计算物理基础
计算物理基础课程及教学资料的特色与使用

[ 6 3 罗 兴垅 .独 立 学 院 大 学 物 理 教 学 研 究 [ J ] . 大学 物理 , 2 0 1 0
( 1 ) .
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物理与 工程
课; 2 0 1 2年 , 计 算 物 理 被 正 式 列 为 物 理 学 二 级 学科 .
应用 篇 : 第 6章 及每 章末 尾数节 , 其 中第 6
章 为混 沌 ( 单摆 、 倒摆 、 自激振 动 、 洛 伦 兹方 程 ) , 各
章 末尾 的物 理 问题 : L o g i s t i c 模型、 环形 电流 的磁
koonin的书出版以来畅1在国内外是首次完全采用matlab教学销十余年至今不衰曾经被加州理工学院麻省麻的计算物理教材并且通过教材学生就能学会工学院哈佛大学和普林斯顿大学等众多名校用matlab应用而不依赖于其他计算机语言的预备作教材高等教育出版社出版过秦克诚教授的译课程解决了计算工具
物 理 与工程
教 材 的 内容 可 以分 为三部 分 :
为 现代 物理 学 的三大 支柱 . 而 近数 十 年来 , 计 算 物 理 在 我 国 也 得 到 了前 所 未有 的蓬 勃 发 展 , 对 于 广 大 在 校 物 理 系 学 生 而 言, 计算 物理 已 经逐 渐成 为 学 习 物 理 知 识 的 基 础
理 学 中扮演 的 角色 越 来 越 重 要 , 计 算 物 理 学 越 来 越 经常 地与 理论 物理 学 和实 验 物 理学 一 起 被并 称
套的P P T光 盘与 习题 集 , 为 此 出版 社 组织 作 者 编 写 了 电子 教 案 P P T 的光 盘 与 习题 集 , 出版 发行 . 为 了使 更 多的 教师 了解 和使 用这 本 教 材及 其 教 学 资料 , 特此作 一 介绍 .
物理基础公式总结归纳

物理基础公式总结归纳物理是一门研究自然界各种物质运动和相互作用规律的学科。
在物理学的学习过程中,公式是我们重要的工具之一,能够帮助我们理解各种现象,并且进行计算预测。
本文将对一些常见的物理基础公式进行总结归纳,以供参考。
1. 力学1.1 平均速度(v)= 路程(s)/ 时间(t)1.2 加速度(a)= 速度变化(Δv)/ 时间(t)1.3 牛顿第二定律(F)= 质量(m) ×加速度(a)1.4 动能(E_kin)= 1/2 ×质量(m) ×速度²(v²)1.5 动量(p)= 质量(m) ×速度(v)1.6 动量守恒定律:在一个封闭系统内,系统的总动量在没有外力作用时保持不变1.7 引力(F)= 万有引力常量(G) × (质量1 ×质量2) / 距离²2. 热学2.1 热传导定律: 热传导速率(Q)= 热导率(k) ×横截面积(A)×温度差(ΔT) / 物体厚度(d)2.2 热膨胀定律: 线膨胀量(ΔL)= 原长(L)×线膨胀系数(α)×温度变化(ΔT)2.3 热平衡定律: 热量的净传递总是从高温物体向低温物体传递,直到达到热平衡状态3. 电学3.1 电流(I)= 电量(Q)/ 时间(t)3.2 电阻(R)= 电压(V)/ 电流(I)3.3 电流强度(I)= 电压(V)/ 电阻(R)3.4 电阻与电流、电压的关系: 电阻(R)= 电压(V)/ 电流强度(I)= V/I3.5 库仑定律:两个电荷之间的作用力与它们之间的距离成正比,与电荷的大小成反比3.6 电功(W)= 电压(V) ×电量(Q)4. 光学4.1 光速(c)= 299792458 m/s4.2 光的折射定律: 折射率(n1/n2)= 入射角(θ1)/ 折射角(θ2)4.3 焦距(f)= 透镜与物体的距离(d1) ×透镜与像的距离(d2)/(透镜与物体的距离(d1) + 透镜与像的距离(d2))4.4 倍率(M)= 图像高度(h2)/ 物体高度(h1)5. 波动5.1 波长(λ)= 光速(c)/ 频率(f)5.2 波速(v)= 波长(λ) ×频率(f)5.3 声音速度(v)= 频率(f) ×波长(λ)通过以上的公式总结归纳,我们可以看到物理学中的公式丰富多样,每个公式都可以帮助我们解决不同的问题。
计算物理基础课件

2020/4/2
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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
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
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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。
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
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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。
2020/4/2
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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。
计算物理基础 学习指南

