算中子星的自转角速度，进而揭示中子星的形成和演化过程。

