MATLAB可视化大学物理学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:清华大学

作者:周群益//侯兆阳//刘让苏

出品人:

页数:522

译者:

出版时间:2011-3

价格:59.00元

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isbn号码:9787302242253

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《现代物理现象的数学建模与可视化》 引言 在探索浩瀚宇宙的奥秘，理解微观粒子的奇妙行为，抑或驾驭复杂系统的动态演变时，我们常常会遇到那些超越日常直觉的物理现象。如何才能有效地捕捉、描述并深入理解这些现象？数学，作为描述自然规律的通用语言，为我们提供了强大的工具。而可视化，则将抽象的数学模型转化为直观的图形、图像和动画，极大地增强了我们的洞察力与沟通能力。 本书《现代物理现象的数学建模与可视化》正是致力于搭建这样一座桥梁，它旨在引导读者掌握如何运用数学工具来构建物理现象的模型，并借助先进的可视化技术来呈现和分析这些模型。本书并非枯燥的数学定理堆砌，也不是简单的代码示例罗列，而是力求将物理学的深邃思想与计算科学的实用技巧有机结合，让读者在解决实际问题的过程中，深刻领悟现代物理学的精髓。 核心内容概览 本书将围绕以下几个核心主题展开，每一部分都力求做到内容充实、逻辑清晰、兼具理论深度与实践指导意义： 第一部分：数学建模基础与物理学视角 在深入探讨具体模型之前，本书将首先梳理构建物理模型的基本原则和常用数学方法。我们将从牛顿力学的经典建模出发，回顾微分方程在描述连续介质、振动与波传播等现象中的核心作用。在此基础上，我们将引入概率论与统计学在处理大量粒子系统（如统计力学）或测量误差时的重要性。 离散与连续建模：我们将探讨如何根据问题的性质选择合适的建模方式，从简单的离散化方法（如有限差分法）到描述连续物理量的偏微分方程。 方程的建立与求解：重点关注如何将物理规律转化为数学方程，以及求解这些方程的数值方法，例如迭代法、矩阵运算等。 简化与近似：理解模型的有效性往往依赖于合理的简化和近似。本书将讨论如何根据物理背景进行有效简化，并评估近似带来的误差。 参数的意义与辨识：物理模型的参数往往对应着真实的物理量。我们将探讨如何从实验数据中辨识模型参数，以及参数变化对模型行为的影响。 第二部分：经典物理学的可视化探索 尽管本书重点关注现代物理，但对经典物理的深入理解是构建现代物理模型的基础。我们将运用可视化技术，以全新的视角重温经典物理中的关键概念。 力学可视化： 牛顿运动定律与轨迹模拟：通过绘制粒子运动轨迹，观察受力分析的动态过程，理解能量守恒与动量守恒。我们将模拟单粒子在复杂势场中的运动，以及多体系统的轨道相互作用。 振动与波：利用动画演示简谐振动、阻尼振动以及受迫振动的响应，可视化声波、光波的传播、干涉与衍射现象。重点将放在驻波的形成机理与能量分布。 热力学与统计力学可视化： 分子动力学模拟：通过可视化大量分子的运动，直观展示气体压强、温度的微观起源，理解相变过程（如液化、蒸发）中的分子行为。 熵与统计分布：可视化玻尔兹曼分布、麦克斯韦速率分布等，理解微观状态到宏观性质的关联。 电磁学可视化： 电场与磁场分布：绘制点电荷、线电荷、面电荷产生的电场线，以及直线电流、环形电流产生的磁场线。可视化电荷在电场中的运动轨迹。 电磁波的传播：模拟电磁波在不同介质中的传播、反射与折射，观察其偏振特性。 第三部分：现代物理学的数学建模与可视化 本部分将是本书的核心，我们将聚焦于量子力学、相对论、凝聚态物理、粒子物理等现代物理学的关键领域，探讨如何建立数学模型并进行可视化分析。 量子力学： 薛定谔方程的数值求解与波函数可视化：我们将深入探讨求解一维和三维薛定谔方程的数值方法（如有限元法、谱方法），并可视化波函数、概率密度随时间和空间的变化。 量子态的演化：模拟量子退相干过程，可视化量子纠缠的特性，例如贝尔不等式的实验模拟。 