物理學(xué)與計(jì)算機(jī)的關(guān)系市公開課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

物理學(xué)與計(jì)算機(jī)的關(guān)系第1頁(yè)

引論近代物理學(xué)發(fā)展已經(jīng)有三百多年時(shí)間，計(jì)算機(jī)誕生是物理學(xué)發(fā)展必定結(jié)果,幾十年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展又為物理學(xué)提供了強(qiáng)有力支持,計(jì)算機(jī)技術(shù)與物理學(xué)相輔相成,相互促進(jìn)，相互滲透,二者有高度交叉性?；仡櫽?jì)算機(jī)發(fā)展史,我們發(fā)覺每一個(gè)階段都是以物理學(xué)發(fā)展變革作為前提,再看近代物理學(xué)歷史,計(jì)算機(jī)飾演著一個(gè)不可替換角色。第2頁(yè)物理學(xué)與計(jì)算機(jī)關(guān)系一．計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程二．計(jì)算機(jī)是物理學(xué)發(fā)展成熟必定產(chǎn)物三.計(jì)算機(jī)對(duì)物理學(xué)影響第3頁(yè)一．計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程1946年,世界上出現(xiàn)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)“

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發(fā)展階段速度（次/每秒）

起止年份

代表機(jī)型

硬件

軟件

應(yīng)用范圍

電子元件

主存儲(chǔ)器第一代幾千至幾萬(wàn)1946-1958ENIAC/EDVAC電子管水銀延遲線機(jī)器語(yǔ)言、匯編程序科學(xué)計(jì)算第二代幾十萬(wàn)1959-1964IBM7090/UNIVACII/TRADIC晶體管磁芯高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言科學(xué)計(jì)算/數(shù)據(jù)處理/工業(yè)控制第三代幾十萬(wàn)至幾百萬(wàn)1965-1970IBM360/HONEYWELL6000/F230中小規(guī)模集成電路磁芯/半導(dǎo)體存放器操作系統(tǒng)/各種高級(jí)程序語(yǔ)言廣泛應(yīng)用于眾多科學(xué)領(lǐng)域第四代幾百萬(wàn)甚至上億1971至今IBM4300/IBM9000等大規(guī)模集成電路半導(dǎo)體存放器操作系統(tǒng)語(yǔ)言完善/應(yīng)用軟件已形成產(chǎn)業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用已經(jīng)深入到社會(huì)生活各方面計(jì)算機(jī)發(fā)展階段劃分及特征表

第5頁(yè)二．計(jì)算機(jī)是物理學(xué)發(fā)展成熟必定產(chǎn)物

1.計(jì)算機(jī)誕生理論基礎(chǔ)

2.物理學(xué)是計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)

3.物理學(xué)研究結(jié)果在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用舉例第6頁(yè)物理學(xué)作為理論基礎(chǔ):偉大物理學(xué)家牛頓(1642-1727)創(chuàng)造了微積分,發(fā)覺了萬(wàn)有引力定律,創(chuàng)建了經(jīng)典光學(xué)理論,建立了牛頓力學(xué)大廈;數(shù)學(xué)家布爾(1815-1871)和德莫根創(chuàng)造了數(shù)理邏輯中最主要布爾代數(shù);法拉弟(1791-1867)、麥克斯韋創(chuàng)建了電磁理論,赫茲發(fā)覺了麥克斯韋預(yù)言電磁波;愛因斯坦、德布羅意、玻爾、海森伯、薛定諤、狄拉克創(chuàng)建了量子力學(xué);德福雷斯特創(chuàng)造了對(duì)電信號(hào)有放大作用電子三極管。1.計(jì)算機(jī)誕生理論基礎(chǔ)第7頁(yè)

自牛頓逝世到1943年,全世界物理學(xué)家經(jīng)過(guò)200余年不停努力,在數(shù)理邏輯和物理學(xué)電磁理論、量子力學(xué)、半導(dǎo)體理論等方面取得了巨大成功,為計(jì)算機(jī)誕生在理論和技術(shù)上作好了充分準(zhǔn)備。第8頁(yè)

2.物理學(xué)是計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)

1944年,美國(guó)國(guó)防部門組織了有莫奇利和埃克特領(lǐng)導(dǎo)200多位教授研制小組,經(jīng)過(guò)兩年多艱辛勞動(dòng),于1946年2月15日,在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)里研制出了人類第一臺(tái)電子管數(shù)字積分計(jì)算機(jī)ENIAC。1947年,美國(guó)巴丁等幾位科學(xué)家研制出了既小又可靠,而且不會(huì)變熱,結(jié)構(gòu)單一晶體管。1953年,德克薩斯儀器企業(yè)和仙童企業(yè)都宣告研制成第一塊集成電路。1954年,德克薩斯儀器企業(yè)首先宣告建成了世界上第一條集成電路生產(chǎn)線。隨即美國(guó)貝爾試驗(yàn)室制成第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)——TRADIC,使計(jì)算機(jī)體積大大縮小。早期巨大電子管第9頁(yè)

