物理学与计算机密切的关系

物理学在计算机中的应用

周瑜均

学号2220093691

计算机科学与技术专业4班

[摘要]本文分析了计算机在物理实验教学中的应用，其应用主要包括：多媒体教学，仿真物理实验，多媒体实验，实验后的数据处理等几个方面。由于计算机可以帮助解决传统实验中难以解决的问题，因此受到越来越多的欢迎。

[关键词]物理实验教学多媒体教学仿真物理实验多媒体实验

目前，计算机在高等教育中发挥着越来越重要的作用，其在物理实验教学中的应用也越来越受到重视。笔者查阅了大量的文献资料，并结合自己的教学实践，对计算机在物理实验教学中的应用进行了研究。

物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。物理学(physics)一词来源于希腊语φυσικη,原意是自然哲学、自然学,内容包括宇宙万物,涉及物理、化学、天文、地理、生物等。近代以来,这一术语逐渐演进,成为指研究自然界物质结构及其运动规律的学科术语。[1] 物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来自于实践，随着实践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。同人类的其他任何知识领域一样，物理学也是人类社会实践的产物，它是随着人类社会实践的发展而产生、形成和发展的。

一、物理学在计算机中应用

下面举计算机中硬盘的例子来阐释物理在计算机中的应用。

1.硬盘是微机系统中最常用、最重要的存储设备之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成，这些碟片外覆盖有铁磁性材料。它是故障机率较高的设备之一，而来自硬盘本身的故障一般都很小，主要是人为因素或使用者未根据硬盘特点采取切实可行的维护措施所致。

其中防震是最重要、最必需的：硬盘是十分精密的存储设备，工作时磁头在盘片表面的浮动高度只有几微米。不工作时，磁头与盘片是接触的；硬盘在进行读写操作时，一旦发生较大的震动，就可能造成磁头与数据区相撞击，导致盘片数据区损坏或划盘，甚至丢失硬盘内的文件信息。因此在工作时或关机后，主轴电机尚未停机之前，严禁搬运电脑或移动硬盘，以免磁头与盘片产生撞击而擦伤盘片表面的磁层。在硬盘的安装、拆卸过程中更要加倍小心，严禁摇晃、磕碰。

与此同时，一项非常重要的科研技术就此诞生——硬盘减震。各大电子产品的厂商均极大限度的开发此项技术并充分利用在自己的产品中。

2.现代信息技术包括微电子技术、计算机技术、现代通信技术和人工智能技术。现代信息技术的硬件技术核心是微电子技术。微电子技术是半导体技术的主要分支。1958年，美得克萨斯仪器公司和仙童公司研制出半导体集成电路，微电子技术时代从此开始了。计算机技术作为现代信息技术的核心，在五十年的时间里迅猛发展。1946年，第一台计算机ENIAC诞生在美国宾夕法尼亚大学。其后一般认为经历了五代，即电子管时代、晶体管时代、集成电路、大规模集成电路

以及突破冯·诺依曼原理的智能计算机。现代通信技术则利用现代的电子元器件和计算机提高通信速度及质量，并提供更有效，更方便的信息传递方式。人工智能技术利用人工装置模拟实现人脑功能，是为克服常规计算机技术的不足而发展起来的，其途径主要为软件方式和硬件方式。软件方式主要从模式识别，专家系统与知识工程进行，硬件方式则从硬件途径模拟人脑，研制与人脑神经网络相似的新型智能机。

二、在科技创新方面

“光量子计算机的物理实现和算法应用”被评为2007年度“中国高等学校十大科技进展”

2007年度“中国高等学校十大科技进展”评选结果于12月19日揭晓，中国科学技术大学主持的“光量子计算机的物理实现和算法应用”名列其中。

为了提高我国在量子信息这一高新领域的自主创新能力，我校微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授领导的研究组，在中国科学院、科技部“973”项目和“量子调控”重大科学研究计划、国家自然科学基金委等经费支持下，围绕“光学量子计算的物理实现”这一核心课题，耕耘多年，取得了一系列骄人的成果。

三、计算机在物理教学中的应用

(一)、多媒体教学

多媒体教学作为现代化教学的重要形式，以其独特的优势受到越来越多的欢迎，它以生动的图象、视频、动画、声音等手段创设情境，变静为动，变抽象为直观，调动了学生的积极性，丰富了课堂教学内容，提高了教学效果。

