第1章 计算材料学导论.
计算材料学-14-1
2.
M.I. Eremets, V.V. Struzhkin, H.K. Mao, R.J. Hemley, Science 293: 272-274 (2001).
27
材料模拟的重要性－解释相变机制
Two typical reason of pressure-induced metallization 1. Structural transition from low coordination insulator to a high coordination metallic phase (e.g., Si, Ge) Band overlap due to the increased interatomic interactions with pressure (e.g., I)
25
材料模拟的重要性－预言新的结构相
Phys. Rev. B60, 14177(1999). (理论预言)
Germanium Clathrate
A. M. Guloy, et al., Nature 443, 320 (2006). (实验合成)
26
材料模拟的重要性－解释相变机制
1. Boron (in β-phase) transforms from a nonmetal to a metal (superconductor) at about 160 GPa. The critical temperature of the transition increases from 6 K at 175 GPa to 11.2 K at 250 GPa.
Gerbrand Ceder, “COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE: Predicting Properties from Scratch”, Science, Vol 280, Issue 5366, 1099-1100 , 15 May 1998
大学计算材料学教案
大学计算材料学教案《计算材料学》教案一、教学目标1.掌握计算材料学的基础理论和方法，了解计算材料学的发展历程和前沿研究领域。
2.能够运用计算材料学的理论和方法，对材料进行结构设计、特性预测和性能优化等方面的研究和开发工作。
3.学会使用计算机和软件对材料进行模拟仿真和实验数据分析，能够编写和调试计算程序和算法。
二、教学内容1.计算材料学的概念和基本原理(1)计算材料学的定义和发展历程。
(2)量子力学、能带论和密度泛函理论等基础理论。
(3)分子动力学、蒙特卡罗模拟等材料计算方法。
2.计算材料学在材料设计与性能预测中的应用(1)材料结构的计算设计和材料特性的预测。
(2)固体缺陷和界面的计算模拟。
(3)新材料的计算设计、合成和性能优化。
(4)材料在界面、表面和纳米尺度下的行为和性能计算。
3.计算材料学的实验数据分析和验证(1)材料实验数据的统计分析和处理。
(2)材料实验和计算结果的对比和验证。
(3)材料计算方法的精度评估和发展方向。
4.计算工具和软件环境(1)计算机及其相关技术。
(2)主流材料计算软件和工具的使用和编写。
(3)计算平台的配置和优化。
三、教学方法本课程采用传统讲授和案例分析相结合的教学方法，通过理论讲解、案例演示、实验操作等方式，加强理论和实践的结合，增强学生对计算材料学掌握和应用的能力。
四、教学要点1.了解计算材料学的基本原理和方法，掌握计算材料学的发展历程。
2.熟悉量子力学、能带论和密度泛函理论等基础理论，掌握分子动力学、蒙特卡罗模拟等计算方法。
3.掌握材料结构的计算设计和材料特性的预测，能够研究固体缺陷和界面的计算模拟。
4.能够进行新材料的计算设计、合成和性能优化，了解材料在界面、表面和纳米尺度下的行为和性能计算。
5.熟悉材料实验数据的统计分析和处理，能够对材料实验和计算结果进行对比和验证。
6.掌握计算工具和软件环境，了解主流材料计算软件和工具的使用和编写。
五、实验安排1.材料性能和结构的计算和模拟。
材料物理导论（熊兆贤着）课后习题答案第一章习题参考解答
第一章 材料的力学1. 一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：根据题意可得下表由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
2. 一试样长40cm,宽10cm,厚1cm ，受到应力为1000N 拉力，其杨氏模量为3.5×109 N/m 2，解：3. 一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。
解：根据可知：拉伸前后圆杆相关参数表 )(0114.0105.310101401000940000cm E A l F l El l =⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅=⋅=⋅=∆-σε0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)21(3)1(2μμ-=+=B G E )(130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈⨯=+⨯=+=μ剪切模量)(390)(109.3)7.01(3105.3)21(388MPa Pa E B ≈⨯=-⨯=-=μ体积模量4. 试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。
证：5. 一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
计算材料学导论精品PPT课件
科学计算的可行性
计算机软、硬件条件的飞速发展为科学计算提供了有力 保证。
量子力学，量子化学等基础理论的发展为科学计算奠定 了理论基础。
