計算物理CP-1省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎課件市賽課一等獎課件

計算物理學天津師范大學物理與電信學院計算物理學是以計算機及計算機技術為工具和伎倆，利用計算數(shù)學方法，處理復雜物理問題一門應用科學1/28成績核實：平時：30%（課堂出勤10%,作業(yè)20%）期末：70%參考書目:陳鐘賢,《計算物理學》,哈爾濱工業(yè)大學出版社，馬文淦，《計算物理學（當代物理基礎叢書4）》北京：科學出版社，S.S.M.Wong，《物理學和工程學中計算方法》，北京：世界圖書出版社，年

課程說明2/28掌握數(shù)據(jù)處理基本方法插值、擬合、平滑濾波掌握常見物理問題計算機求解方法求解方程根線性方程組求解數(shù)值微分、積分計算微分方程計算機求解波動、熱傳導、薛定諤方程求解MonteCarlo方法原理及應用課程目標和主要內(nèi)容3/281-1第一章 緒論

學習目標了解計算物理主要應用了解計算物理起源、發(fā)展與現(xiàn)實狀況.4/281-21.1計算物理起源與發(fā)展電子計算機創(chuàng)造和應用

學科之間交叉滲透，使計算物理學得以蓬勃發(fā)展

計算物理學對處理復雜物理問題巨大能力，使它成為物理學第三支柱，并在物理學研究中占有主要位置

計算物理學與理論物理和試驗物理有著親密聯(lián)絡。計算物理學研究內(nèi)容包括到物理學各個領域5/281-3一、計算機數(shù)值計算與數(shù)值分析以計算機為工具，對各種物理系統(tǒng)數(shù)學模型進行數(shù)值求解，并應用各種分析伎倆（繪圖、統(tǒng)計、傅立葉分析、小波變換等）對所得結果進行數(shù)值分析，以期到達研究目標（發(fā)覺物理系統(tǒng)性質(zhì)、規(guī)律、以及所蘊含新物理現(xiàn)象）

二、計算機模擬在計算機上模擬各種物理過程（過程起源、發(fā)展、歸宿），為物理學家提供了“計算機模擬試驗”這個新研究伎倆。其優(yōu)點是，不受試驗條件以及空間和時間限制，低成本、高靈活性。計算機上模擬已成為繼試驗物理和理論物理之后第三大研究伎倆。(大致分為四類)1.2計算物理應用6/281-4計算物理學應用（續(xù)）三、計算機符號運算利用計算機符號系統(tǒng)進行解析計算、公式推導和高精度數(shù)值運算。在理論物理、天體物理和原子核和粒子物理等領域有廣泛應用。著名軟件：Mathematic，Maple，Matlabe四、計算機實時控制試驗設配經(jīng)過接口與控制計算機相連，結合在線數(shù)據(jù)采集和分析程序，可對整個試驗過程實施控制。計算機在物理試驗中應用大致能夠分為兩個部分，即計算機在線分析和離線分析。

在線分析任務包含四個方面：（a）控制系統(tǒng)運行；（b）采集試驗數(shù)據(jù)；（c）監(jiān)視儀器狀態(tài)；（d）數(shù)據(jù)在線分析。

離線分析又能夠劃分為兩部分工作。（a）事例模擬；（b）物理分析7/28第二章簡單物理試驗模擬2-1

學習目標了解簡單物理模型模擬方法復習計算機高級語言使用8/282-22.1簡諧振動模擬模擬方案（步驟）a）設置參數(shù)（A，

，

）b）計算時間序列t1,t2,...,tnx1,x2,...,xnc）繪制動態(tài)圖形數(shù)學模型：

力：方程：解：9/282-3簡諧振動模擬流程圖輸入A，

，

tk,k=1,2…,nxk=Acos(tk+

)畫點（tk，xk）k>n?結束YN更新畫面FalshZendong&boC語言源程序CP011.C(p6-7)Matlab源程序Oscillation.m10/282-42.2駐波模擬駐波形成：兩列頻率相同、振幅相同、振動方向平行、而傳輸方向相反簡諧波形成駐波。數(shù)學模型：右行波左行波駐波11/28Matlab源程序Standing_wave.mFalshzuboC語言源程序CP013.C(p11)2-5駐波模擬流程圖輸入A，T，

tj,j=1,2…,ny1=Acos(tj–kxk)y2=Acos(tj+kxk)計算：y=y1+y2k>m?結束YN畫線：y=f(x,tj)xk,k=1,2…,mj>n?NY更新畫面12/282-62.3振動合成

一、振動方向相同兩個振動合成數(shù)學模型：當：

1=

2=

13/282-7流程圖與程序當：A1=A2=A，

1=

2=

繪制：x1-t，x2-t，x-tYN結束輸入A1，A2，

1，

2，

1，

2tk,k=1,2…,nx1=A1cos(

1tk+

1

)x2=A2cos(

2tk+

2

)k>n?x=x1+x2Matlab源程序Oscillate1_synthesize.mC語言源程序CP012.C(p11)14/282-8二、振動方向垂直兩個振動合成當頻率相同時：

1=

2=

數(shù)學模型：a）若：

2-

1=0,或2kb）若：

2-

1=(2k+1)

c）若：

2-

1=(2k+1)

/215/282-9流程與程序當

1:

2=n:m時，形成李薩如圖形YN結束輸入A1，A2，

1，

2，

1，

2tk,k=1,2…,nx=A1cos(

1tk+

1

)y=A2cos(

2tk+

2

)k>n?畫點：（x，y）Matlab源程序Oscillation2_synthesize.mFlash16/282-10李薩如圖形1李薩如圖形17/282-11李薩如圖形2李薩如圖形18/282-122.4光柵（夫瑯和費多縫衍射）數(shù)學模型（屏上光強分布）：（振幅矢量法、基爾霍夫衍射公式）a：縫寬d：光柵常數(shù)

：波長N：狹縫有效數(shù)

：衍射角19/282-13流程與程序YN結束輸入:a，d，

，N

k,k=1,2…,n

(-

m,

m)

=a

sin

k

=d

sin

kk>n?作圖：I=I(

)

yLPO注意：Matlab源程序grating.mC語言源程序CP014.CMatlab源程序grating.mC語言源程序CP014.C20/282-14衍射花樣21/282-152.5分叉、混沌、奇怪吸引子

一、蟲口模型中復雜性——物理系統(tǒng)中所孕育復雜性數(shù)學模型：xn:第n代相對蟲口數(shù)

xn:第n+1代相對蟲口數(shù)

：參數(shù)研究目標：伴隨蟲口演化，蟲口數(shù)最終究宿怎樣？（研究迭代過程收斂結果）(簡化蟲口方程)>1:蟲口指數(shù)增加<1:蟲口指數(shù)衰減在普通情況下,蟲口演化可能展現(xiàn)復雜規(guī)律22/282-16倍周期分叉Matlab源程序chongkou.m23/282-17二、Lorenz模型非線性現(xiàn)象數(shù)學模型：（描述大氣對流氣象學方程）x:對流強度

y:對流層溫差

z：溫度分布非線性度

，

，

：正參數(shù)EdwardN.Lorenz

研究目標：系統(tǒng)狀態(tài)隨時間演化。相空間代表點（x,y,z)隨時間改變規(guī)律。固定

=10，

=8/3，逐步改變

進行研究24/28Matlab源程序Lorenz_attractor2.m2-18混沌、奇怪吸引子<24系統(tǒng)收斂到一個不動點（焦點）25/282-