第一讲绪论(计算物理、Fortran语言、Origin绘图)-4(2+2)资料.ppt

计算物理学 * * 一、计算物理学的产生 第一讲 绪论 1、实验物理以实验和观测为基础，揭示新的物理现象，探求物理现象后面的原因，为发现新的物理理论提供依据，或者检验理论物理推论的正确性和应用范围。比如，很多物理规律（电磁感应定律），都是物理工作者通过实验发现的。 2、理论物理则是从一系列的基本物理原理出发，列出数学方程，再用传统的数学分析方法求出解析解，通过这些解析解所得到的结论和实验观测结果进行对比分析，从而解释已知的实验现象并预测未来的发展。 传统物理学的研究包括两大分支：其一是实验研究；其二为理论研究，又称为理论物理和实验物理。 （1）传统物理实验物理和理论物理 * * 2、有些物理实验技术条件要求高，实验代价昂贵，甚至根本不能在实验上实现，这种情况下实验研究将面临严重困难。 比如，1862年maxwell将电磁规律总结为麦克斯韦方程，并从这些方程预言了电磁波的存在，让人们看到了理论物理思维的巨大威力。 传统研究方法的应用虽然有效也取得了很大的成功，但同时也暴露了其局限性，主要不足表现在： 1、理论物理依赖于严格的求解，只能处理简单模型，而实际中的物理问题往往是复杂系统，无法获得其解析解，因此理论物理的简单模型难以描述复杂物理现象。 （2）传统物理研究的不足 为了克服理论和实验物理的困难，又能解决问题，随着计算机技术的发展及其在物理学各个领域的渗透，导致了计算物理这门新学科的产生和发展。物理学的研究已经步入了一个三强鼎立的“三国时代”，即“理论物理、实验物理、计算物理”。 * * 二、《计算物理学》及其研究内容 1、计算物理是一门新兴的边缘科学，是随着计算机的出现和发展而迅速发展起来的物理学的一个分支。 （1）什么是计算物理 （2）研究内容 计算物理自诞生以来，发展非常快，应用越来越广泛，很难给出计算物理的“具体”内容，不过现在较为认可的计算物理主要包括2大方向： 1、(数值)计算； 2、(数值)模拟； 2、简单地说，计算物理是用计算机武装起来的理论物理，同时也是以计算机为仪器的实验物理。 3、具体地讲，计算物理利用计算机的大存储量和快速运算的有利条件，借助数学中各种数值计算方法，结合理论物理和实验物理的成果，去解决物理学中复杂的问题。 * * ※数值计算可以近似求解理论物理所不能精确求解的复杂物理问题，但是，数值计算所需要的理论原理和数学方程（算法）仍由理论物理提供，数值计算只是得到大量的数据，供理论物理分析、以获得结论与规律。 ※通过数值模拟能实现实验物理因受实验条件而无法完成的物理过程。但是，数值模拟所需要的数据由实验物理供给，数值模拟只是帮助解决实验数据的分析，控制实验设备，以及模拟实验过程等。 （3）计算物理的实现过程 无论是计算还是模拟，与计算机打交道的都是数据（数值），而且用计算机处理物理问题，都要建立相应问题的物理模型，确定合理的计算机算法和适宜的算法语言或程序，然后上机操作，最后进行结果分析，即要经历下面的一个过程模式： 分析结果 物理问题 或物理模型 上机运行 计算机语言 或程序 计算公式 或数值方法 * * （4）计算方法 1、计算物理已经建立了很多的数值计算方法（算法），比如，偏微分方程的数值求解、计算机随机模拟的蒙特卡罗法（Monte Carlo，简称MC法）、确定性模拟的分子动力学方法、神经元网络法、有限差分法、有限元素法等。 2、其实，计算物理所使用的方法大多数在计算数学中都可得到借鉴，但他们又不尽相同。它吸收了计算数学的许多优秀解法，但又结合物理问题本身的特点和需要而另具特点。 三、本课程的教学内容 （1）教学计划 1、内容：考虑到计算物理学的现状，结合专业特点，以及使用目的，主要讲授Fortran语言编程以及具体问题的上机运行。 2、安排：本课程总共40学时，其中编程部分讲授约22课时、上机解决问题（包括课程考查）18学时（解决8个问题和1个考查问题）。（即22+18=40） * * （2）参考书籍 上课未指定教材，可参考西电郭立新等编写、2009年出版的《计算物理学》以及有关Fortran编程、数值计算方法等方面的书籍。 四、教学要求 （1）、遵守课堂纪律、认真听课、适当笔记 （2）、重视上机、独立完成 （3）、成绩合格、拿到学分 由于计算物理与理论物理和实验物理一起经常被称为现代物理的三大支柱，因此作为应用物理专业的21世纪大学生，一定要具备计算物理的基本知识，掌握计算物理的基本方法，这是我们开课的目的。 * * 一、什么是Fortran语言 Fortran语言是世界上第一个被正式推广使用的高级语言。它是1954年被提出来的，1956年开始正式使用，至今已有五十多年的历史，但仍历久不衰，它始终是数值计算领域所使用的主要语言。 §2 Fortran语言 Fortran语言