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CPU的速度增加:Moore定律
Moore定律：计算机CPU 的速度每1.5年增加一倍。 1946~1957 真空管,第一代 1958~1963 晶体管,第二代 1966~1970集成电路,第三代 1971~ 大规模和超大规模
计算材料学
Computational Materials Science
——材料设计、计算及模拟
2008.10
1
主要内容
计算材料学的起源 计算材料学的方法 计算材料学的应用
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主要内容
计算材料学的起源 计算材料学的方法 计算材料学的应用
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计算材料学的起源
1913 Niels Bohr 建立了原子的量子模型。 1920s~1930s 量子力学的建立和发展。 1928 F. Bloch 将量子理论运用于固体。 1927 原子电子结构的Thomas-Fermi理论。 1928-1930 Hatree-Fock方法建立，采用平均场近似求解
集成电路,第四代
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多核技术 集群技术
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材料设计
材料设计（Materials by design）一词正在变为现 实，它意味着在材料研制与应用过程中理论的份量不断增 长，研究者今天已经处在应用理论和计算来设计材料的初 期阶段。
——美国国家科学研究委员会（1995）
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计算材料学的概念
计算材料学是沟通理论与实验、宏观与微观的桥梁。
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主要内容
计算材料学的起源 计算材料学的方法 计算材料学的应用
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计算材料学导论课件
利用数据构建模型，通过机器学习等方法预测材料的 性能和行为。
CHAPTER 06
计算材料学案例分析
材料模拟软件介绍
01
材料模拟软件概述
介绍材料模拟软件的基本概念、发展历程和应用领域，以及其在计算材
料学中的重要地位。
02
常用软件介绍
列举并简要介绍一些常用的材料模拟软件，如Material Studio、VASP
材料模拟技术的发展方向
介绍当前材料模拟技术的发展趋势和未来发展方向，如更高效的算法、更精确的量子力 学计算方法等。
材料模拟在新能源、新材料等领域的应用前景
探讨材料模拟在新能源、新材料等领域的应用前景和潜在价值，如太阳能电池材料、高 温超导材料等。
材料模拟与其他学科的交叉融合
分析材料模拟与其他学科的交叉融合发展趋势，如物理学、化学、生物学等，以及在交 叉领域中的应用前景。
计算材料学的历史与发展
要点一
总结词
计算材料学经历了从简单模型到复杂模拟的发展历程。
要点二
详细描述
计算材料学的历史可以追溯到上世纪50年代，当时科学家 开始使用简单的模型来研究材料的性质。随着计算机技术 和理论模型的不断发展，计算材料学逐渐成为一门独立的 学科，能够模拟更加复杂和真实的材料系统。未来，计算 材料学将继续发展，并与其他学科领域交叉融合，为解决 实际问题提供更多创新性的解决方案。
CHAPTER 02
计算材料学的基本原理
原子与分子理论
原子与分子是构成物质的基本单 元，通过研究它们的性质和行为 ，可以理解材料的结构和性质。
原子的核外电子排布、电子云分 布、化学键合等特性决定了物质
的化学性质。
分子的几何构型、振动和转动等 性质也深刻影响着材料的物理性
计算机在材料科学中的应用 书籍
计算机在材料科学中的应用书籍以下是一些涉及计算机在材料科学中应用的书籍推荐：1. 《计算材料学导论》（Introduction to Computational Materials Science）– Richard LeSar2. 《计算材料学基础与应用》（Fundamentals and Applications of Computational Materials Science）– Yan Li, Swanand M. Bhagwat3. 《材料计算与建模导论》（Introduction to Materials Computation）– Richard H. Hennig, Jianguo Mi4. 《材料模拟初探》（An Introduction to materials simulation）– Richard J. Needs, Miguel A. L. Marques5. 《材料结构理论与模拟》（Theoretical and Computational Materials Science）– Anton Van der Ven, Golden G. Ou, James R. Morris6. 《计算材料科学导论》（Introduction to Computational Materials Science: Fundamentals to Applications）– Richard LeSar7. 《计算材料学与材料计算导论》（Introduction to Computational Materials Science and Materials Computing）–Marcus J. Buehler这些书籍包括了从基础到应用的计算机在材料科学中的各个方面，提供了对材料计算的原理、方法和实践的深入理解。
第1章 计算材料学导论
数学建模—— 基本方程建立 和参数设置
牛顿方程 哈密顿方程 拉格朗日方程...
牛顿方程 哈密顿方程 拉格朗日方程...
