物理学与计算机的关系市公开课一等奖省赛课获奖课件

物理学与计算机的关系第1页

引论近代物理学发展已经有三百多年时间，计算机诞生是物理学发展必定结果,几十年来，计算机技术高速发展又为物理学提供了强有力支持,计算机技术与物理学相辅相成,相互促进，相互渗透,二者有高度交叉性。回顾计算机发展史,我们发觉每一个阶段都是以物理学发展变革作为前提,再看近代物理学历史,计算机饰演着一个不可替换角色。第2页物理学与计算机关系一．计算机发展历程二．计算机是物理学发展成熟必定产物三.计算机对物理学影响第3页一．计算机发展历程1946年,世界上出现第一台计算机“

ENAIC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)

埃克特莫契利第4页

发展阶段速度（次/每秒）

起止年份

代表机型

硬件

软件

应用范围

电子元件

主存储器第一代几千至几万1946-1958ENIAC/EDVAC电子管水银延迟线机器语言、汇编程序科学计算第二代几十万1959-1964IBM7090/UNIVACII/TRADIC晶体管磁芯高级程序设计语言科学计算/数据处理/工业控制第三代几十万至几百万1965-1970IBM360/HONEYWELL6000/F230中小规模集成电路磁芯/半导体存放器操作系统/各种高级程序语言广泛应用于众多科学领域第四代几百万甚至上亿1971至今IBM4300/IBM9000等大规模集成电路半导体存放器操作系统语言完善/应用软件已形成产业计算机应用已经深入到社会生活各方面计算机发展阶段划分及特征表

第5页二．计算机是物理学发展成熟必定产物

1.计算机诞生理论基础

2.物理学是计算机硬件基础

3.物理学研究结果在计算机上应用举例第6页物理学作为理论基础:伟大物理学家牛顿(1642-1727)创造了微积分,发觉了万有引力定律,创建了经典光学理论,建立了牛顿力学大厦;数学家布尔(1815-1871)和德莫根创造了数理逻辑中最主要布尔代数;法拉弟(1791-1867)、麦克斯韦创建了电磁理论,赫兹发觉了麦克斯韦预言电磁波;爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森伯、薛定谔、狄拉克创建了量子力学;德福雷斯特创造了对电信号有放大作用电子三极管。1.计算机诞生理论基础第7页

自牛顿逝世到1943年,全世界物理学家经过200余年不停努力,在数理逻辑和物理学电磁理论、量子力学、半导体理论等方面取得了巨大成功,为计算机诞生在理论和技术上作好了充分准备。第8页

2.物理学是计算机硬件基础

1944年,美国国防部门组织了有莫奇利和埃克特领导200多位教授研制小组,经过两年多艰辛劳动,于1946年2月15日,在美国宾夕法尼亚大学里研制出了人类第一台电子管数字积分计算机ENIAC。1947年,美国巴丁等几位科学家研制出了既小又可靠,而且不会变热,结构单一晶体管。1953年,德克萨斯仪器企业和仙童企业都宣告研制成第一块集成电路。1954年,德克萨斯仪器企业首先宣告建成了世界上第一条集成电路生产线。随即美国贝尔试验室制成第一台晶体管计算机——TRADIC,使计算机体积大大缩小。早期巨大电子管第9页

1958年,美国IBM企业制成全部使用晶体管计算机,第二代计算机诞生了。第二代计算机运算速度比第一代计算机提升了近百倍。

60年代中期,伴随集成电路问世,第三代计算机诞生了,其标志产品是1964年由美国IBM企业生产IBM360系列机。早期INTEL8080CPU晶体管集成度超出5000管/片,1977年以后在一个硅片上就可容纳数万个管子。80年左右,IBM制成了第一代微型计算机8086。PIII晶体管集成度有2800万个。世界上第一个晶体管第10页

第四代计算机以大规模集成电路作为逻辑元件和存放器,使计算机向着微型化和巨型化方向发展。计算机微处理器从早期8086,发展到80286,80386,80486,飞跃(Pentium)、飞跃二代(PentiumⅡ)、飞跃三代(PentiumⅢ)及飞跃四代(PentiumⅣ)。集成电路大规模集成电路第11页整个计算机硬件基础就是物理,记得有一个家长说他孩子喜欢计算机,问教授他孩子应该学什么时,教授回答:“

假如他想要搞硬件,应该学物理,想要搞软件应该学数学!

