计算物理CP-1省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件

计算物理学天津师范大学物理与电信学院计算物理学是以计算机及计算机技术为工具和伎俩，利用计算数学方法，处理复杂物理问题一门应用科学1/28成绩核实：平时：30%（课堂出勤10%,作业20%）期末：70%参考书目:陈钟贤,《计算物理学》,哈尔滨工业大学出版社，马文淦，《计算物理学（当代物理基础丛书4）》北京：科学出版社，S.S.M.Wong，《物理学和工程学中计算方法》，北京：世界图书出版社，年

课程说明2/28掌握数据处理基本方法插值、拟合、平滑滤波掌握常见物理问题计算机求解方法求解方程根线性方程组求解数值微分、积分计算微分方程计算机求解波动、热传导、薛定谔方程求解MonteCarlo方法原理及应用课程目标和主要内容3/281-1第一章 绪论

学习目标了解计算物理主要应用了解计算物理起源、发展与现实状况.4/281-21.1计算物理起源与发展电子计算机创造和应用

学科之间交叉渗透，使计算物理学得以蓬勃发展

计算物理学对处理复杂物理问题巨大能力，使它成为物理学第三支柱，并在物理学研究中占有主要位置

计算物理学与理论物理和试验物理有着亲密联络。计算物理学研究内容包括到物理学各个领域5/281-3一、计算机数值计算与数值分析以计算机为工具，对各种物理系统数学模型进行数值求解，并应用各种分析伎俩（绘图、统计、傅立叶分析、小波变换等）对所得结果进行数值分析，以期到达研究目标（发觉物理系统性质、规律、以及所蕴含新物理现象）

二、计算机模拟在计算机上模拟各种物理过程（过程起源、发展、归宿），为物理学家提供了“计算机模拟试验”这个新研究伎俩。其优点是，不受试验条件以及空间和时间限制，低成本、高灵活性。计算机上模拟已成为继试验物理和理论物理之后第三大研究伎俩。(大致分为四类)1.2计算物理应用6/281-4计算物理学应用（续）三、计算机符号运算利用计算机符号系统进行解析计算、公式推导和高精度数值运算。在理论物理、天体物理和原子核和粒子物理等领域有广泛应用。著名软件：Mathematic，Maple，Matlabe四、计算机实时控制试验设配经过接口与控制计算机相连，结合在线数据采集和分析程序，可对整个试验过程实施控制。计算机在物理试验中应用大致能够分为两个部分，即计算机在线分析和离线分析。

在线分析任务包含四个方面：（a）控制系统运行；（b）采集试验数据；（c）监视仪器状态；（d）数据在线分析。

离线分析又能够划分为两部分工作。（a）事例模拟；（b）物理分析7/28第二章简单物理试验模拟2-1

学习目标了解简单物理模型模拟方法复习计算机高级语言使用8/282-22.1简谐振动模拟模拟方案（步骤）a）设置参数（A，

，

）b）计算时间序列t1,t2,...,tnx1,x2,...,xnc）绘制动态图形数学模型：

力：方程：解：9/282-3简谐振动模拟流程图输入A，

，

tk,k=1,2…,nxk=Acos(tk+

)画点（tk，xk）k>n?结束YN更新画面FalshZendong&boC语言源程序CP011.C(p6-7)Matlab源程序Oscillation.m10/282-42.2驻波模拟驻波形成：两列频率相同、振幅相同、振动方向平行、而传输方向相反简谐波形成驻波。数学模型：右行波左行波驻波11/28Matlab源程序Standing_wave.mFalshzuboC语言源程序CP013.C(p11)2-5驻波模拟流程图输入A，T，

tj,j=1,2…,ny1=Acos(tj–kxk)y2=Acos(tj+kxk)计算：y=y1+y2k>m?结束YN画线：y=f(x,tj)xk,k=1,2…,mj>n?NY更新画面12/282-62.3振动合成

一、振动方向相同两个振动合成数学模型：当：

1=

2=

13/282-7流程图与程序当：A1=A2=A，

1=

2=

绘制：x1-t，x2-t，x-tYN结束输入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语言源程序CP012.C(p11)14/282-8二、振动方向垂直两个振动合成当频率相同时：

1=

2=

数学模型：a）若：

2-

1=0,或2kb）若：

2-

1=(2k+1)

c）若：

2-

1=(2k+1)

/215/282-9流程与程序当

1:

2=n:m时，形成李萨如图形YN结束输入A1，A2，

1，

2，

1，

2tk,k=1,2…,nx=A1cos(

1tk+

1

)y=A2cos(

2tk+

2

)k>n?画点：（x，y）Matlab源程序Oscillation2_synthesize.mFlash16/282-10李萨如图形1李萨如图形17/282-11李萨如图形2李萨如图形18/282-122.4光栅（夫琅和费多缝衍射）数学模型（屏上光强分布）：（振幅矢量法、基尔霍夫衍射公式）a：缝宽d：光栅常数

：波长N：狭缝有效数

：衍射角19/282-13流程与程序YN结束输入:a，d，

，N

k,k=1,2…,n

(-

m,

m)

=a

sin

k

=d

sin

kk>n?作图：I=I(

)

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

一、虫口模型中复杂性——物理系统中所孕育复杂性数学模型：xn:第n代相对虫口数

xn:第n+1代相对虫口数

：参数研究目标：伴随虫口演化，虫口数最终究宿怎样？（研究迭代过程收敛结果）(简化虫口方程)>1:虫口指数增加<1:虫口指数衰减在普通情况下,虫口演化可能展现复杂规律22/282-16倍周期分叉Matlab源程序chongkou.m23/282-17二、Lorenz模型非线性现象数学模型：（描述大气对流气象学方程）x:对流强度

y:对流层温差

z：温度分布非线性度

，

，

：正参数EdwardN.Lorenz

研究目标：系统状态随时间演化。相空间代表点（x,y,z)随时间改变规律。固定

=10，

=8/3，逐步改变

进行研究24/28Matlab源程序Lorenz_attractor2.m2-18混沌、奇怪吸引子<24系统收敛到一个不动点（焦点）25/282-