薛定谔方程 密度泛函理论 Kohn-Sham方程 LDA，GGA
算法构建—— 边界、初值条件 收敛条件指定
阈值 不同系综 Markov 细致平衡原理 接受概率
阈值 势函数 假想自由度 分数粒子思想
模拟计算，即根据材料科学和相关科学基本原理，从实验数据出发，通过建 立数学模型及数值计算，模拟实际过程； 材料理论计算与设计，即直接通过理论的物理模型和数值计算，预测或设计 材料结构与性能。
计算材料学四大特征
跨学科交叉理论体系
分子设计和微系统设计已成为现实，具有理论“前瞻性”
跨层次调控方法
电子结构、分子结构、晶体缺陷结构和本体结构 纳器件和分子器件，重大“挑战性”
跨尺度设计理念
纳米、微观、介观和宏观 不同计算方法耦合和集成，具有创新“集成性”
跨领域应用特征
汇聚在纳米科学与技术，当代学科发展标志性节点 具有“原始创新性”潜力
多学科和纳米科技发展、汇聚
结构尺寸
课程设计进程安排
本周完成分组、选题
每组6-8人
文献查阅、计算分析、整理表达等各方面互补
组长是项目组的成败关键
协调、负责、坚定，奖惩措施
每组请报三个项目，以便冲突时调整 每组三周内完成一篇综述 QQ群：2134 82870 请善用网络、google ……
1927年到50年代末：创建时期
L.C.鲍林，价键理论 R.S.马利肯，分子轨道理论 H.A.贝特，配位场理论
60～70年代：发展阶段
从头算方法（Gaussian软件包，Slater函数、Gauss函数拟合STO） 半经验计算等
计算材料学导论演示文稿
计算材料学导论演示文稿一、材料学的定义和发展概述（150字）材料学是一门研究材料的性质、结构和应用的学科。
它涵盖了从原子尺度到宏观尺度范围内材料的结构和性能的研究。
材料学的发展始于人类开始使用和改良材料的历史，并在工业革命以后迅速发展。
今天，材料学是现代科学和技术中不可或缺的一部分，它对于解决能源危机、环境问题以及实现可持续发展具有重要意义。
二、材料学的研究内容（200字）材料学涉及很多方面的研究内容，包括材料的组成、结构和性能等。
其中，材料的组成研究主要关注于不同原子或分子间的相互作用和组合方式。
材料的结构研究则探讨物体内部的结晶、晶胞、晶格和相等结构特征。
而材料的性能研究强调材料的物理、力学、电学、磁学和热学性质等。
通过对这些不同方面的研究，材料学能够为材料的设计、制备和应用提供基础理论。
三、材料分类与材料选择原则（300字）材料根据其组成、结构和性质的不同，可以划分为金属材料、陶瓷材料、聚合物材料和复合材料等。
金属材料表现出良好的导电性和导热性，被广泛应用于工业和建筑领域。
陶瓷材料具有高温稳定性和良好的耐磨性，适用于制造陶瓷器和耐火材料等。
聚合物材料具有较低的密度和优良的可塑性，在塑料制品和纺织品等领域得到广泛应用。
复合材料则是由两种或更多种材料组合而成，可以充分发挥各种材料的特性。
在选择材料时，需要考虑其物理、化学和机械性能。
此外，材料的制备工艺和成本也是选择的重要因素。
更重要的是，根据应用环境的不同，还需考虑材料的耐腐蚀性、耐磨性和耐高温性等特性。
四、材料的制备方法（250字）材料的制备方法可以分为物理方法、化学方法和生物方法等。
物理方法主要包括熔融法、溶液法和气相沉积等。
熔融法是将材料加热到熔点然后冷却结晶，常用于制备金属和陶瓷材料。
溶液法是通过将物质溶解在溶剂中，然后通过蒸发或沉淀得到所需材料，常用于制备纳米材料和聚合物材料。
气相沉积法则是通过气相反应制备材料薄膜，常用于制备金属氧化物和半导体材料等。
计算机工程导论论文模板(10篇)
计算机工程导论论文模板(10篇)中图分类号:G642文献标识码:B1引言“计算机导论”是学习计算机知识的入门课程,是计算机科学与技术专业完整知识体系的绪论,其重要作用在于让刚入学的学生了解计算机专业知识能解决什么问题,作为计算机专业的学生应该学什么,使他们产生强烈的学习兴趣,同时为后续课程的学习打下良好的基础。
目前国内相当一部分大学“计算机导论”课程的定位是培养学生敢用、会用计算机的能力和主动利用计算机去解决本专业问题的意识、培养学生的自学能力和较快接受新技术、新方法的能力。
2003年11月在桂林召开“全国计算机科学与技术方法论”会议后,较严格的区分了什么是“计算机导论”课程,什么是“计算机文化基础”或“计算机操作初步”课程。
但是,由于“计算机导论”课程长期定位不清,使得在教学中仍存在以下两个主要问题:(2)关于是否应该针对不同学生进行分层次教学存在争论。
不可否认,进入大学的学生来自全国各地,地域差异、贫富差异、文化差异、接受能力差异等因素导致学生起点不一样,对“计算机导论”这门课的正确定位,不仅对提高学生的学习兴趣和学科毕业生的就业问题具有重要的意义,同时对保持学科对优秀学生的吸引力,进而得到其他专业和社会的尊重也具有十分重要的意义。
因此针对以上问题,如何构建“计算机导论”课程内容成为一个亟待研究的内容。