原子与分子光谱：建立简化模型，可视化原子能级跃迁，并与实验光谱进行对比。 量子隧穿效应：通过数值模拟，直观展示粒子穿过势垒的概率。 狭义相对论： 洛伦兹变换与时空图：使用可视化工具展示不同惯性系下的时间和空间坐标变换，以及光锥的概念。 相对论性动量与能量：模拟高速粒子运动，可视化速度时间膨胀和长度收缩效应。 狭义相对论与引力： 引力场的时空几何：虽然不涉及复杂的广义相对论场方程的数值求解，但我们将通过一些简化模型（例如，球对称质量分布对平面的“弯曲”类比）来可视化引力如何影响时空。 黑洞与潮汐力：使用可视化手段描述黑洞视界附近的时空畸变。 凝聚态物理： 晶格振动（声子）：模拟晶格的离散原子模型，可视化声子的激发与传播。 电子在周期势中的运动：可视化布洛赫波的形成，介绍能带结构的形成机制。 相变模型：可视化伊辛模型等二维相变模型，观察其在不同温度下的磁化强度变化。 粒子物理与宇宙学： 基本粒子衰变与相互作用：利用事件显示器（Event Display）的原理，模拟粒子探测器记录到的高能粒子碰撞事件。 宇宙演化模型：可视化宇宙膨胀、哈勃定律，介绍大尺度结构的形成。 暗物质与暗能量的间接证据：通过模拟引力透镜效应等方式，间接说明这些不可见物质的存在。 第四部分：高级可视化技术与工具 本书不仅关注模型的建立，更注重如何利用现代可视化技术来增强理解。我们将介绍多种可视化方法和相关软件工具。 科学计算平台介绍： MATLAB (或类似的科学计算环境)：本书将以一个或多个主流科学计算平台为例，介绍其强大的绘图函数、数值计算库以及模型构建能力。我们将详细演示如何使用这些平台进行二维、三维绘图，创建动画，并实现交互式可视化。 Python (及其科学库如NumPy, SciPy, Matplotlib)：作为开源的强大替代方案，Python在科学计算和可视化领域也占据重要地位。我们将简要介绍Python在物理建模与可视化方面的优势。 可视化方法： 数据渲染技术：线图、散点图、等值线图、矢量场图、表面图、体绘制（Volume Rendering）等。 动画制作：如何通过连续帧的生成来展示时间演化过程。 交互式可视化：如何构建可以动态调整参数、缩放、旋转的图形，以便用户更深入地探索模型。 模型构建与仿真流程： 从概念到代码：指导读者如何将物理概念转化为可执行的程序。 参数调试与模型验证：通过可视化结果来检验模型的准确性，并进行参数优化。 第五部分：案例研究与项目实践 为了帮助读者巩固所学知识，本书将提供一系列精选的案例研究，涵盖上述各部分的综合应用。每个案例都将从物理问题描述出发，引导读者完成数学建模、数值计算，最终通过可视化来分析和解释结果。 案例一：行星轨道动力学 建模：牛顿万有引力定律，二体/三体问题。 可视化：行星的椭圆轨道，受引力摄动的影响。 案例二：量子谐振子与势阱 建模：薛定谔方程的一维数值求解。 可视化：不同能量本征态的波函数和概率密度。 案例三：电磁波散射 建模：麦克斯韦方程组的简化数值模拟。 可视化：散射体的电磁场分布，散射波的强度。 案例四：简化的宇宙膨胀模型 建模：基于哈勃定律和弗里德曼方程的简化模型。 可视化：宇宙空间中星系的退行速度。 本书的特色与目标读者 本书的最大特色在于将物理学的深刻思想与现代计算可视化技术紧密结合，强调“做中学”的学习理念。我们力求以清晰易懂的语言，生动的可视化示例，引导读者主动思考，而非被动接受。 本书的目标读者包括但不限于： 大学物理专业学生：为学习现代物理学打下坚实的计算与可视化基础，加深对抽象概念的理解。 工程技术领域的研究生与研究人员：掌握运用数学建模与可视化解决复杂工程问题的能力。 对物理学与计算科学交叉领域感兴趣的自学者：提供一条深入探索现代物理现象的有效途径。 结语 科学的进步离不开对自然现象的深刻理解，而数学建模与可视化正是实现这一目标的强大驱动力。本书《现代物理现象的数学建模与可视化》希望能成为您探索物理世界、激发科学创新的得力助手。通过本书的学习，您将不仅能理解物理学的美妙，更能掌握驾驭复杂科学问题的实用技能。让我们一起，用数学的语言描绘宇宙的画卷，用可视化的力量点亮智慧的火花。

