第一章 緒論及計算物理課程相關(guān)背景介紹

1、計算物理計算物理阜陽師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 李季2011年9月Email: 一、課程描述 計算物理是用數(shù)值方法求解典型物理問題的一門實用性專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程使學(xué)生掌握線性代數(shù)、常微分方程、逼近與插值、非線性方程組等常見計算問題的通用數(shù)值解法和編程技巧。本課程結(jié)合典型物理問題，有選擇地介紹若干主要數(shù)值方法（如變分法、有限元方法、多重散射方法、密度泛函方法、蒙特卡羅模擬方法和分子動力學(xué)方法等）和軟件應(yīng)用，并結(jié)合計算機技術(shù)適當(dāng)介紹計算科學(xué)的進展，為學(xué)生進一步從事有關(guān)的科學(xué)和技術(shù)研究，以及數(shù)值計算方法和軟件研發(fā)打下基礎(chǔ)。二、主要內(nèi)容二、主要內(nèi)容計算機資源與計算程序基礎(chǔ)串行計算概念，并行計算概念，

2、高級算法語言結(jié)構(gòu)，數(shù)學(xué)軟件包（Mathematica，或Matlab，Origin）等 4基本數(shù)值計算方法線性代數(shù)的數(shù)值解法，矩陣特征值問題，常微分方程的數(shù)值解法，逼近與插值，數(shù)值積分，非線性方程組的數(shù)值解法等 14物理問題的數(shù)值計算與模擬簡單物理方程的數(shù)值求解，電磁學(xué)問題，量子多體問題，統(tǒng)計物理和復(fù)雜系統(tǒng)問題，碰撞/散射和吸收問題等 8數(shù)值計算概念性方案幾種主要數(shù)值計算方案選擇介紹 6依據(jù)“ 高等學(xué)校物理學(xué)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范”中對計算物理基礎(chǔ)的敘述三.開課背景介紹1.科學(xué)研究手段的發(fā)展實驗伽利略等計算機在實驗物理中的應(yīng)用 （在線分析和離線分析）理論拉普拉斯等普朗克等計算機在理論物理中的應(yīng)用（

3、符號計算，數(shù)值計算,仿真）計算一種新的研究手段非線性科學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)2.國內(nèi)開課情況 1998年教育部物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會年教育部物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會專業(yè)物理與應(yīng)用物理教學(xué)指導(dǎo)組建議研究生專業(yè)物理與應(yīng)用物理教學(xué)指導(dǎo)組建議研究生8門基礎(chǔ)課之一門基礎(chǔ)課之一 2004年教育部物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會年教育部物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會建議本科生開設(shè)建議本科生開設(shè)“計算物理基礎(chǔ)計算物理基礎(chǔ)” 2010年，教育部出臺高等學(xué)校物理學(xué)本科指導(dǎo)年，教育部出臺高等學(xué)校物理學(xué)本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范，將計算物理基礎(chǔ)列入必修課。性專業(yè)規(guī)范，將計算物理基礎(chǔ)列入必修課。 3.國外開課情況 2006年9月4日網(wǎng)

4、上搜索computational physics結(jié)果： A : 2447 google :54,500,000 google scholar : 872000 2007年9月11日搜索computational physics結(jié)果： google :216,000,000 2011年9月5日搜索computational physics結(jié)果： google : 11,700,000 條結(jié)果條結(jié)果 4.今后用途 從事科學(xué)研究從事科學(xué)研究的條件：實驗理論計算 從事教學(xué)做課件 工具 畢業(yè)論文科學(xué)計算問題的數(shù)值解, 科學(xué)計算結(jié)果的可視化數(shù)據(jù)處理，作圖5.學(xué)習(xí)與考核 學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)方法 多練習(xí),勤上機;

5、多動腦,找課題; 考核方法考核方法 平時(作業(yè),課題) 報告(互評),論文(爭取發(fā)表) 期末考第一章 緒論本章內(nèi)容： 科學(xué)計算在科學(xué)研究中的意義； 實驗物理、理論物理、計算物理三種研究物理學(xué)手段的特點； 串行計算概念，并行計算概念；高級算法語言結(jié)構(gòu)； 學(xué)習(xí)計算物理的意義。 介紹MATLAB的界面和各種功能；重點介紹命令窗口的使用和MATLAB幫助。用拍現(xiàn)象和調(diào)制技術(shù)舉例介紹用MATLAB模擬物理現(xiàn)象和物理過程。一、初識Matlab1.Matlab的五個特點2.Matlab的界面1.Matlab的五個特點 特點一: 起點高 特點二: 人機界面適合科技人員 特點三: 強大而簡易的作圖功能 特點四:

6、 智能化程度高 特點五: 功能豐富,可擴展性強2.Matlab的界面 命令窗口 圖形窗口 文本編輯窗口1.命令窗口命令窗口(command window) 版本演變版本演變 2000年，年，MATLAB 6.0版版 2001年，年，MATLAB 6.1版版 2002年，年，MATLAB 6.5版版 2004年，年，MATLAB 7.0版版 當(dāng)前最新版當(dāng)前最新版MatlabR2011A 不同版本的個別命令略有不同不同版本的個別命令略有不同.1.命令窗口命令窗口(command window) 計算器功能計算器功能演示演示: 在命令窗口輸入在命令窗口輸入 2*3 在命令窗口輸入在命令窗口輸入 3/

7、6= 在命令窗口輸入在命令窗口輸入 6/6+11.命令窗口命令窗口(command window) 矩陣的表示矩陣的表示演示演示: 33矩陣矩陣,手工輸入手工輸入,相乘運算相乘運算 1010隨機矩陣的產(chǎn)生隨機矩陣的產(chǎn)生: n=10 a=rand(n) 1.命令窗口命令窗口(command window) 三元一次方程組及其解法三元一次方程組及其解法演示演示: 一般消元法一般消元法 矩陣解法矩陣解法 1.命令窗口命令窗口(command window) 求解特征值求解特征值演示演示: 10 10隨機矩陣的特征值求法隨機矩陣的特征值求法 n=10 a=rand(n) eig(a) 二二.MATLA

8、B的常用界面的常用界面2.命令歷史窗口和當(dāng)前目錄窗口命令歷史窗口和當(dāng)前目錄窗口(Command History , Current Directory) 窗口用法窗口用法: Command History 可顯示在命令窗口中曾輸可顯示在命令窗口中曾輸入的命令入的命令,同時同時,雙擊選中的命令可對其進行再雙擊選中的命令可對其進行再次執(zhí)行次執(zhí)行. Current Directory 提供并可改變提供并可改變(設(shè)置設(shè)置)當(dāng)前當(dāng)前文件夾文件夾,方便執(zhí)行程序及存盤方便執(zhí)行程序及存盤.二二.MATLAB的常用界面的常用界面3.文本編輯窗口4.圖形窗口用命令 t=0:0.01:10; y=sin(t); plot