本文在多年教学实践的基础上,对“计算机导论”课程的构建进行了大胆的探索,经过一个周期(四年)的实践,取得了预期的效果。
2课程构建为了兼顾不同层次的学生,我们将课程分为课堂教学和实践教学两个部分,各占32个学时。
课堂教学以学科知识体系、学科方法论、社会和职业道德为主,使学生了解计算机专业知识可以解决什么问题、怎样解决;作为计算机专业的学生应该学习什么、如何学;一名合格的计算机专业大学毕业生应该具备什么样的素质和能力、可以担当的工作岗位有哪些等。
实践教学则以计算机基础操作为主,针对不同层次的学生开展不同单元的训练,使得学生保持浓厚的学习兴趣,对课程的教学内容既有感性认识,又有理性认识。
计算机科学导论.ppt
2019-7-10
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谢谢欣赏
人工智能倒逼学习方式转变
2019-7-10
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谢谢欣赏
人工智能 VS 人类大脑
在训练模式上，应试教育的刷题训练与人工智能 的大数据训练具有高度相似性：
刷题训练：用大量的题目训练学生的大脑 大数据训练：用大量数据训练一个深度神经网络
人工智能相比人类大脑的优势：
办公室电话：63601013 邮箱：ylxu@
2019-7-10
2
谢谢欣赏
课程简介
教学目标：
了解计算机专业要学什么、专业的起源与发展、 将来能从事什么职业
熟悉计算机的使用
学时：20 学分：1 课程类型：考查
2019-7-10
3
谢谢欣赏
教材
《计算机科学引论》（Computing Essentials） （2017英文精编版），机械工业出版社
23
谢谢欣赏
三大科学思维
推动人类文明进步和科技发展的三大科学：
理论科学，实验科学，计算科学
与三大科学相对应的是三大科学思维：
理论思维：又称推理思维，以推理和演绎为特 征，以数学学科为代表
实验思维：又称实证思维，以观察和总结自然 规律为特征，以物理学科为代表
计算思维：又称构造思维，以设计和构造为特 征，以计算机学科为代表
大型IT公司都会在程序设计题中考察应聘者的数学思维 能力
2019-7-10
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谢谢欣赏
数学在计算机科学中的应用
计算机三维动画：几何学，分形理论和技术 游戏、图形软件：线性代数（坐标变换、矩阵运算等） 数据挖掘：线性代数，统计学，多元微积分，泛函分
计算机导论(第3版)-1-3章参考答案
第1章习题参考答案1、简要叙述ENIAC之前计算工具的发展历程。
答案:（1）算筹；（2）算盘；（3）计算尺；（4）机械计算机；（5）机电计算机。
对于（3）—（5），列出其代表机型。
2、对比说明第一代至第四代计算机各自的主要特点。
答案:（1）第一代计算机的主要特点：用电子管作为基本元器件；用机器语言或汇编语言编写程序；使用水银延迟线、静电存储管、磁鼓和磁芯作主存储器；输入输出装置主要用穿孔卡片；主要用于科学计算。
（2）第二代计算机的主要特点：用晶体管作为基本元器件；出现了FORTRAN、ALGOL和COBOL 等高级语言；采用磁芯存储器作主存，采用磁盘与磁带作辅存；除了科学计算和数据处理外，开始进入实时过程控制领域；出现了操作系统。
（3）第三代计算机的主要特点：用集成电路作为基本元器件；高级语言得到广泛应用；用半导体存储器取代了磁芯存储器，存储容量大幅度提高；普遍采用了微程序设计技术，设计了具有兼容性的体系结构；系统软件与应用软件都有很大发展，操作系统的功能有很大的提高和完善；出现了成本较低的小型计算机。
（4）第四代计算机的主要特点：用微处理器或超大规模集成电路取代了普通集成电路；计算机的存储容量进一步扩大，开始使用光盘和激光打印机；面向对象程序设计语言得到广泛使用；微型计算机诞生；数据通信、计算机网络、分布式处理有了很大的发展，互联网得到广泛应用。
3、微型计算机是如何发展起来的？微型计算机的快速发展有什么重要意义？答案: 1971年诞生的微处理器是将运算器和控制器集成在一起的大规模/超大规模集成电路芯片，以微处理器为核心再加上存储器和接口芯片，便构成了微型计算机。
1981年IBM公司推出微型计算机IBM PC后，微型计算机得到了快速发展。
微型机的出现及快速发展，才使计算机走进了大大小小的企事业单位和千家万户，也促进了互联网的快速发展和广泛应用。
4、简要说明第五代计算机的含义，如何评价第五代计算机的研究。
计算机导论——以计算思维为导向第4版教学大纲
《计算机导论》教学大纲说明：教师可根据课时和学校特点适当选择、调整教学安排。
一、课程简介实证思维、逻辑思维和计算思维是人类认识世界和改造世界的三大思维。
