計(jì)算物理CP-1省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

計(jì)算物理學(xué)天津師范大學(xué)物理與電信學(xué)院計(jì)算物理學(xué)是以計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)技術(shù)為工具和伎倆，利用計(jì)算數(shù)學(xué)方法，處理復(fù)雜物理問(wèn)題一門應(yīng)用科學(xué)1/28成績(jī)核實(shí)：平時(shí)：30%（課堂出勤10%,作業(yè)20%）期末：70%參考書目:陳鐘賢,《計(jì)算物理學(xué)》,哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，馬文淦，《計(jì)算物理學(xué)（當(dāng)代物理基礎(chǔ)叢書4）》北京：科學(xué)出版社，S.S.M.Wong，《物理學(xué)和工程學(xué)中計(jì)算方法》，北京：世界圖書出版社，年

課程說(shuō)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(jiàn)物理問(wèn)題計(jì)算機(jī)求解方法求解方程根線性方程組求解數(shù)值微分、積分計(jì)算微分方程計(jì)算機(jī)求解波動(dòng)、熱傳導(dǎo)、薛定諤方程求解MonteCarlo方法原理及應(yīng)用課程目標(biāo)和主要內(nèi)容3/281-1第一章 緒論

學(xué)習(xí)目標(biāo)了解計(jì)算物理主要應(yīng)用了解計(jì)算物理起源、發(fā)展與現(xiàn)實(shí)狀況.4/281-21.1計(jì)算物理起源與發(fā)展電子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造和應(yīng)用

學(xué)科之間交叉滲透，使計(jì)算物理學(xué)得以蓬勃發(fā)展

計(jì)算物理學(xué)對(duì)處理復(fù)雜物理問(wèn)題巨大能力，使它成為物理學(xué)第三支柱，并在物理學(xué)研究中占有主要位置

計(jì)算物理學(xué)與理論物理和試驗(yàn)物理有著親密聯(lián)絡(luò)。計(jì)算物理學(xué)研究?jī)?nèi)容包括到物理學(xué)各個(gè)領(lǐng)域5/281-3一、計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算與數(shù)值分析以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)各種物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值求解，并應(yīng)用各種分析伎倆（繪圖、統(tǒng)計(jì)、傅立葉分析、小波變換等）對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析，以期到達(dá)研究目標(biāo)（發(fā)覺(jué)物理系統(tǒng)性質(zhì)、規(guī)律、以及所蘊(yùn)含新物理現(xiàn)象）

二、計(jì)算機(jī)模擬在計(jì)算機(jī)上模擬各種物理過(guò)程（過(guò)程起源、發(fā)展、歸宿），為物理學(xué)家提供了“計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)”這個(gè)新研究伎倆。其優(yōu)點(diǎn)是，不受試驗(yàn)條件以及空間和時(shí)間限制，低成本、高靈活性。計(jì)算機(jī)上模擬已成為繼試驗(yàn)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(jì)算物理應(yīng)用6/281-4計(jì)算物理學(xué)應(yīng)用（續(xù)）三、計(jì)算機(jī)符號(hào)運(yùn)算利用計(jì)算機(jī)符號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行解析計(jì)算、公式推導(dǎo)和高精度數(shù)值運(yùn)算。在理論物理、天體物理和原子核和粒子物理等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。著名軟件：Mathematic，Maple，Matlabe四、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制試驗(yàn)設(shè)配經(jīng)過(guò)接口與控制計(jì)算機(jī)相連，結(jié)合在線數(shù)據(jù)采集和分析程序，可對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程實(shí)施控制。計(jì)算機(jī)在物理試驗(yàn)中應(yīng)用大致能夠分為兩個(gè)部分，即計(jì)算機(jī)在線分析和離線分析。

在線分析任務(wù)包含四個(gè)方面：（a）控制系統(tǒng)運(yùn)行；（b）采集試驗(yàn)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(jiǎn)單物理試驗(yàn)?zāi)M2-1

學(xué)習(xí)目標(biāo)了解簡(jiǎn)單物理模型模擬方法復(fù)習(xí)計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言使用8/282-22.1簡(jiǎn)諧振動(dòng)模擬模擬方案（步驟）a）設(shè)置參數(shù)（A，

，

）b）計(jì)算時(shí)間序列t1,t2,...,tnx1,x2,...,xnc）繪制動(dòng)態(tài)圖形數(shù)學(xué)模型：

力：方程：解：9/282-3簡(jiǎn)諧振動(dòng)模擬流程圖輸入A，

，

tk,k=1,2…,nxk=Acos(tk+

)畫點(diǎn)（tk，xk）k>n?結(jié)束YN更新畫面FalshZendong&boC語(yǔ)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(dòng)方向平行、而傳輸方向相反簡(jiǎn)諧波形成駐波。數(shù)學(xué)模型：右行波左行波駐波11/28Matlab源程序Standing_wave.mFalshzuboC語(yǔ)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(jì)算：y=y1+y2k>m?結(jié)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(dòng)合成

一、振動(dòng)方向相同兩個(gè)振動(dòng)合成數(shù)學(xué)模型：當(dāng)：

1=

2=

13/282-7流程圖與程序當(dāng)：A1=A2=A，

1=

2=

繪制：x1-t，x2-t，x-tYN結(jié)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(yǔ)言源程序CP012.C(p11)14/282-8二、振動(dòng)方向垂直兩個(gè)振動(dòng)合成當(dāng)頻率相同時(shí)：

1=

2=

數(shù)學(xué)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(dāng)

1:

2=n:m時(shí)，形成李薩如圖形YN結(jié)束輸入A1，A2，

1，

2，

1，

2tk,k=1,2…,nx=A1cos(

1tk+

1

)y=A2cos(

2tk+

2

)k>n?畫點(diǎn)：（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(fèi)多縫衍射）數(shù)學(xué)模型（屏上光強(qiáng)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(zhǎng)N：狹縫有效數(shù)

：衍射角19/282-13流程與程序YN結(jié)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(yǔ)言源程序CP014.CMatlab源程序grating.mC語(yǔ)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(fù)雜性——物理系統(tǒng)中所孕育復(fù)雜性數(shù)學(xué)模型：xn:第n代相對(duì)蟲口數(shù)

xn:第n+1代相對(duì)蟲口數(shù)

：參數(shù)研究目標(biāo)：伴隨蟲口演化，蟲口數(shù)最終究宿怎樣？（研究迭代過(guò)程收斂結(jié)果）(簡(jiǎn)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(fù)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(xué)模型：（描述大氣對(duì)流氣象學(xué)方程）x:對(duì)流強(qiáng)度

y:對(duì)流層溫差

z：溫度分布非線性度

，

，

：正參數(shù)EdwardN.Lorenz

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

=10，

=8/3，逐步改變

進(jìn)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(gè)不動(dòng)點(diǎn)（焦點(diǎn)）25/282-