学习指导计算物理课程的学习内容包括计算工具、算法、作图、编程、物理应用等不同的组成部分,对这些不同的内容要针对其特点采用不同学习方法才能有效地提高学习效率。
MATLAB是本课程采用计算工具,它包含指令与语法两大内容。
作为一种商业化的用途广泛的计算软件,其指令多达数千条。
而我们所使用的不过是几百条,其中需要的熟练掌握并记忆的不过一百多条。
学习MATLAB不是要求精通MATLAB,而是会将MATLAB为我所用。
所以教材中采用的教学方法是边学边用,要用才学,学了就用,不用不学。
对于一些不常用的指令不必专门学习与记忆,而是在用到时,通过help系统查询其用法后直接使用。
对于需要重点掌握的指令都在技能点给以说明。
数值算法是数值计算的理论指导,但是计算物理课程学习数值算法是重在实际应用而不是研究算法理论。
从这一点出发,再考虑到MATLAB的指令实际上已经将几乎所有的基本算法都编成了指令,这些算法已经远远超过教科书所能讲授的内容。
所以课程中采用的教学方法是,示范性地介绍一些最基本的算法理论,尽量详细介绍MATLAB的指令,以便学生既能理解指令是如何进行数值计算,又能在计算与编程中充分运用指令完成各种复杂计算。
事实上,掌握了指令相当于掌握了基本算法并完成了用基本算法编程的双重任务,是一箭双雕的学习方法。
将作图或者说“科学计算可视化”列入学习内容,是本课程独有的做法,是“计算机图形学”在计算物理教学中的创新性应用的结果。
图形学丰富的技术手段和丰硕的研究成果使得可视化在数值研究中越来越重要,图形不仅成为理解数据内涵的重要手段,而且成为数值计算之后,研究数据结果最有效的后续方法。
这些方法包括图形和图像、动画、虚拟现实与仿真等等。
本课程能够完成这个学习目标是由于MATLAB已经达到作图软件的图形功能,完成作图以及制作图形界面几乎是举手之劳。
这也是选择MATLAB的又一个优势。
MATLAB的编程语句、语法与文件种类十分简单,应该牢记并熟练掌握。
计算物理基础

计算物理基础
计算物理基础是物理学中一个重要的分支,它借助计算机和数值方法来研究物理现象。
通过数值模拟和计算,我们可以更深入地理解和预测物理系统的行为。
本文将介绍计算物理的基础知识,包括数值方法、模拟技术和应用领域。
数值方法是计算物理的核心,它涉及将物理问题转化为数学问题,并利用计算机进行求解。
常见的数值方法包括有限差分法、有限元法和蒙特卡洛方法等。
这些方法可以用来求解微分方程、积分方程和优化问题等。
通过数值方法,我们可以模拟物理现象,如流体力学、固体力学和量子力学等。
模拟技术是计算物理中的另一个重要概念,它通过构建数学模型来描述物理系统,并利用计算机进行仿真。
模拟技术可以帮助我们研究复杂的物理现象,如天体物理、等离子体物理和原子物理等。
通过模拟技术,我们可以模拟宇宙的演化、核聚变反应和材料的特性等。
计算物理的应用领域非常广泛,涵盖了自然科学、工程技术和医学健康等多个领域。
在物理学中,计算物理可以用来研究粒子物理、宇宙学和凝聚态物理等。
在工程技术中,计算物理可以用来优化设计、模拟流体动力学和分析结构力学等。
在医学健康中,计算物理可以用来模拟生物系统、优化医疗设备和研究生物分子等。
总的来说,计算物理是一门强调理论与实践结合的学科,它通过数值方法和模拟技术来研究物理现象,为解决实际问题提供了重要的工具和方法。
希望本文可以帮助读者更好地了解计算物理的基础知识,激发对物理学的兴趣和热爱。
计算物理基础试题及答案