计算机的出现为人类认识世界和改造世界提供了一种更有效的手段，以计算机技术和计算机科学为基础的计算思维已成为人们必须具备的基础性思维。
如何以计算机思维为切入点，通过重构《大学计算机》的课程体系和知识结构，促进计算思维能力培养，提升大学生综合素质和创新能力是大学计算机课程改革面临的重要课题。
这些不断变化的情况要求对目前《大学计算机》的课程体系进行改革。
所以，如何明确、恰当地将计算思维融入知识体系，培养当代大学生用计算机解决和处理问题的思维和能力，从而提升大学生的综合素质，强化创新实践能力是当前的迫切要求。
1.教学目标(1)基本目标《大学计算机》教学不仅承担着传承知识，更肩负着创新知识的使命。
因此，在传授知识的同时更应培养学生的学习能力、解决问题的能力、交流能力、团队合作能力和创新能力，使他们能更快地适应未来工作的需求。
分层次课程体系体现《大学计算机》课程教学的实效性和针对性, 以“全面提高计算机公共课程教学质量，培养学生良好的信息化素养, 计算思维品质和计算机应用技能，为学生的后续专业学习提供良好的支持”为核心目标。
(2)高级目标研究性教学在培养学生的综合能力的过程中将发挥越来越重要的作用，它将成为综合性实践课程的主要教学方法。
学习的过程是参与的过程，是创造的过程而非盲目接受的过程。
学生积极的思维习惯和探究问题的意识应该在课程教学中得到培养。
在实现基本目标的基础上，实现高级目标：♦提升学习愿望，学习目标；♦增强学生的自我意识；♦运用已有知识学习新事物；♦教授特定领域和特定课程的学习策略；♦潜移默化，完善学生的人格。
2.实践环节实践性教学内容的设置遵循以下原则：(1)课程实验采用集中实验和自主实险相结合的原则。
其中，集中实验根据课程安排到统一的实验室进行实验；自主实验则由学生利用自己的机器或学校内外公有计算机实验室自主完成实验任务。
材料科学导论习题解答
材料科学导论作业第一章材料科学概论1.氧化铝既牢固又坚硬而且耐磨，为什么不用来制造榔头？[答]因为Al2O3的耐震性不佳，且脆性较高，不适合做榔头的材料。
2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜、氯化钠、环氧树脂、混凝土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅-锡焊料、橡胶、纸杯[答]金属有黄铜、铅-锡焊料、镁合金。
陶瓷有氯化钠、碳化硅。
聚合物有环氧树脂、橡胶、沥青、纸杯。
复合材料有混凝土、玻璃钢。
3.下列用品选材时，哪些力学性能和物理性能具有特别重要性：汽车曲柄轴、电灯泡灯丝、剪刀、汽车挡风玻璃、电视机荧光屏[答]汽车曲柄轴的疲劳寿命最为重要。
电灯泡灯丝的熔点需高，其发光性能要强。
剪刀的刀刃的硬度要强。
汽车挡风玻璃的光的穿透性要强。
电视机荧光屏光学的颜色及其他穿透性各种光学特性极重要。
4. 什么是纳米材料？纳米材料有哪些效应？请举例说明。
[答] 通常把粒子尺寸小于0.1μm（10nm）的颗粒称为纳米材料纳米材料有以下效应：⑴小尺寸效应⑵表面效应⑶量子尺寸效应⑷宏观量子隧道效应举例略第二章原子结构1.原子序数为12的Mg有三个同位素：78.70%的Mg原子有12个中子，10.13%的Mg原子有13个中子，11.17%的Mg原子有14个中子，计算Mg的原子量。
[答]M = 0.7870×(12+12)+0.1013×(12+13)+0.1117×(12+14) = 24.3247 g/mol2.试计算原子N壳层内的最大电子数，若K、L、M和N壳层中所有的能级都被填满，试确定该原子的原子序数。
[答]N壳层内最大电子数为2×42= 32。
但考虑能级交错：N壳层内刚刚达到最大电子数时的电子排布为：1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f14，该原子的原子数为70。
(本题目书上原解：N壳层中电子最多有2+6+10+14 = 32个，K、L、M、N壳层中电子共有2+8+18+32 = 60个，故原子序数为60。
计算思维导论考试重点
计算思维导论考试重点高等教育出版社第一章计算思维基础知识一计算科学与计算学科1计算科学又称科学计算，它是一种与数学模型构建、定量分析方法以及利用计算机来分析和解决科学问题的研究领域。
2利用计算科学对其他学科中的问题进行计算模拟以及其他形式的计算而形成的诸如计算物理，计算化学、计算生物等学科统称为计算学科。
计算学科是对描述和变换信息的算法过程进行系统的研究，它包括算法过程的理论、分析、设计、效率分析、；实现和应用等。
二科学思维科学思维通常是指理性认识及其过程，经过感性阶段获得大量材料，通过整理和改造，形成概念、判断和推理，以及反映事物的本质和规律。
三科学思维的分类1理论思维又称逻辑思维，是指通过抽象概括，建立描述事物本质的的概念，应用科学的方法探寻概念概念之间联系的一种思维方法。
