计算物理基础课件

---
1.1 什么是计算物理？
实验物理是从实验观测出发，发现 新的物理现象，为理论物理提供总结新 的物理规律的素材，检验理论物理的假 设或理论物理预言的正确程度和适用范 围等
2020/4/2
---
1.1 什么是计算物理？
➢ 计算物理是伴随着电子计算机的出现和发 展而逐步形成的一门新兴的边缘学科。
2020/4/2
---
目录
第一章 绪论(2课时) 第二章 数值积分微分方法(6课时) 第三章 非线性方程的数值解法(6课时) 第四章 常微分方程的数值解法(4课时) 第五章 插值法(4课时) 第六章 线性方程组的数值解法(4课时) 第七章 蒙特卡罗方法(4课时) 第八章 有限元方法
2020/4/2
---
第一章 绪 论
1.1、什么是计算物理？ 1.2、计算物理 的起源、形成与发展 1.3、计算物理的进一步发展
从计算物理到科学计算、战略计算 1.4、计算物理的特征 1.5、计算物理的工作流程 1.6、计算物理的研究方法
2020/4/2
---
1.1 什么是计算物理？
物理学有几大门类？ 传统物理学分为理论物理与试验物理 两大分支
由于需要在短时间内进行大量复杂的数值计算， 从而促使了计算机的延生和新物理学科的形成。
2020/4/2
---
1.2 计算物理的起源、形成与发展
1944年，世界上第一台“自动序列受控计算
机Mark I制成，主要部件是继电器，速度仅
每秒3次加法。在美国原子弹研制中起了重要
作用。
1946年初，世界上第一台电子管计算机
➢ 理论物理 ➢ 实验物理 ➢ 计算物理？？？
2020/4/2
---
1.1 什么是计算物理？
理论物理是分析的科学，它从一系 列的基本原理和基本假设出发，列出相 应的数学方程，运用传统的或现在的数 学方法求出问题的显式解析解，用这些 解析解的结论去解释物理现象，预见新 的现象，指导实验。
2020/4/2
费米是20世纪上半叶国际上最有才华的科学家之 一，在第二次世界大战期间，他领导建设了第一个 实现原子核链锁裂变的反应堆。
2020/4/2
---
1.2 计算物理的起源、形成与发展
战 后 费 米 对 计 算 机 发 生 兴 趣 ， 经 常 去 访 问 Los Alamos ，这个地方一直拥有世界上最强大的计算 能力。他和乌勒姆(S. Ulerm)，巴斯塔(J. Pasta)等 人讨论计算机的未来应用。他首先想到的是研究非 线性系统长时间行为和大尺度性质（这是用解析方 法无法处理的问题），并于1952年夏天设计了一个 计算机实验，一年后，在当时用来进行氢弹设计的 MANIAC计算机上实现。
ENLAC投入运行，速度为每秒5000次加法。
电子计算机的出现，为计算物理奠定了物质基
础。
2020/4/2
---
1.2 计算物理的起源、形成与发展
费米（Fermi 1901－1954）：美籍意大利物理学 家，对统计物理、原子物理、原子核物理、粒子物 理、中子物理都有重要贡献。由于中子核反应的发 现，1938年获得诺贝尔物理学奖。
Computational Physics
计算物理基础
➢ 34 学时: 24学时课堂，10学时上机 ➢ 每隔两周，上机一次，30人/组
-
---
课程目的
计算物理是以电子计算机为工具、采用数学方 法解决物理问题的应用科学。
本课程的目的在于对计算物理进行一些入门指 导，使大家在学完本课程后，在组织一些较大 规模的计算时心中有数，少走弯路。
➢ 是以电子计算机为工具、采用数学方法解 决物理问题的应用科学。
➢ 是物理、数学和计算机三者相结合的产物。
2020/4/2
---
1.1 什么是计算物理？
计算物理中的“计算”，不是上物理课做习 题时进行的那种简单计算；不是用古典的数学物 理方法来完成的计算；
而是运用计算机对复杂的物理问题所进行的 数值计算或模拟实验（模拟物理过程，研究物理 规律，检验理论预测的正确性，核实实验数据的 可靠性等等），从而探索和发现新的物理规律。
2020/4/2
---
1.1 什么是计算物理？
现 在 流 行 的 数 学 工 具 软 件 ， 如 Maple ， Matlab ， Mathematica ， 已 将 绝 大 多 数 数 值 计 算方法设计成简单的函数，经简单的调用就可得 出结果。但由于实际问题具体特性的复杂性以及 算法自身的适用范围决定了应用中必须选择和设 计适合于自己所要解决的特定问题的算法，因而 掌握数值计算方法的思想和内容是必须的
2020/4/2
---
1.2 计算物理的起源、形成与发展
1954年11月，费米逝世，他的合作者继续工作， 于1955年5月写出Los Alamos 研究报告LA1940。这篇秘密报告历经多年、解密后被正式 收入《费米全集》。这篇具有重大意义的报告， 被许多人认为是计算物理的正式起点，因为它 提出了许多问题，带来了当时谁也未曾想到的 重大发展。
2020/4/2
---
1.2 计算物理的起源、形成与发展
传统的物理学：理论物理，实验物理，都离不 开数值计算，如海王星的发现及其轨道计算就是一 个典型例子。
但早期的计算仅使用人力或简单的计算工具， 其功能和效率都极其有限。这种计算不能成为一个 学科分支。
Leabharlann Baidu
2020/4/2
---
1.2 计算物理的起源、形成与发展
2020/4/2
---
课程要求
➢ 掌握计算物理的概念和方法； ➢ 掌握几类计算方法的基础或基本原理； ➢ 了解这些方法在若干物理学分支中的具体应用。 ➢ 计算物理的实践性非常强，上机是本课程的一
个有机组成部分 ➢ 本课程需具备高等数学和线性代数基本知识
2020/4/2
---
主要参考书
➢马红孺，计算物理讲义 ➢马东升等，数值计算方法，机械工业出版社 ➢马文淦，计算物理学，科学出版社 ➢汤文辉，计算物理讲义 国防科技大学
牛顿力学方程只有二体问题是可解得，三体以 上的问题折磨了全世界许多优秀的数学家和理论物 理学家，仍然没有解析解。
量子力学的薛定谔方程，除了氢原子和简谐振 子外没有一个真实的物理问题可以找到解析解。
2020/4/2
---
1.2 计算物理的起源、形成与发展
20世纪40年代初，在由于战争的需要开始了核 武器研制。涉及的问题：流体动力学过程、核反应 过程、中子输运过程、光辐射输运过程、物态变化 过程等；都是十分复杂的非线性方程组，不可能用 传统的解析方法求解。