计算物理的发展与应用

物理学前沿论文（设计）论文题目：计算物理学的发展与应用学生姓名：袁强学号：2012118504147院系：信息系班级：电子信息1212班完成日期：2013年12月11日信息系物理学前沿论文计算物理学的发展与应用1目录一、计算机物理学的定义.................................................................................................................1二、计算物理学的发展与现状.........................................................................................................1三、计算物理学的应用.....................................................................................................................2（一）计算机在物理学中的应用.............................................................................................21.计算机数值分析..............................................................................................................22.实验数据处理..................................................................................................................23.计算机模拟......................................................................................................................24.计算机符号处理..............................................................................................................2（二）计算机在其他方面的应用.............................................................................................2四、总结.............................................................................................................................................3参考文献.............................................................................................................................................4信息系物理学前沿论文计算物理学的发展与应用1计算物理学的发展与应用摘要计算物理学是伴随着电子计算机的出现和发展而逐步形成的一门新兴的边缘学科。它是以电子计算机为工具,应用数学的方法,解决物理问题的应用科学。它是物理、数学和计算机三者结合的产物。计算物理学起源于第二次世界大战期间美国对核武器的研制,它是由于核科学技术的需要而产生,并且随着电子计算机的发展而发展。现在这门科学已广泛地应用于其他领域。本文就其发展和应用领域，阐述了计算物理在物理学中的重要性和作用。关键词：计算物理学发展应用领域信息系物理学前沿论文计算物理学的发展与应用IThedevelopmentandapplicationfieldsofComputationalphysicsAbstractComputationalphysicsisalongwiththeemergenceanddevelopmentoftheelectroniccomputerandgraduallyformedanewedgediscipline.itwasbasedontheelectroniccomputerasthetool,appliedmathematics,themethodoftheapplicationtosolvetheproblemofphysicalscience.Itistheproductofphysics,mathematics,andcomputercombination.computationalphysicsoriginatedduringthesecondworldwartheUnitedStatesforthedevelopmentofnuclearweapons,itisproducedduetotheneedofnuclearscienceandtechnology,anddevelopswiththedevelopmentoftheelectroniccomputer.nowthesciencehasbeenwidelyusedinotherareas.Inthispaper,thedevelopmentandtheapplicationfield,thispaperexpoundstheimportanceofcomputationalphysicsinphysicsandfunction.Keyword:computationalphysicsapplicationfieldsdevelop信息系物理学前沿论文计算物理学的发展与应用1一、计算机物理学的定义计算物理学（ComputationalPhysics）是物理学、数学、计算机科学三者结合的产物，与理论物理和实验物理有着密切的关系。