2实验思维又称实证思维，是通过观察和实验获取自然规律法则的一种思维方法。
3计算思维又称构造思维，是指从具体的的算法设计规范入手，通过算法过程的构造与实施来解决给定问题的一种思维方法。
四计算思维的定义计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。
五计算思维的特征1概念化不是程序化2根本的，不是刻板的技能3是人的，不是计算机的思维方式。
4数学和工程思维的互补与融合5是思想，不是人造物6面向所有人，所有地方六计算思维的本质抽象和自动化第二章计算理论与计算模型一计算理论是关于计算和计算机械的数学理论，它研究计算的过程与功效。
计算理论主要包括算法与算法学、计算复杂性理论、可计算性理论、自动机理论和形式语言理论等。
二可计算性理论是研究计算的一般性质的数学理论。
可计算理论的中心课题就是将算法这一直观概念精确化，建立计算的数学模型，研究哪些是可计算的，哪些是不可计算的，以此揭示计算的实质。
三停机问题p29理解四冯诺依曼机1冯诺依曼机的模型p372冯诺依曼机的工作原理冯诺依曼机的主要思想是存储程序和程序控制，其工作原理是：程序由指令组成，并和数据一起存放在存储器中，计算机一经启动，就能按照程序指定的逻辑顺序把指令从存储器中读取并逐条执行，自动完成指令规定的操作。
材料化学导论练习与思考题
《材料化学导论》练习与思考题第一章 绪论1. 讨论新材料与材料加工新技术的出现对现代工业的影响。
2. 举例说明新材料如何引导科技进步。
3. 列举几种你常见到过的和心目中的复合材料。
4. 列举几种正处于发展期的新材料。
5. 简述材料的不同分类方法。
6. 何谓航天高聚物?试举例说明之。
7. 我国在东汉制造出了（），她是中国文化的象征，极大地促进了世界文明。
（A）陶瓷（B）瓷器（C）青铜器（D）丝绸8. 从我国河南商遗址出土的司母戊鼎重8750N，是世界上最古老的大型（）。
（A）石器（B）瓷器（C）青铜器（D）铁器9. 工程材料一般可分为（）等四大类。
（A）金属、陶瓷、塑料、复合材料（B）金属、陶瓷、塑料、非金属材料（C）钢、陶瓷、塑料、复合材料（D）金属、陶瓷、高分子材料、复合材料判断题：10. 金属材料韧性好，应用广泛，是重要的工程材料。
（）11. 材料的加工性能有铸造性、压力加工性、焊接性、热处理性能、切削性能、硬度、强度等。
（）第二章 晶体学基础1. 为什么14种种点阵型式中有正交底心，而无四方底心，也没有立方底心型式？2. 0℃时，水和冰的密度分别是1.0005 g/cm3和0.95g/cm3，如何解释这一现象？3. 方向为[111]的直线通过1/2，0，1/2点，则在此直线上的另外两点的坐标是什么？4. 画出立方晶系中下列晶面和晶向：（010），（011），（111），（231），（321）；[010]，[011]，[111]，[231]，[321]。
5. 在六方晶体中，绘出常见晶面：（1120），（0110），（1012），（1100），（1012）。
6. (a)在立方体系中，[100]方向和[211]方向的夹角是多少？(b)[011]方向和[111]方向的夹角是多少？7. 一平面与晶体两轴的截距为a=0.5,b=0.75,并且与Z轴平行，则此平面的米勒指标是什么？8. 一平面与三轴的截距为a=1,b=-2/3,c=2/3, 则此平面的米勒指标是什么？9. 立方晶体中的[001]方向是（）（A）二次对称轴（B）四次对称轴（C）六次对称轴10. 晶体的特性是（）（A）有确定的熔点，无各向异性；（B）有确定的熔点，有各向异性；（B）无确定的熔点，有各向异性；（D）无确定的熔点，无各向异性；11. 名词解释：（1）点群和空间群；（2）空间格子和晶胞第三章金属材料1. 当CN=6时，K+离子的半径为0.133nm(a)当CN=4时，半径是多少？(b)CN=8时，半径是多少？若(按K+半径不变) 求负离子半径。
第1章计算思维-导论
计算经济学
运用计算思想分析和综合经济问 题
分析、模型、决策 计算思想在诺贝尔奖获奖理论中
占到70%以上的比例
计算考古学--人脸复原
2000年前的马王堆辛追夫人与3500年前的 古埃及最美丽的王妃：妮菲蒂蒂
2.计算改变工作方式：数字化会议
数字化医疗
数字化教学
数字化制造
装配过程仿真
装配过程仿真
算法
为解决一个问题而采取的方法和步骤， 就称为算法。
例如：
一个农夫带着一只狼、一只羊和一棵白 菜，身处河南岸，要把东西全部运到北岸。 约束条件是只有一条能容下他和一件物品的 小船，只有农夫能撑船。不能单独留下羊和 白菜，也不能单独留下羊和狼。
农夫过河算法
带羊到对岸 空手回本岸 带狼到对岸 带羊回本岸 带菜到对岸 空手回本岸 带羊到对岸
80400元0元！！ 600元！
高了 低了 高了
参与者
………………….