1958年,美國(guó)IBM企業(yè)制成全部使用晶體管計(jì)算機(jī),第二代計(jì)算機(jī)誕生了。第二代計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度比第一代計(jì)算機(jī)提升了近百倍。

60年代中期,伴隨集成電路問(wèn)世,第三代計(jì)算機(jī)誕生了,其標(biāo)志產(chǎn)品是1964年由美國(guó)IBM企業(yè)生產(chǎn)IBM360系列機(jī)。早期INTEL8080CPU晶體管集成度超出5000管/片,1977年以后在一個(gè)硅片上就可容納數(shù)萬(wàn)個(gè)管子。80年左右,IBM制成了第一代微型計(jì)算機(jī)8086。PIII晶體管集成度有2800萬(wàn)個(gè)。世界上第一個(gè)晶體管第10頁(yè)

第四代計(jì)算機(jī)以大規(guī)模集成電路作為邏輯元件和存放器,使計(jì)算機(jī)向著微型化和巨型化方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)微處理器從早期8086,發(fā)展到80286,80386,80486,飛躍(Pentium)、飛躍二代(PentiumⅡ)、飛躍三代(PentiumⅢ)及飛躍四代(PentiumⅣ)。集成電路大規(guī)模集成電路第11頁(yè)整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)就是物理,記得有一個(gè)家長(zhǎng)說(shuō)他孩子喜歡計(jì)算機(jī),問(wèn)教授他孩子應(yīng)該學(xué)什么時(shí),教授回答:“

假如他想要搞硬件,應(yīng)該學(xué)物理,想要搞軟件應(yīng)該學(xué)數(shù)學(xué)!

”我們應(yīng)該看出了,物理在計(jì)算機(jī)發(fā)展中地位,整個(gè)硬件基礎(chǔ),沒(méi)有硬件發(fā)展,計(jì)算機(jī)在一定程度上想往上提升不可能!量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)在試驗(yàn)室研制成功。小結(jié)第12頁(yè)3.物理學(xué)研究結(jié)果在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用舉例磁芯當(dāng)代算機(jī)內(nèi)存貯器都是體積小,速度快磁芯所組成,而磁芯應(yīng)用,則是物理學(xué)研究結(jié)果用于計(jì)算機(jī)一個(gè)突出例子。1950年王安等人在《應(yīng)用物理學(xué)》雜志上發(fā)表了磁性材料相關(guān)論文，一年后,同一雜志發(fā)表了斯萊斯特應(yīng)用這種材料于數(shù)字統(tǒng)計(jì)文章。兩年后,MIT計(jì)算機(jī)就采取了這種磁芯作為內(nèi)在貯器,從此,陸續(xù)研制出了磁帶,磁鼓，磁盤,軟磁盤等,四十多年來(lái),磁性材料一直是計(jì)算機(jī)主要或輔助存放設(shè)備。

磁芯存放器第13頁(yè)

另首先,一旦發(fā)覺了某種物理效應(yīng),只要條件具備,就能夠產(chǎn)生一個(gè)新器件。比如：固體電子學(xué)中有場(chǎng)效應(yīng),組成了MOS集成電路量子力學(xué)隧道效應(yīng),創(chuàng)造了隧道二極管；六十年代初發(fā)覺了約瑟夫遜效應(yīng),今天就已經(jīng)有了高速度,低功耗器件等等。計(jì)算機(jī)外設(shè)是一個(gè)包括面廣領(lǐng)域,物理學(xué)中聲、光、熱等學(xué)科,在它上面得到充分表達(dá),比如：計(jì)算機(jī)輸出信息,要靠電話線或?qū)Ｓ镁€傳到較遠(yuǎn)地方,這就是把數(shù)字信號(hào)變成音頻信號(hào)。MOS集成電路第14頁(yè)

另外,要讓計(jì)算機(jī)知道人話語(yǔ),這是人工智能主要研究對(duì)象,其中就有語(yǔ)言聲學(xué)研究。計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備之一,大容量存貯裝置光盤,是一個(gè)利用激光在某種介質(zhì)上“刻”上信息只讀存貯器,另一個(gè)激光存貯器正在進(jìn)行研制,它利用激光全息攝影來(lái)存放信息而用于計(jì)算機(jī)。光學(xué)纖維可用來(lái)作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通道,以負(fù)載音頻信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享。第15頁(yè)