”我们应该看出了,物理在计算机发展中地位,整个硬件基础,没有硬件发展,计算机在一定程度上想往上提升不可能!量子计算机已经在试验室研制成功。小结第12页3.物理学研究结果在计算机上应用举例磁芯当代算机内存贮器都是体积小,速度快磁芯所组成,而磁芯应用,则是物理学研究结果用于计算机一个突出例子。1950年王安等人在《应用物理学》杂志上发表了磁性材料相关论文，一年后,同一杂志发表了斯莱斯特应用这种材料于数字统计文章。两年后,MIT计算机就采取了这种磁芯作为内在贮器,从此,陆续研制出了磁带,磁鼓，磁盘,软磁盘等,四十多年来,磁性材料一直是计算机主要或辅助存放设备。

磁芯存放器第13页

另首先,一旦发觉了某种物理效应,只要条件具备,就能够产生一个新器件。比如：固体电子学中有场效应,组成了MOS集成电路量子力学隧道效应,创造了隧道二极管；六十年代初发觉了约瑟夫逊效应,今天就已经有了高速度,低功耗器件等等。计算机外设是一个包括面广领域,物理学中声、光、热等学科,在它上面得到充分表达,比如：计算机输出信息,要靠电话线或专用线传到较远地方,这就是把数字信号变成音频信号。MOS集成电路第14页

另外,要让计算机知道人话语,这是人工智能主要研究对象,其中就有语言声学研究。计算机输入设备之一,大容量存贮装置光盘,是一个利用激光在某种介质上“刻”上信息只读存贮器,另一个激光存贮器正在进行研制,它利用激光全息摄影来存放信息而用于计算机。光学纤维可用来作为计算机网络中数据通道,以负载音频信号到达远程数据共享。第15页

三.计算机对物理学影响

伴随计算机日新月异发展,已经出现了物理与计算机科学相互交融趋势。计算机诞生一个促进原因,是物理学中有大量计算问题。计算机研制出来以后,对处理物理学中计算问题起了极大作用。计算机技术高速发展为物理学提供了强有力计算工具,同时也对物理学研究方法产生了极大地影响,这种影响表现在三个方面:猜测检验,场景仿真，理论推导。第16页1．物理学猜测检验

在没有计算机时代,物理学猜测检验是一个相当漫长过程,甚至在一个人有限生命周期中无法完成。有了计算机系统后,利用计算机系统海量存贮能力和高速运算能力,我们可对复杂物理系统运动规律做出猜测,并在计算机系统中作快速或慢速模拟试验并与系统实际有限运动过程或运动状态进行对比以不停检验和修正猜测,有望最终发觉物理规律。计算机系统高速运算能力和强大符号演算能力为物理学研究猜测方法装上了翱翔翅膀。??第17页2．提供一定“仿真程度”物理系统运动“场景”

对于很多相对简单、运动规律已知物理系统,要让学习者观察研究其运动特征,我们既能够以一定代价花较多时间做物理试验,也能够花很小代价在计算机系统上作快速(或慢速)仿真试验为研究者提供一定“仿真程度”观察研究系统运动特征“场景”。(比如布朗运动,斜抛运动,水面波动等)。而且“仿真”物理过程,能够随时重复进行。这为物理学试验研究方法扩大了视野。绵阳九院科技馆中利用计算机系统和投影仪在三维空间中形成十分逼真全息动态图像,演示原子弹爆炸全过程,就是一个极好实例。（神舟六号发射全过程模拟）第18页3．完成复杂理论演算推导

对于理论研究,复杂数学推导和数值计算、绘制函数曲线曲面,函数极值、函数零点、函数极点计算都能够在计算机系统上相对轻松地完成。研究者可将主要精力放在寻找物理系统运动规律和物理量本质意义上。比如,解变系数常微分方程,超越代数方程求根,多元代数方程组求解,求逆矩阵,分解因式等。第19页比如,解贝塞尔方程,只要在Mathematica环境中输入以下命令:DSolve[x2y''[x]+xy'[x]+(x2-n2)y[x]==0,y[x],x]运行后可得到其解为{{y[x]->BesselJ[-n,x]C[1]+BesselJ[n,x]C[2]}}尤其是量子力学理论中,有很多数学符号演算过程,利用Mathematica强大符号演算功效完全能够得心应手地实现。第20页“荒诞不经”黑洞计算机

为了与时俱进，研究人员能够把物理学定律看作计算机程序，把宇宙看作一台计算机。黑洞计算机可能听起来荒诞不经，然而，宇宙学和基础物理学研究人员正在证实它是一个有用概念工具。假如物理学家能够在粒子加速器中创造黑洞（有预言认为10年之内可能实现），他们可能确实