《计算物理基础》教学大纲_物理学专业.doc

计算物理基础教学大纲一、课程基本信息中文名称计算物理基础英文名称Computational Physics 适用专业物理学应用物理学先修课程高等数学、计算机基础、程序设计、大学物理课程类别专业核心课程修读性质必修学分/学时2学分/46学时（12）考核方式考查二、教学目标本课程是为物理学专业和应用物理学专业的本科生开设的专业核心课程之一，是用数值方法求解典型物理问题的一门实用性专业课程。本课程使学生掌握线性代数、常微分方程、逼近与插值、和非线性方程组等常见计算问题的通用数值解法和编程技巧。本课程结合典型物理问题，有选择地介绍若干主要数值方法（如元胞自动机方法、蒙特卡罗模拟方法、密度泛函方法、分子动力学方法等）和软件应用，并结合计算机技术适当介绍计算科学的进展，为学生进一步从事有关的科学和技术研究，以及数值计算方法和软件研发打下基础。本课程教学目标：通过课堂教学和课后实践练习，使学生掌握科学计算的基本方法，掌握典型物理问题的数值解法及计算结果的可视化。三、教学内容及基本要求第一章 绪论（2/1）（一）教学目标1. 理解科学计算在科学研究中的意义，了解计算物理在物理学研究中的地位，了解MATLAB软件的发展历史和MATLAB应用于科学计算的基本情况。2. 熟练掌握启动和退出MATLAB的方法；了解MATLAB的主要功能；熟练掌握命令窗口的使用；熟练掌握MATLAB的帮助的使用方法。（二）重点、难点重点：MATLAB命令窗口的使用；难点：初接触MATLAB时，不熟悉可执行哪些命令。（三）教学方法通过演示执行几个简单的常用命令，讲清重点；结合帮助系统和DEMO，剖析几个常用命令的使用方法，突破难点；结合多媒体命令的使用，提高学生学习计算物理基础课程的兴趣。（四）教学内容1. 学习科学计算的意义（1）科学研究方法的演化（2）MATLAB软件的发展历史（3）MATLAB应用于科学计算的基本情况（4）实验物理、理论物理、计算物理三种研究物理学手段的特点（5）串行计算概念和并行计算概念2. MATLAB软件的基本功能（1）MATLAB启动和退出（2）了解MATLAB的主要功能（3）命令窗口的使用（4）MATLAB的帮助系统的使用3MATLAB趣味例程（1）MATLAB的DEMO（2）MATLAB趣味例程演示（3）用拍现象和调制技术举例介绍用MATLAB模拟物理现象和物理过程（五）作业及要求描绘拍现象和调制现象。（六）课外学习要求上机熟悉MATLAB环境；运行趣味例程。（七）其他必要说明课堂教学内容最后部分介绍课程学习方法和考核方式。第二章矩阵及其基本运算（4/2）（一）教学目标1. 掌握矩阵创建、保存和提取方法；掌握矩阵元素标识；掌握常用矩阵函数。2. 熟练掌握矩阵的基本运算；掌握数据的输入输出。（二）重点、难点重点：矩阵的基本运算；难点：常用矩阵函数功能和子矩阵的表示。（三）教学方法通过现场演示矩阵的基本运算并进行小结，讲清重点；精讲计算物理中常用的矩阵函数，重点掌握之；通过例程和现场互动猜测，突破子矩阵表示的难点；介绍河图洛书的矩阵表示，提高学生学习计算物理基础课程的兴趣。（四）教学内容1.矩阵变量类型和基本运算2.矩阵创建、保存和提取方法3.矩阵元素标识、矩阵函数、矩阵运算4.数据的输入输出（1）数据的键盘输入和屏幕输出（2）数据的磁盘文件输入和输出（五）作业及要求多元一次方程组的矩阵表示及其解；磁盘文件数据的读写。第三章基本数值计算方法（8/4）（一）教学目标掌握线性代数问题的数值解法；掌握常微分方程的数值解法；掌握逼近与插值；掌握数值积分方法；掌握非线性方程组的数值解法等。（二）重点、难点重点：线性代数问题的数值解法；常微分方程的数值解法；逼近与插值；数值积分方法；非线性方程组的数值解法。难点：微分方程的数值解及解的可视化。（三）教学方法结合基本数学问题在实际应用中的典型问题，讲清重点；理清解题的原理和步骤，突破难点；以较复杂实际问题的求解为案例演示数值求解的便利和快捷，提高学生兴趣。