计算物理基础试题及答案一、选择题(每题2分,共10分)1. 在经典力学中,牛顿第二定律的表达式是什么?A. F = maB. F = mvC. F = m/aD. F = a/m答案:A2. 根据能量守恒定律,一个物体的动能和势能之和在没有外力作用下是:A. 增加的B. 减少的C. 不变的D. 无法确定答案:C3. 以下哪个选项是波动方程的基本特征?A. 波速B. 波长C. 频率D. 所有选项都是答案:D4. 在量子力学中,海森堡不确定性原理表明了什么?A. 粒子的位置和动量可以同时准确测量B. 粒子的位置和动量不能同时准确测量C. 粒子的能量和时间可以同时准确测量D. 粒子的能量和时间不能同时准确测量答案:B5. 根据麦克斯韦方程组,电磁波在真空中的传播速度是多少?A. cB. 2cC. c/2D. 10c答案:A二、填空题(每题2分,共10分)6. 一个物体在水平面上做匀速直线运动,其动力学方程为 F =__________。
答案:07. 根据热力学第一定律,系统吸收的热量Q与对外做功W之间的关系为ΔU = __________ + W。
答案:Q8. 一个波包的波函数可以表示为Ψ(x,t) = A * e^(i(kx - wt)),其中A是__________,k是__________,w是__________。
答案:振幅;波数;角频率9. 量子力学中的泡利不相容原理指出,一个原子中的两个电子不能具有完全相同的一组量子数,这些量子数包括:__________、__________、__________和__________。
答案:主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数10. 根据狭义相对论,长度的洛伦兹收缩公式为 L = L0 *__________。
答案:√(1 - v^2/c^2)三、简答题(每题10分,共30分)11. 简述牛顿运动定律的三个定律。
答案:牛顿第一定律(惯性定律)指出,一个物体若没有受到外力,将保持静止或匀速直线运动的状态。
计算物理在基础物理中的算例

计算物理的研究对象包括从微观粒子 到宏观物体的各种物理现象和过程。
基础物理中的计算需求
基础物理研究的问题
基础物理研究的问题涉及物质的基本性质、相互作用和运动规律等。
计算在基础物理中的应用
计算在基础物理中广泛应用于预测和解释实验现象、验证理论模型、 探索新的物理现象和规律等。
计算对基础物理的推动作用
进动与章动
探讨刚体在进动与章动过程中的动力学行为,分 析陀螺效应等现象。
刚体平衡
分析刚体在静力平衡条件下的受力情况,研究刚 体的稳定性问题。
03
电磁学算例
静电场分布计算
01
电荷分布与电势计 算
通过给定电荷分布,利用库仑定 律和叠加原理计算空间中的电势 分布。
02
电场强度与电势梯 度
根据电势分布,计算电场强度矢 量,并分析电场强度的方向和大 小。
能级和波函数分析
分析能级与主量子数、角量子数等参数的关系,以及波函数的形状 和性质。
简谐振子近似解法探讨
简谐振子模型建立
通过设定势能函数为简谐形式,描述粒子在简 谐势场中的运动。
近似解法应用
利用微扰理论或变分法等近似方法求解简谐振 子的能级和波函数。
近似解法的有效性分析
比较近似解法与精确解法的结果,分析近似解法的适用范围和误差来源。
06
总结与展望
计算物理在基础物理中作用回顾
推动了理论物理和实验物理的发展
计算物理作为连接理论物理和实验物理的桥梁,通过数值模拟和计算 机模拟等方法,为理论预测和实验结果提供了重要的验证和补充。
促进了多学科交叉融合
计算物理涉及数学、计算机科学、物理学等多个学科领域,推动了不同学 科之间的交叉融合,为解决复杂物理问题提供了新的思路和方法。
计算物理 知识点总结