如果你是参与者，你接下来会怎么猜？ 主持人：李咏
计算思维的定义
运用计算机科学的思想、方法和技术进行问 题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵 盖计算机科学之广度的一系列思维活动
计算思维的核心是 算法思维
周以真
（Jeannette M. Wing） 美国计算机科学家 卡内基-梅隆大学教授 ACM与IEEE会士
机电计算工具时代
美国哈佛大学应用数学教授霍华德·艾肯 和他的机电式计算机——MARK I
电子计算机时代
阿塔纳索夫
莫齐利
埃克特
第一台电子数字计算机ENIAC
ENIAC的发明人与制作人阿塔纳索夫、莫齐利、埃克特
“天河一号”是我国首台千万亿次超级计算机
计算是基于规则的符号串变换
材料学专业课程设计
材料学专业课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够掌握材料学的基本概念，理解材料的组成、结构与性能之间的关系。
2. 学生能够描述各类材料的主要性能指标，并运用这些指标对材料进行分类和评估。
3. 学生能够解释材料学中的基本原理，如晶体学、热力学等，并运用这些原理分析实际问题。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，设计简单的材料实验方案，进行实验操作，并处理实验数据。
2. 学生能够运用材料学软件进行材料性能的模拟与计算，提高解决实际问题的能力。
3. 学生能够通过查阅文献、开展讨论等方式，对材料学领域的新技术、新方法进行了解和掌握。
情感态度价值观目标：1. 学生能够培养对材料学研究的兴趣，提高科学探究的积极性和主动性。
2. 学生能够认识到材料学在国民经济、科技进步等方面的重要作用，增强社会责任感和使命感。
3. 学生能够树立正确的科学观念，遵循学术道德，勇于创新，培养团队合作精神。
本课程针对材料学专业的特点，结合学生所在年级的知识深度，旨在提高学生的理论素养和实践能力。
课程注重理论联系实际，培养学生解决实际问题的能力，同时关注学生的情感态度和价值观培养，为我国材料学科的发展培养高素质的专业人才。
二、教学内容1. 引言：材料学基本概念、发展历程及在国民经济中的应用。
- 章节关联：教材第1章“材料学导论”2. 材料的组成与结构：- 微观结构与宏观性能关系- 原子、分子、晶体学基本概念- 章节关联：教材第2章“材料的微观结构”3. 材料的主要性能及分类：- 力学性能、热性能、电性能等- 金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料分类及性能特点- 章节关联：教材第3章“材料的主要性能及分类”4. 材料制备与加工：- 几种常见的材料制备方法（如熔炼、粉末冶金、化学合成等）- 材料加工工艺对性能的影响- 章节关联：教材第4章“材料制备与加工”5. 材料学基本原理：- 晶体学、热力学、动力学等基本原理- 原理在材料研究中的应用实例- 章节关联：教材第5章“材料学基本原理”6. 材料应用与前景：- 各类材料在现代科技中的应用案例- 材料学科研究热点与未来发展趋势- 章节关联：教材第6章“材料应用与前景”本教学内容按照课程目标，结合教材章节，系统性地安排了材料学基本概念、性能、制备、原理和应用等方面的知识，旨在帮助学生全面了解材料学领域，为后续深入学习打下坚实基础。
复旦大学材料科学导论课后习题答案解析[搭配_石德珂《材料科学基础》教材]
![复旦大学材料科学导论课后习题答案解析[搭配_石德珂《材料科学基础》教材]](https://img.taocdn.com/s3/m/01e2063802020740be1e9bfc.png)
材料科学导论课后习题答案第一章材料科学概论1.氧化铝既牢固又坚硬且耐磨，但为什么不能用来制造榔头？答：氧化铝脆性较高，且抗震性不佳。
2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物和复合材料进行分类：黄铜、环氧树脂、混泥土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅锡焊料、橡胶、纸杯答：金属：黄铜、镁合金、铅锡焊料；陶瓷：碳化硅；聚合物：环氧树脂、沥青、橡胶、纸杯；复合材料：混泥土、玻璃钢3.下列用品选材时，哪些性能特别重要？答：汽车曲柄：强度，耐冲击韧度，耐磨性，抗疲劳强度；电灯泡灯丝：熔点高，耐高温，电阻大；剪刀：硬度和高耐磨性，足够的强度和冲击韧性；汽车挡风玻璃：透光性，硬度；电视机荧光屏：光学特性，足够的发光亮度。
第二章材料结构的基础知识1.下列电子排列方式中，哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金属？(1) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2(2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6(3) 1s2 2s2 2p5(4) 1s2 2s2 2p6 3s2(5) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2(6) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1答：惰性元素：(2)；卤族元素：(3)；碱族：(6)；碱土族：(4)；过渡金属：(1),(5)2.稀土族元素电子排列的特点是什么？为什么它们处于周期表的同一空格内？答：稀土族元素的电子在填满6s态后，先依次填入远离外壳层的4f、5d层，在此过程中，由于电子层最外层和次外层的电子分布没有变化，这些元素具有几乎相同的化学性质，故处于周期表的同一空格内。
3.描述氢键的本质，什么情况下容易形成氢键？答：氢键本质上与范德华键一样，是靠分子间的偶极吸引力结合在一起。
它是氢原子同时与两个电负性很强、原子半径较小的原子（或原子团）之间的结合所形成的物理键。
当氢原子与一个电负性很强的原子（或原子团）X结合成分子时，氢原子的一个电子转移至该原子壳层上；分子的氢变成一个裸露的质子，对另外一个电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力，与Y之间形成氢键。
材料物理导论(熊兆贤着)课后习题答案第一章习题参考解答