（四）教学内容1. 线性代数问题的数值解法2. 常微分方程数值解3逼近与插值微分问题的数值解法4数值积分方法5非线性方程组的数值解法第四章计算结果可视化（4/2）（一）教学目标1. 了解图形窗口;熟练掌握二维平面图形与坐标系;熟练掌握三维绘图。2. 了解特殊图形描绘方法；了解四维表现图。掌握极坐标系和球坐标系下绘图；掌握坐标轴的控制和图形标注。3. 掌握影片动画制作方法。（二）重点、难点重点：二维平面图形与坐标系；难点：坐标轴的控制和图形标注。（三）教学方法以二维图形绘制和三维曲面绘制为主，讲清重点；将坐标轴的控制和图形标注分散到不同的案例中，最后加以总结的“分总”的教学模式，突破难点；介绍动画，提高学生兴趣。（四）教学内容1. 平面图形描绘2. 三维绘图和四维表现图的描绘（1）三维绘图（2）四维表现图3特殊图形描绘（1）常用特殊图形（2）极坐标系和球坐标系下绘图4. 图形标注和坐标轴的控制5影片动画制作方法第五章 物理问题的数值计算与模拟（8/4）（一）教学目标掌握静力学问题的数值解法；掌握动力学问题的数值解法；掌握热传导问题的数值解法；掌握分子动问题的数值解法；了解静电场问题的数值解法；了解电磁辐射问题的数值解法；光线追踪方法及在光学成像上的应用；干涉和衍射现象的模拟；原子光谱的计算与描绘；现代物理学问题基本计算方法。（二）重点、难点重点：掌握物理问题从建模到解的表示的解决问题的方法；难点：形成形而上的方法论。（三）教学方法结合物理问题，点明经典方法在处理实际问题时的局限性，讲清重点；把物理问题化为数值解问题，突破难点；演示典型计算结果，提高学生学习兴趣。（四）教学内容1. 静力学问题的数值解法2. 非线性动力学问题的数值解法3热学问题的数值解法4电学问题的数值解法5光学现象的模拟6原子光谱的计算与描绘7. 统计物理和复杂系统问题8. 碰撞/散射和吸收问题等第六章非线性物理学问题研究方法介绍（4/2）（一）教学目标了解非线性物理学中的几个基本问题及其研究方法。（二）重点、难点重点：介绍元胞自动机方法和DLA模型；难点：元胞自动机方法和DLA模型的应用。（三）教学方法以两个具有原始创新的案例：生命游戏和薄膜生长过程的DLA模型为例，结合案例介绍元胞自动机方法和DLA模型及其应用。（四）教学内容1. 元胞自动机介绍（以生命游戏为案例）2. DLA介绍（以薄膜生长为案例）3. 有限元方法介绍四、考核形式及成绩评定说明：本课程考核方式为考查。考核内容为考勤、作业、课程论文及期末课程报告。考勤和作业成绩列入平时成绩，课程论文和期末课程报告成绩记为期末成绩，两者各占总成绩50%。五、教材与参考书教 材:彭芳麟.计算物理基础.北京:高等教育出版社，2010年参考书：1 陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用指南（第三版）.西安：西安电子科技大学出版社，2007年版2 张志涌 等.精通MATLAB6.5.北京:北京航空航天大学出版社，2005年3 李丽等.MATLAB工程计算及应用. 北京:人民邮电出版社，2000年出版4 王沫然 . MATLAB与科学计算 （第二版）. 北京:电子工业出版社，2004年出版5 彭芳麟等. 理论物理计算机模拟. 北京：清华大学出版社，2002年.6 Bastien CHopard,Michel Droz. 祝玉学，赵学龙 译.物理系统的元胞自动机模拟.北京：清华大学出版社，2003年.六、其他本课程主要有两个特色:一是将计算机技术引入物理学教学内容,拓展了学习研究学科内容的方法和手段;二是融合物理学多门课程内容于一门课中，对学生理解物理学不同领域中共性的问题有综合训练作用。七、课程学时分配表序号教学内容学时分配作业、考查理论实践1第一章 绪论21描绘拍现象。2第二章矩阵及其基本运算42多元一次方程组的矩阵表示及其解；磁盘文件数据的分析。3第三章基本数值计算方法103解线性方程组；求矩阵特征值；