定义为以计算机及计算机技术为工具和手段，运用计算数学的方法，解决复杂的物理现象问题的一门应用型学科。[1]如原子弹的爆炸、火箭的发射，以及代替风洞进行高速飞行的模拟试验等。应用计算物理学的力一法，还可研究恒星，特别是太阳的演化过程。二、计算物理学的发展与现状由于计算方法的深入发展和过去几十年中高速计算机的出现和普及，随着物理学基础理论的进一步突破，物理学家们逐步可以应用一些更严格和更全面的复杂模型，来定量研究实际的复杂体系的物理性质。基于物理学基本原理的数值计算和模拟已经成为将理论物理和实验物理紧密联系在一起的一座重要桥梁：它不仅能够弥补简单的解析理论模型难以完全描述复杂物理现象的不足，而且可以克服实验物理中遇到的许多困难，例如直接模拟实验上不能实现或技术条件要求很高、实验代价昂贵的物理系统等。计算机模拟技术已经渗透到物理学的各个领域，包括凝聚态物理、核物理、粒子物理、天体物理等，导致了计算物理这一新学科的突破性发展和成熟。从20世纪40年代开始，计算物理学家们已经发展了大量新数值方法(如MonteCarlo方法、分子动力学方法、快速Fourier变换等)，由此发现了很多未曾预料到的新现象，并给理论和实验物理学提出了许多新问题。总之，计算物理已成为物理学家揭示多层次复杂体系的物理规律的重要手段，同时也广泛应用于处理实验结果和提出物理解释。[2]在近50年的时间里，计算物理学首先在原子核物理领域获得应用和发展。与此同时，计算物理学的方法和技巧也迅速地向其他科学领域渗透。在流体力学领域，出现了计算流体力学和计算空气动力学。目前，计算流体力学和计算空气动力学可在超级计算机上模拟复杂几何形状物体的流体运动过程。在材料科学领域，通过理论计算和设计，可以“订做”有特定性能的新材料，这就是计算材料科学和材料设计。在电磁场和微波技术领域，为解决复杂电磁场理论间题和新型雷达工程问题，出现了计算电磁学。闭在物理学的各个相关学科与技术领域，都出现了与计算物理学有关的分支学科。[3]与此同时，物理学研究中大量计算和仿真的需求，也极大地促进了计算机科学与技术的发展。可以预言，随着光学存储和光计算机、量子晶体和量子计算机等开拓性研究的深人，物理学及相关技术将随着新一代计算机的出现而得到飞速的发展。信息系物理学前沿论文计算物理学的发展与应用2三、计算物理学的应用（一）计算机在物理学中的应用可以大致分为四类：数值分析与实验数据处理、计算机模拟、计算机符号处理1.计算机数值分析大多数物理学定律的数学形式是定积分、常微分方程或偏微分方程等。因此，可以用数值分析方法解决。对各类定积分，可用数值积分来计算。对各类常微分方程，可用常微分方程数值解法来计算。对各类偏微分方程，可用有限差分法、有限元法等算法来求解。2.实验数据处理物理学是实验的科学。物理实验是物理学研究的最重要手段。在现代物理实验中，实验数据量巨大，只有运用计算物理学的方法才可能进行分析处理。实验数据分析处理的常用算法有快速傅立叶变换（FFT）、小波变换、数字滤波、曲线拟合的插值方法和最小二乘法等。3.计算机模拟在天体物理学、核和粒子物理学、流体力学等域，有许多问题受实验条件、时间和空间的限制，无法在实验室中观察解决。例如：太阳系的形成和演化、黑洞问题等。对这类问题，唯一的研究方法就是首先建立理论模型，根据模型中的过程或方程编制数值计算程序，并在计算机上运行，从而了解系统的运动过程。这种研究方法就是计算机模拟，又称计算机模拟实验。目前，计算机模拟已成为物理学研究中除实验方法外最重要的研究手段。4.计算机符号处理在理论物理的研究领域，需要面对大量的公式推导和解析计算。运用符号计算程序，可以方便地处理多重不定积分的计算、大型符号矩阵的计算、复杂微分方程的推导等（二）计算机在其他方面的应用例如在统计物理、量子力学、流体力学，核及粒子物理、原子与分子散射、环境污染与监测，在物理学、邮电通信、航空航天、能源开发、计算机技术及应用、光电子技术、医疗保健、自动控制等相关高校技术领域从事科研、教学、技术开发与应用、管理等工作。信息系物理学前沿论文计算物理学的发展与应用3四、总结物理学专业主要培养掌握物理学基本理论与方法，具有良好的数学基础和基本实验技能，掌握电子技术、计算机技术、光纤通信技术、生物医学物理等方面的应用基础知识、基本实验方法和技术，对一个成功的物理学家来说，掌握必要的计算物理学知识和手段已变得越来越重要。越来越多的大学已针对将要从事物理学及相关学科研究的研究生和本科生开设了计算物理课程，计算物理学使学生获得分析和处理一些物理问题的基本方法和解决问题的能力,提高逻辑推理和插象思维的能力,为独立解决科学研究中的实际问题打下必要的数学物理基础。它更多地介绍与该课程相关的前沿科技动态,能够充分调动和发挥学生的主动性和创新性;提倡学生自学,培养学生的的自学能力。毕业后从事需要坚实的物理理论基础和动手能力的工作，扎实的理论知识以及应用能力，是很多企业任何时候都需要的人才：技术工程师——企业的工程技术工程师；教师——从事应用物理相关教育的教师；发明家——应用物理专业是最富产发明家的地方。信息系物理学前沿论文计算物理学的发展与应用4参考文献[1][2][3]邓颖宇、李晓端.计算物物理学在“大学物理”计算机辅助教学中的运用[J].广东工业大学物理与光电工程学