计算物理知识点总结一、计算方法1.1 数值积分数值积分是计算物理中常用的一种方法,它用于求解复杂的积分运算。
数值积分的基本原理是将积分区间分割成若干小区间,然后对每个小区间进行近似计算,最后将这些结果累加起来,得到整个积分的近似值。
1.2 微分方程数值解微分方程在物理学中广泛应用,而一般情况下微分方程是无法直接求解的,因此需要利用数值方法来求解。
微分方程数值解的基本原理是将微分方程离散化,然后用数值方法求解离散化后的方程,从而得到微分方程的近似解。
1.3 存储器和算法计算物理中使用的数学模型往往需要大量的内存和计算时间,因此如何有效地利用存储器和设计算法变得尤为重要。
在实际应用中,通常需要根据具体问题的特点来选择合适的存储器和算法,以提高计算效率和准确性。
1.4 随机数生成在模拟技术中,常常需要使用随机数来模拟物理过程中的随机性。
因此如何生成高质量的随机数成为一个重要的问题。
现代的计算机通常能够生成高质量的随机数序列,但需要注意的是,随机数的生成方法和质量直接影响了模拟结果的准确性。
二、模拟技术2.1 蒙特卡洛方法蒙特卡洛方法是一种常用的模拟技术,它通过使用随机数来模拟物理系统的行为。
蒙特卡洛方法广泛应用于统计物理、量子力学等领域,具有很高的准确性和灵活性。
2.2 分子动力学模拟分子动力学模拟是一种用于研究原子和分子在时间和空间上的运动规律的方法。
通过对分子之间的相互作用力进行近似计算,然后用数值积分方法求解微分方程,得到了分子的运动轨迹和能量变化。
2.3 能带结构计算能带结构是固体物理和半导体物理中的一个重要概念,它描述了材料中电子的能量分布情况。
计算物理可以通过模拟方法来计算材料的能带结构,从而帮助研究者理解材料的电子性质和相应的物理特性。
2.4 流体动力学模拟流体动力学模拟是一种用于研究流体运动规律的方法,它广泛应用于气体、液体和等离子体等领域。
通过对流体的运动和相互作用进行模拟,可以帮助研究者理解流体的物理特性,并且为相关工程应用提供参考。
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北京师范大学2007 ~2008 学年第二学期期末考试试卷(A卷)
课程名称计算物理基础任课教师姓名:彭芳麟
卷面总分: 100 分考试时长: 100 分钟考试类别:闭卷□√开卷□其他□院(系):物理专业:物理年级: 06
姓名:学号:
阅卷教师(签字):
一.选择题(10分) (对下面语句加以判断)
1. W = [ ]; ( 对)
2. a=5, A=7, Aa=9; ( 对)
3. x=0:0.1:6; A=[x; 4*x]; B=sin(A); plot(x,B) ( 对)
4. u = 1E-4 ( 对 )
5. syms x, y, z, a, b ( 错 )
二.填空题(10分)
列举冒号:的各种功能.
表示取从x到y的数值,如
x = 1:5; % x = 1 2 3 4 5
还可以设置步进
x = 1:2:10; % x = 1 3 5 7 9
表示取全部行/列及其它维数
A为矩阵,
则B=A(:,2:3)表示截取A矩阵中“所有行”的“2~3”列的元素,并组成数组B。
2.程序中将长的语句分行书写时应该在分行处加上的符号是:。
3.在语句后面加上分号;的作用是:结束语句
4.方括号[ ]的功能有:矩阵运算
5.花括号{ }功能:用于单元阵列的赋值、定义字符串数组、引用结构数组元素
三.说明下列指令的用法与功能(10分)
1.pause :停顿:例如:pause (0.5);
2.sphere 画三维球体:例如sphere(0.5);
3.polar 极坐标画图:th=0:0.01:pi; polar (th,sin(th*pi).*cos(th))
4.demo 查看示例
5.format 改变显示方式
四.简答题(20分)
1. 叙述调试程序的方法
对于很简单的程序,直接运行皆可,MATLAB 会自动检测有错误的语句。
对于和复杂的程序,可以逐句运行,看看每句执行的情况,如果有错,随时修正。
更复杂的程序,可以分块设置间断点,然后分块调试,调试一部分程序在调试下一部分程序。
2.实时动画有两种,简单叙述它们的画法.
MATLAB 用图像句柄来控制图形对象。
通过查看图形句柄的所包含的图形属性,并通过改变其中的函数值及线形来改变图形。
五.程序题(20分)
1. 已知 24210.2;( 1.6 1.6)2y x x x +-=-≤≤,这是一个隐函数,
a) 用隐函数作图指令可以直接画它图形,请写出相应的语句。
ezplot('y^2+0.5*x^4-x^2=0.2',[-1.6,1.6])
b) 如果不用这种指令作图,则很烦琐,为了对比,请再编一个程序画图,不得用隐函数作图的指令。
y=solve('y^2+0.5*x^4-x^2-0.2','y');
解出y 关于x 的函数在用x=-1.6:0.1:1.6;
在求出y ;plot (x ,y );
2. 高斯—勒让德积分公式是
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1()()N n n n f x dx w f x =-=∑⎰,取N=3, 1321321/20.774597;00.555556;0.88888935()2
2x x x w w w f x x =-=====⎛⎫=+ ⎪⎝⎭ 编出计算程序,要求不得用for 循环语句 。
f=@(x)(1.5*x+2.5).^0.5;
w1=0.555556;w3=w1;w2=0.888889;
x1=0.774597;x3=-x1;
x2=0;
W=f(x1)*w1;
W=W+f(x2)*w2;
W=W+f(x3)*w3;
disp(W);
六.问答题 (20分)
1.本学期学过的内容从知识结构上可以分为几个部分?
大括号用于单元阵列的赋值
中括号用于形成一个向量或矩阵
小括号通常用于一般的算术表达式,指示优先运算,还用于表示函数变量、向量下标和矩阵下标等到
2.你觉得需要增加什么内容或者删除什么内容?
3.那些内容你在本科学习中可以用到或者将会用到?
4.那些内容对你比较难学,你认为可以如何改进?。