物理学与计算机密切的关系_09计2Z_卢宗峰_09141238_计算机工程学院.doc

JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 物理学欣赏论文 论文名称： 物理学与计算机之间有着密切的关系 学 院： 计算机工程学院 专 业： 计算机科学与技术 班 级： 09计2Z 学 号： 09141238 姓 名： 卢宗峰 教师姓名: 刘波 2010 年 11月一、 物理学在计算机中应用下面举计算机中硬盘的例子来阐释物理在计算机中的应用。硬盘是微机系统中最常用、最重要的存储设备之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成，这些碟片外覆盖有铁磁性材料。它是故障机率较高的设备之一，而来自硬盘本身的故障一般都很小，主要是人为因素或使用者未根据硬盘特点采取切实可行的维护措施所致。其中防震是最重要、最必需的：硬盘是十分精密的存储设备，工作时磁头在盘片表面的浮动高度只有几微米。不工作时，磁头与盘片是接触的；硬盘在进行读写操作时，一旦发生较大的震动，就可能造成磁头与数据区相撞击，导致盘片数据区损坏或划盘，甚至丢失硬盘内的文件信息。因此在工作时或关机后，主轴电机尚未停机之前，严禁搬运电脑或移动硬盘，以免磁头与盘片产生撞击而擦伤盘片表面的磁层。在硬盘的安装、拆卸过程中更要加倍小心，严禁摇晃、磕碰。与此同时，一项非常重要的科研技术就此诞生硬盘减震。各大电子产品的厂商均极大限度的开发此项技术并充分利用在自己的产品中。例如：索尼硬盘数码摄像机的专有技术硬盘减震器，是通过两块减震器的支持，有效形成阻力，在拍摄过程中，遇到颠簸、震动的情况时，也能让硬盘始终保持悬浮，无论硬盘是否处在工作状态，都能有效减少震动下落对硬盘造成的损伤。采用HDD智能硬盘保护系统：在硬盘周围设有“减震器”，可以保护硬盘、增加稳定性。一旦探测到跌落，“3G传感器”就会自动使硬盘中的读写磁头复位，起到保护硬盘数据的作用。与此同时，影像将被记录到摄像机内置缓存中，“视频缓存技术”能够确保在震动环境下保护硬盘中的数据。例如：IBM公司ThinkPad产品中的一系列硬盘保护措施。硬盘减震器，与单纯的笔记本硬盘保护垫相比，这项技术可以增加30的硬盘保护能力。减震双导轨，由ThinkPad首创，由塑胶减震导轨包裹硬盘边沿，可以缓冲各个方向对硬盘的冲击力，保护硬盘及数据价值。硬盘防护罩，ThinkPad特有的网状金属贴身防护衣，不仅透气性好，可将硬盘产生的热量均匀散发出去，而且具有防尘防静电作用。APS硬盘保护技术，由ThinkPad首创，在主板上嵌入专业传感器芯片，持续监测笔记本运转，跌落、碰撞等意外情况一旦发生，在500毫秒内瞬间感应震荡，立即停止硬盘读写，保护硬盘和数据，与未采用这一技术的笔记本相比，可提供高达4倍的硬盘保护。另外，有一种新型产品液态硬盘。液态硬盘驱动器SSD，是基于闪存技术的硬盘驱动器。液态轴承马达(Fluid Dynamic Bearing Motors)技术过去一直被应用于精密机械工业，其技术核心是用黏膜液油轴承、以油膜代替滚珠。普通硬盘主轴高速旋转时不可避免的产生噪音，并会因金属摩擦而产生磨损和发热问题。与其相比，液态轴承硬盘的优势是显而易见的。一是减噪降温，避免了滚珠与轴承金属面的直接磨擦，使硬盘噪音及其发热量被减至最低；二是减震，油膜可有效地吸收震动，使硬盘的抗震能力得到提高；三是减少磨损，提高硬盘的工作可靠性和使用寿命。 二、 在科技创新方面“光量子计算机的物理实现和算法应用”被评为2007年度“中国高等学校十大科技进展” 2007年度“中国高等学校十大科技进展”评选结果于12月19日揭晓，中国科学技术大学主持的“光量子计算机的物理实现和算法应用”名列其中。为了提高我国在量子信息这一高新领域的自主创新能力，我校微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授领导的研究组，在中国科学院、科技部“973”项目和“量子调控”重大科学研究计划、国家自然科学基金委等经费支持下，围绕“光学量子计算的物理实现”这一核心课题，耕耘多年，取得了一系列骄人的成果。今年年初，潘建伟小组在自然物理上发表论文，成功制备了国际上纠缠光子数最多的“薛定谔猫”态和单向量子计算机，刷新了光子纠缠和量子计算领域的两项世界记录，成果被欧洲物理学会和自然杂志等广泛报道。在四月份，该小组提出并实验实现不需要纠缠辅助的新型光学控制非门，减少了量子网络电路的资源消耗。