1.演示静态内容，充分调动学生感官

利用多媒体，可以将实验内容按一定的结构，用文字图像等形式呈现在投影屏幕上，把学生的眼、耳、脑等器官充分调动起来，使学生在直观的环境中牢固地掌握知识，培养学生的观察力、想象力。同时，利用多媒体还可以“解剖”复杂的实验仪器，让学生了解仪器的组成、结构特点和使用原理，使学生对常见仪器的使用有深刻的了解。例如“迈克尔逊干涉仪的调整与使用”这个实验中，我们可以用摄像机与计算机相结合的方法，以录像形式清楚地介绍迈克尔逊干涉仪的具体构造，逐个展示仪器的各个部件，演示每个调节部件的调节方法、注意事项及读数方法。

2..演示动态变化过程，使抽象的过程形象化

许多物理实验虽然可以用实物仪器做，但物理过程速度极快，现象极为微小，学生无法观察其中的奥妙所在。以“弹性碰撞”演示实验为例，碰撞是一个在极短时间内完成的物理过程，实验中学生只能看到碰撞前后的情况，碰撞过程学生难以认识。运用多媒体技术可以延长碰撞过程的时间，通过多媒体的定格慢放，可以清晰地观察弹性碰撞的物体从接触、挤压、变形、产生弹力，然后变形逐渐消失，弹性逐渐减少，最后恢复原状，到两物体分离的整个过程。整个过程既形象生动，又能揭示物理的本质。

3.再现微观世界，提供形象感知

许多微观结构和微观现象无法观察，演示实验也难以完成。传统教学中只能靠教师板书和语言进行讲授，学生普遍感到印象不深，难以理解。应用多媒体技

术配合教学，可以起到良好的效果。例如“粒子散射”实验，由于受条件限制做不了这种实验，就可以将粒子散射的实验现象通过多媒体技术显示出来。学生可以观察到放射源中射出的粒子射到金箔原子上，绝大多数粒子沿原方向前进，少数粒子发生较大偏转，极个别的粒子甚至被弹回来。这样学生在实验条件不具备的情况下仍可通过多媒体亲眼目睹粒子散射的情景，增强感性认识，加深理解，提高学习能力。

(二)、仿真物理实验

仿真物理实验，是利用计算机强大的数据处理能力，通过理论模型复现实际的系统进行模拟实验，得到相关的数据和结果，验证理论模型的正确性。

计算机仿真实验并不能代替学生做真实的实验。然而，目前在物理实验教学中，由于实验仪器复杂、精密和昂贵，往往不能允许学生自行设计实验参数、反复调整仪器，这对学生剖析仪器性能和结构、理解实验的设计思想和方法是很不利的。计算机仿真实验可在相当程度上弥补实验教学上这方面的缺憾。

仿真物理实验，可以改变传统实验中枯燥的教学方式，使教学更形象、生动；可以节约教学成本，不断更新、优化教学资源；可以让学生模拟操作训练，通过人机交互过程获得操作技能；可以模拟实际中很难实现或无法实现的操作环境，完成实际中无法实现进行的实验项目。

(三)、多媒体实验

仿真实验具有功能全、成本低、效率高等诸多优越性能，但它毕竟不能完全替代实物实验。因此出现了一种含有仿真效果的实物实验或者说是含有实物的仿真实验，可称其为多媒体实验。利用计算机替代采集测试分析仪器，所有的测量仪器主要功能可由“数据采集”、“数据分析”和“结果输出”等三大部分组成，用一定的硬件系统完成数据采集，用基于计算机的软件系统完成数据分析和结果输出。这样可以使用相同的硬件系统，通过不同的软件实现功能完全不同的各种测量。目前，越来越多的实验开始利用计算机来进行数据采集、数据分析，最终输出结果。

参考文献:

[1]胡晓波,李琰,王艳芳. 计算机仿真技术在实验教学中的应用.实验室科学, 2007,（2）: 121-124.

[2]沈元华.计算机在普物实验教学中的应用.实验室研究与探索, 2002, 21(4): 10-12.

[3]张大中.计算机在实验教学中的应用探讨. 实验室研究与探索, 2004, 23(9): 9-12.

[4]熊万杰,黄振中.用Origin软件处理物理实验数据.大学物理实验, 2004, 17(2): 65-67.

[5]姜振寰．关于物理学史的分期．哈尔滨工业大学学报，2006年1月：1．