三.計(jì)算機(jī)對(duì)物理學(xué)影響

伴隨計(jì)算機(jī)日新月異發(fā)展,已經(jīng)出現(xiàn)了物理與計(jì)算機(jī)科學(xué)相互交融趨勢(shì)。計(jì)算機(jī)誕生一個(gè)促進(jìn)原因,是物理學(xué)中有大量計(jì)算問(wèn)題。計(jì)算機(jī)研制出來(lái)以后,對(duì)處理物理學(xué)中計(jì)算問(wèn)題起了極大作用。計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展為物理學(xué)提供了強(qiáng)有力計(jì)算工具,同時(shí)也對(duì)物理學(xué)研究方法產(chǎn)生了極大地影響,這種影響表現(xiàn)在三個(gè)方面:猜測(cè)檢驗(yàn),場(chǎng)景仿真，理論推導(dǎo)。第16頁(yè)1．物理學(xué)猜測(cè)檢驗(yàn)

在沒(méi)有計(jì)算機(jī)時(shí)代,物理學(xué)猜測(cè)檢驗(yàn)是一個(gè)相當(dāng)漫長(zhǎng)過(guò)程,甚至在一個(gè)人有限生命周期中無(wú)法完成。有了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)后,利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)海量存貯能力和高速運(yùn)算能力,我們可對(duì)復(fù)雜物理系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律做出猜測(cè),并在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中作快速或慢速模擬試驗(yàn)并與系統(tǒng)實(shí)際有限運(yùn)動(dòng)過(guò)程或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比以不停檢驗(yàn)和修正猜測(cè),有望最終發(fā)覺物理規(guī)律。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高速運(yùn)算能力和強(qiáng)大符號(hào)演算能力為物理學(xué)研究猜測(cè)方法裝上了翱翔翅膀。??第17頁(yè)2．提供一定“仿真程度”物理系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)“場(chǎng)景”

對(duì)于很多相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)規(guī)律已知物理系統(tǒng),要讓學(xué)習(xí)者觀察研究其運(yùn)動(dòng)特征,我們既能夠以一定代價(jià)花較多時(shí)間做物理試驗(yàn),也能夠花很小代價(jià)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上作快速(或慢速)仿真試驗(yàn)為研究者提供一定“仿真程度”觀察研究系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特征“場(chǎng)景”。(比如布朗運(yùn)動(dòng),斜拋運(yùn)動(dòng),水面波動(dòng)等)。而且“仿真”物理過(guò)程,能夠隨時(shí)重復(fù)進(jìn)行。這為物理學(xué)試驗(yàn)研究方法擴(kuò)大了視野。綿陽(yáng)九院科技館中利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和投影儀在三維空間中形成十分逼真全息動(dòng)態(tài)圖像,演示原子彈爆炸全過(guò)程,就是一個(gè)極好實(shí)例。（神舟六號(hào)發(fā)射全過(guò)程模擬）第18頁(yè)3．完成復(fù)雜理論演算推導(dǎo)

對(duì)于理論研究,復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算、繪制函數(shù)曲線曲面,函數(shù)極值、函數(shù)零點(diǎn)、函數(shù)極點(diǎn)計(jì)算都能夠在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上相對(duì)輕松地完成。研究者可將主要精力放在尋找物理系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和物理量本質(zhì)意義上。比如,解變系數(shù)常微分方程,超越代數(shù)方程求根,多元代數(shù)方程組求解,求逆矩陣,分解因式等。第19頁(yè)比如,解貝塞爾方程,只要在Mathematica環(huán)境中輸入以下命令:DSolve[x2y''[x]+xy'[x]+(x2-n2)y[x]==0,y[x],x]運(yùn)行后可得到其解為{{y[x]->BesselJ[-n,x]C[1]+BesselJ[n,x]C[2]}}尤其是量子力學(xué)理論中,有很多數(shù)學(xué)符號(hào)演算過(guò)程,利用Mathematica強(qiáng)大符號(hào)演算功效完全能夠得心應(yīng)手地實(shí)現(xiàn)。第20頁(yè)“荒誕不經(jīng)”黑洞計(jì)算機(jī)

為了與時(shí)俱進(jìn)，研究人員能夠把物理學(xué)定律看作計(jì)算機(jī)程序，把宇宙看作一臺(tái)計(jì)算機(jī)。黑洞計(jì)算機(jī)可能聽起來(lái)荒誕不經(jīng)，然而，宇宙學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)研究人員正在證實(shí)它是一個(gè)有用概念工具。假如物理學(xué)家能夠在粒子加速器中創(chuàng)造黑洞（有預(yù)言認(rèn)為10年之內(nèi)可能實(shí)現(xiàn)），他們可能確實(shí)