九月，该小组利用光子“超纠缠簇态”演示了单向量子计算的物理过程，实现了量子搜索算法，论文发表在物理评论快报上。最近，该小组又在国际上首次利用光量子计算机实现了Shor量子分解算法，研究成果发表在12月19日出版的美国权威物理学期刊物理评论快报上，标志着我国光学量子计算研究达到了国际领先水平。这一系列高质量的工作已经获得了国际学术界的广泛关注和认可。2007年3月，潘建伟教授应邀和美国UIUC大学教授P. Kwiat，NIST教授D. Wineland，维也纳大学教授A. Zeilinger一起在美国物理年会新闻发布会上介绍了量子信息的最新进展。潘建伟教授还应邀在美国光学和光子新闻刊物上撰写了关于光学量子计算最新进展的综述文章。特别引人注目的是，11月16号出版的英国新科学家杂志在“中国崛起”的专栏中，以“量子比特的操纵能手”为题专门介绍了该小组在量子计算领域取得的一系列成就。 据悉，获得“2007年度中国高校十大科技进展”的10项成果是：北京大学主持的“禽流感病毒可以母传胎儿且造成多器官感染”；北京大学主持的“高端彩色打印控制关键技术”；北京工业大学主持的“首次发现共价键晶体及非晶结构-维纳米材料的大应变塑性形变”；北京交通大学主持的“铁路综合数字移动通信系统理论、关键技术及工程应用”；南开大学主持的“一株重要采油微生物的全基因组破译和重油降解分子机制的研究”；清华大学主持的“三维协调的新一代电网能量管理系统、关键技术及应用”；厦门大学主持的“二十四面体铂纳米晶体催化剂”；云南大学主持的“中国南方早寒武世带附肢的冠群甲壳动物”；中国科学技术大学主持的“光量子计算机的物理实现和算法应用”；中国石油大学（北京）主持的“深层油气成藏机理与分布预测”。 三、 计算机在物理教学中的应用摘要本文分析了计算机在物理实验教学中的应用，其应用主要包括：多媒体教学，仿真物理实验，多媒体实验，实验后的数据处理等几个方面。由于计算机可以帮助解决传统实验中难以解决的问题，因此受到越来越多的欢迎。 关键词物理实验教学 多媒体教学 仿真物理实验 多媒体实验 目前，计算机在高等教育中发挥着越来越重要的作用，其在物理实验教学中的应用也越来越受到重视。笔者查阅了大量的文献资料，并结合自己的教学实践，对计算机在物理实验教学中的应用进行了研究。计算机在物理实验教学中的应用大体可分为以下几个方面： (一)、 多媒体教学 多媒体教学作为现代化教学的重要形式，以其独特的优势受到越来越多的欢迎，它以生动的图象、视频、动画、声音等手段创设情境，变静为动，变抽象为直观，调动了学生的积极性，丰富了课堂教学内容，提高了教学效果。 1. 演示静态内容，充分调动学生感官 利用多媒体，可以将实验内容按一定的结构，用文字图像等形式呈现在投影屏幕上，把学生的眼、耳、脑等器官充分调动起来，使学生在直观的环境中牢固地掌握知识，培养学生的观察力、想象力。同时，利用多媒体还可以“解剖”复杂的实验仪器，让学生了解仪器的组成、结构特点和使用原理，使学生对常见仪器的使用有深刻的了解。例如“迈克尔逊干涉仪的调整与使用”这个实验中，我们可以用摄像机与计算机相结合的方法，以录像形式清楚地介绍迈克尔逊干涉仪的具体构造，逐个展示仪器的各个部件，演示每个调节部件的调节方法、注意事项及读数方法。 2. .演示动态变化过程，使抽象的过程形象化 许多物理实验虽然可以用实物仪器做，但物理过程速度极快，现象极为微小，学生无法观察其中的奥妙所在。以“弹性碰撞”演示实验为例，碰撞是一个在极短时间内完成的物理过程，实验中学生只能看到碰撞前后的情况，碰撞过程学生难以认识。运用多媒体技术可以延长碰撞过程的时间，通过多媒体的定格慢放，可以清晰地观察弹性碰撞的物体从接触、挤压、变形、产生弹力，然后变形逐渐消失，弹性逐渐减少，最后恢复原状，到两物体分离的整个过程。整个过程既形象生动，又能揭示物理的本质。 3. 再现微观世界，提供形象感知 许多微观结构和微观现象无法观察，演示实验也难以完成。传统教学中只能靠教师板书和语言进行讲授，学生普遍感到印象不深，难以理解。应用多媒体技术配合教学，可以起到良好的效果。例如“粒子散射”实验，由于受条件限制做不了这种实验，就可以将粒子散射的实验现象通过多媒体技术显示出来。学生可以观察到放射源中射出的粒子射到金箔原子上，绝大多数粒子沿原方向前进，少数粒子发生较大偏转，极个别的粒子甚至被弹回来。这样学生在实验条件不具备的情况下仍可通过多媒体亲眼目睹粒子散射的情景，增强感性认识，加深理解，提高学习能力。 (二)、 仿真物理实验 仿真物理实验，是利用计算机强大的数据处理能力，通过理论模型复现实际的系统进行模拟实验，得到相关的数据和结果，验证理论模型的正确性。 计算机仿真实验并不能代替学生做真实的实验。然而，目前在物理实验教学中，由于实验仪器复杂、精密和昂贵，往往不能允许学生自行设计实验参数、反复调整仪器，这对学生剖析仪器性能和结构、理解实验的设计思想和方法是很不利的。计算机仿真实验可在相当程度上弥补实验教学上这方面的缺憾。 仿真物理实验，可以改变传统实验中枯燥的教学方式，使教学更形象、生动；可以节约教学成本，不断更新、优化教学资源；可以让学生模拟操作训练，通过人机交互过程获得操作技能；可以模拟实际中很难实现或无法实现的操作环境，完成实际中无法实现进行的实验项目。 我们正在使用的大学物理仿真实验软件，基本上涵盖了我们开设的所有实验。除此之外，还包含一些我们没有开设或者无法开设的实验，可以让学生在计算机上进行模拟实验操作。其中的真空实验，可以很好地表现仿真实验与实际操作相比的优越性。因为真空系统容易因错误操作而造成事故，学生做真空实验时老师总是把实验步骤讲得很清楚，不允许学生随便操作，这样不但限制了学生的主动性、积极性，而且不能使他们从错误中吸取教训，难以深刻掌握真空实验的精髓。使用仿真实验软件可以很好地解决这个问题，它允许学生犯各种各样的错误，学生通过模拟训练，可以充分认识真空系统的各个部件，明白各个操作步骤为什么要这样做以及不这样做的危害性, 从而真正掌握实验的精髓。 (三)、 多媒体实验 仿真实验具有功能全、成本低、效率高等诸多优越性能，但它毕竟不能完全替代实物实验。因此出现了一种含有仿真效果的实物实验或者说是含有实物的仿真实验，可称其为多媒体实验。利用计算机替代采集测试分析仪器，所有的测量仪器主要功能可由“数据采集”、“数据分析”和“结果输出”等三大部分组成，用一定的硬件系统完成数据采集，用基于计算机的软件系统完成数据分析和结果输出。这样可以使用相同的硬件系统，通过不同的软件实现功能完全不同的各种测量。目前，越来越多的实验开始利用计算机来进行数据采集、数据分析，最终输出结果。 例如，在“高温超导转变温度测量实验”中，将高温超导转变温度测定仪主机与计算机连接起来，使用配套的专用软件可实时记录样品的超导转变曲线。对于记录下的曲线，可以进行存盘、打印等操作，也可删除及重新开始记录，在计算机采样的时候，我们可以通过选择不同的颜色来区分降温和升温的曲线；在计算机记录完毕后，可以通过鼠标的点击来显示曲线上每一点的坐标值，横坐标的温度值可直接显示对应的温度，不需要查表。这样可以利用计算机物理量转换快速、存储方便、计时准确等优点，省时、省力、直观地记录超导转变的全过程。 (四)、 实验后的数据处理 做完实验后，通常需要对直接测得的实验结果进行数据处理，处理过程可以使用计算机，包括利用Matlab、Origin等数据处理软件或者利用计算机高级语言编写程序等。 Matlab软件是一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，因此可用于物理实验后的数据处理。与其他的计算机高级语言相比，具有十分明显的优点：(1)操作和使用方法非常简单。(2)丰富的内部函数能够解决许多基本运算。(3)强大的图形功能可以用图形的方式表达计算结果，编程直观简洁。 Origin软件不仅包括计算、统计、直线和曲线拟合等各种完善的数据分析功能，而且提供了几十种二维和三维绘图模板，它采用直观的、图形化的、面向对象的窗口菜单和工具栏操作。用Origin 处理物理实验数据，不用编程，只要输入测量数据，然后再选择相应的菜单命令，点击相应的工具按钮即可。 参考文献:1胡晓波,李琰,王艳芳. 计算机仿真技术在实验教学中的应用.实验室科学, 2007,（2）: 121-124.2沈元华.计算机在普物实验教学中的应用.实验室研究与探索, 2002, 21(4): 10-12.3张大中.计算机在实验教学中的应用探讨. 实验室研究与探索, 2004, 23(9): 9-12.4熊万杰,黄振中.用Origin软件处理物理实验数据.大学物理实验, 2004, 17(2): 65-67.四、 课程学习心得与体会通过几周的课程学习，我的收获很多，因为我是一个单招生，除了在初中的时候学过一点点物理，以后就再也没有正规的学过物理，但是我对物理却非常感兴趣，因为生活中处处充满着物理知识，心中有许多的疑惑，有时候也想想，想不出来自己就上网去查，比如说天空为什么是蓝的？把一个鸡蛋从楼上扔下去为什么不会破等等诸如此类的物理问题，每当知道这些原因时，心