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坦白说，这本书的排版和内容组织方式，让人感觉像是直接跟一位经验丰富的导师在进行一对一的辅导。它没有采用那种传统教材那种严谨到令人窒息的学术腔调，语言非常接地气，讲解过程就像是朋友间交流心得。最让我印象深刻的是它对不同物理分支的覆盖深度和广度，从基础的力学原理，到看似遥不可及的量子力学基础概念，都有涉及，而且每部分都是以MATLAB编程实践为核心展开的。作者似乎深知初学者在编程和物理知识双重压力下的困境，因此对代码的注释极其详尽，即便是对MATLAB不甚熟练的人，也能通过模仿和修改示例代码，快速掌握核心逻辑。这种边学知识边练技能的方式，极大地增强了学习的成就感。我过去总觉得编程是计算机专业的事，但这本书让我明白，MATLAB作为一种强大的工具，完全可以成为物理学家们探索未知、验证假设的得力助手。

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这本书简直是物理学习的救星！我一直觉得大学物理那些公式和概念抽象得像在云端飘着，光靠课本上的文字描述和死板的图表根本难以理解。但是，当我拿起这本书，翻开那些用MATLAB绘制出来的精美图谱时，一切都豁然开朗了。它没有过多纠缠于复杂的理论推导，而是直接将那些抽象的物理现象可视化，比如电磁波的传播路径、牛顿运动定律下抛体运动的轨迹、热力学第一定律的能量转换过程，都以动态、直观的方式呈现出来。我甚至能通过调整代码中的参数，实时观察物理量的变化，这种“所见即所得”的学习体验，远比单纯地背诵公式有效得多。书中的案例选择非常贴近实际，很多都是教科书上泛泛而谈的概念，通过这本书的演示，变得鲜活起来。对于像我这样偏向实践和视觉学习的理科生来说，这本书简直是神器，它成功地架起了理论与直观理解之间的桥梁，让物理不再是高不可攀的知识，而是触手可及的现象。

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这本书的价值远超一本普通的参考资料，它更像是一本“实战手册”。我过去在做课程设计或实验报告时，常常为了做一个好的数据拟合图或者模拟一个物理过程，在各种软件间来回切换，效率低下。但自从用了这本书的思路，我发现MATLAB强大的矩阵运算能力和绘图功能简直是为物理模拟量身定做的。书中提供的大量高质量的M文件，可以直接用于教学演示或个人研究的初步探索。我特别欣赏作者对于误差分析和不确定性可视化的处理，这在很多同类书籍中往往被一带而过。通过书中的示例，我学会了如何用更科学、更美观的方式展示实验数据的可靠性，这对于提高我的实验报告质量起到了立竿见影的效果。这本书真正教会了我如何将抽象的数学模型“翻译”成计算机可以理解并可视化的语言。

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作为一个已经在物理领域摸爬滚打了好几年的学生，我本以为很难再找到能给我带来“惊喜”的学习材料了。然而，这本书以其独特的视角，重新点燃了我对基础物理学的热情。它不是简单地复述教科书上的内容，然后用MATLAB把它画出来。更重要的是，它引导读者去思考：**为什么**要这样可视化？不同的坐标系选择、不同的参数调整，如何影响我们对物理规律的理解？比如，在处理振动问题时，作者通过改变阻尼系数和驱动频率，清晰地展示了共振现象的各个阶段，这比书本上枯燥的数学曲线要深刻得多。这本书的叙事节奏把握得非常好，始终围绕着“探索”和“发现”的主题，让人忍不住想自己动手去修改代码，看看那些我们习以为常的物理定律在极端条件下的表现会是怎样一番景象。

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这本书给我的整体感受是极其“实用”和“前沿”。在如今这个数据驱动的时代，仅仅掌握理论是不够的，如何有效地处理和呈现数据才是关键。这本书完美地契合了这一需求。它不只是针对初学者，对于那些希望将自己的研究或教学内容升级到更高技术水平的进阶学习者来说，也是一本不可多得的工具书。我尤其喜欢其中关于偏微分方程数值解的可视化部分，这部分内容在其他入门级的MATLAB应用书中几乎是找不到的深度。作者似乎非常注重代码的健壮性和通用性，我可以直接将书中的框架应用于我自己的研究课题中，稍加修改便能得到高质量的模拟结果。这本书让我意识到，MATLAB不仅仅是一个计算工具，它更像是一个连接物理直觉与现代计算能力的桥梁，极大地拓宽了物理问题的研究边界。

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这本书其实拿来作为参考书，将来给本科生秀秀代码。我记得光学老师上课就干这个。

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