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计算物理
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spContent=《计算物理》课程自2004年在我校凝聚态物理硕士点建立时的第一批研究生中首次开设,至今已近十年;属研究生学位课。该课程原来仅对理学院(主要是物理学科)开设,教学规模每年15人左右。现《计算物理》课程已纳入“研究生计算类实验课程教学平台”项目课程,结合平台对全校开设。
—— 课程团队
课程概述

计算物理学是以计算机为工具,以计算技术为手段,运用计算数学方法解决物理问题的应用学科,也是利用计算机进行数据采集、数据分析、测量控制和数字仿真来研究物理现象、发现物理规律的交叉学科。在经济飞速发展,科技日新月异的今天。计算物理已经是在工程技术研究和经济、社会科学中广泛应用,并且带来了巨大的经济效益。比如:天气预报与亿次计算机,有限元与计算流体力学,爆炸工程能源问题与大型计算。

作为物理学研究的新手段和新方法,计算物理学是对物理学实验研究方法和理论研究方法的补充与拓展。首先,计算物理学可以帮助提高物理实验的自动化程度和实时化水平。计算机的应用使物理实验数据的采集和处理能够同步自动完成,同时还能根据实验中间结果对实验进程进行及时的调整和必要的控制,保证实验向着预定方向进行,提高实验效率。其次,计算物理学能够把物理学家从繁重的公式推导和方程求解中解脱出来。在理论物理学研究中,往往会遇到复杂的公式推演或方程求解,有时甚至不可能取得方程的解析解,影响了对物理规律的探讨和物理本质的认识。利用计算物理学建立的数值计算方法,可以得出物理公式或方程的数值解,并给出相关物理量之间关系的曲线或图像,使物理现象可视化、直观化。再次,计算物理学中的模拟手段和仿真技术使物理学研究更加直观、更加经济。有些物理系统十分复杂,根本无法在实验室重现,有些物理实验耗资巨大,不可能反复进行。对于这些物理过程,人们借助计算物理学方法,模拟和仿真物理系统的变化及物理实验的过程,研究物理系统发展规律或对实验进行优化设计,不仅使不可能的物理研究成为可能,而且能够大幅度地减少实验成本。

课程特点和亮点:采用计算物理与上机操作相结合的教学方法,用计算软件演示教学,以应用为主。从实践中培养学生运用计算物理方法分析研究物理问题的能力,避免计算物理教育与物理学习脱节。强调用可视化展示计算结果的物理图像,提高了课程的趣味性与实用性。

同时,我们采用面授和线上教学相结合的方式,通过多种手段衡量学生学习的效果,比如:平时课堂互动(占总成绩15%),线上自我测试(占总成绩60%),论坛表现(占总成绩5%),提交相应报告(占总成绩20%改变了以往单一的评价手段,激发了学生学习的兴趣。


授课目标

本课程主要是讲授计算物理的基本算法和思想以及第一性原理计算方法。课程定位于着重培养研究生实际运用数值计算方法来分析研究科学和工程技术问题的能力,目标在于通过掌握计算物理的方法、结合大型商用计算软件实际上机实践,提高研究生在相关学科领域从事较大型科学和工程计算的基本素质和能力,以使他们尽快适应科研工作。



成绩 要求

平时成绩(15%)+开卷考试(20%)+在线测试成绩(60%)+论坛表现占(5%),合格分数为60分,优秀分数为85-100

课程大纲
预备知识

1.高等数学、线性代数基础;

2.至少会一种计算机编程语言;

3.熟悉linux操作系统。


参考资料

1. 张引科 昝会萍 凌亚文  计算物理基础 西北工业大学出版社 2015年

2. 彭芳麟  计算物理基础   高等教育出版社    2010年

3. 刘师少  计算方法        科学出版社       2007年

4. 《计算材料学》,江建军等,高等教育出版社,2010


常见问题

Q :  该课程是不是只能用指定教材学习?A :  不一定,只要是计算物理类的教材都可以使用。

Q :  学习该课程是不是一定要用MATLAB进行编程?A :  任何一种计算机语言都可以。

Q :  需要学习linux基本操作吗?A :  需要有一定的linux基础。