第一章 材料的力学1. 一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：根据题意可得下表由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
2. 一试样长40cm,宽10cm,厚1cm ，受到应力为1000N 拉力，其杨氏模量为3.5×109N/m 2，解：3. 一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。
解：根据可知：拉伸前后圆杆相关参数表 )(0114.0105.310101401000940000cm E A l F l El l =⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅=⋅=⋅=∆-σε0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)21(3)1(2μμ-=+=B G E )(130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈⨯=+⨯=+=μ剪切模量)(390)(109.3)7.01(3105.3)21(388MPa Pa E B ≈⨯=-⨯=-=μ体积模量4. 试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。
证：5. 一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
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Computational Materials Science
From Basic Principles to Practical Design Methodology
江建军 缪灵 等 编著 jiangjj@
授课团队与授课内容
江建军 教授
有限元方法
计算框架和数值处理方法
理论方法、数学模型并不严格等于其数值模型
数值实现与计算效率，针对最重要的问题引入各种近似处理
绝热近似、平均场近似 交换关联泛函形式选择 电子-离子实相互作用处理与波函数展开基矢选择、
各态历经假说、统计系综选择等等
数值解法的精确性也依赖于一系列参数
总论、教育理论、创新实践
别少伟 副教授
项目进程管理
缪 张
灵 博士 莉 博士
石墨烯、纳米管及其应用
氧化锌纳米体系
第1章 计算材料学导论
1. 引言暨历史发展 2. 计算材料学理论体系 3. 研究动态与展望 4. 设计实践方法学
5. 设计实践课程学习方法
1. 引言暨历史发展
计算物理概述
量子计算化学概述
电子结构、分子结构、晶体缺陷结构和本体结构 纳器件和分子器件，重大“挑战性”
跨尺度设计理念
纳米、微观、介观和宏观 不同计算方法耦合和集成，具有创新“集成性”
跨领域应用特征
汇聚在纳米科学与技术，当代学科发展标志性节点 具有“原始创新性”潜力
多学科和纳米科技发展、汇聚
结构尺寸
多个领域：凝聚态物理、核物理、粒子物理、天体物理等 多种方法：蒙特卡罗、分子动力学方法、快速Fourier变换等
量子计算化学概述
20年代，量子力学体系
薛定鄂波动方程、Heisenberg矩阵力学、Dirac相对论方程
20年代末，量子化学计算的开始
Heitler－London使用量子力学处理氢原子形成氢分子
材料设计理念
计算材料学
计算物理概述
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重要桥梁
简单的解析理论模型难以描述复杂物理现象
克服实验物理中遇到的许多困难
早期宇宙行为、强磁场、极高压、极低温或高温
1946年2月14日，美国宾夕法尼亚大学，ENIAC 1955年5月,费米和合作者，洛斯阿拉莫斯研究报告 1959年，“曼哈顿计划”，《计算物理方法丛书》
电子结构 量子力学主导
E(ψ) 后Hartee-Fock方法 E(ρ) 密度泛函理论
连续介质力学的本体结构
有限差分方法 有限元方法
计 算 材 料 学
分子演化结构 原子演化结构
牛顿方程 分子动力学方法
统计力学主导
随机抽样 蒙特卡洛方法
本体结构 连续介质力学主导
泰勒展开 有限体积
有限差分方法
模拟计算，即根据材料科学和相关科学基本原理，从实验数据出发，通过建 立数学模型及数值计算，模拟实际过程； 材料理论计算与设计，即直接通过理论的物理模型和数值计算，预测或设计 材料结构与性能。
计算材料学四大特征
跨学科交叉理论体系
分子设计和微系统设计已成为现实，具有理论“前瞻性”
跨层次调控方法
1927年到50年代末：创建时期
L.C.鲍林，价键理论 R.S.马利肯，分子轨道理论 H.A.贝特，配位场理论
60～70年代：发展阶段
从头算方法（Gaussian软件包，Slater函数、Gauss函数拟合STO） 半经验计算等
80年代至90年代
密度泛函理论(DFT)迅速发展，轨道波函数为基->密度函数为基
计算尺度
纳观，电子结构 纳观－微观，分子演化结构
微观－介观，微纳结构
介观－宏观，本体结构
时间 (s) 100
连续动力学
跨尺度计算多层次ห้องสมุดไป่ตู้构
(ms) 10-3 缺陷动力学 相变动力学
(μs) 10-6 量子力学 半经验方法 量子力学 第一性原理 密度泛含理论 紧束缚方法
(ns) 10-9 (ps) 10-12
物理学
电子技术 宏观 0.1 mm 电子学
微电子
纳米技术应用
微观
生物学
细胞生物学
材料设计
量子效应
0.1 μm 分子生物学 功能分子设计 纳观 超分子化学
电子器件 光电器件 传感器 生物芯片
集成开发 生物原理 物理定律 化学性质
化学
0.1 nm
配位化学
1960
1980
2000
2020
2040
2. 计算材料学理论体系
边界条件、截断误差、级数展开误差 离散化（积分、微分）、正空间倒空间快速傅立叶变换 收敛参数以及程序设计等引入的误差等等
* 3. 研究动态与展望
凝聚态物理、量子化学、计算技术等相关基础学科发展 计算能力的空前提高 多尺度、多层次、多种计算方法结合
基于物理建模和数值计算方法，通过理论计算主动地对材料-器件-
微系统的本征特性、结构与组分、使用性能以及合成与制造工艺进 行综合设计，达到对材料结构与功能调控，并提供优化设计和协同 制造技术的一门交叉边缘学科。
材料学信息学->材料专家设计系统->基于材料理论计算与设计
材料设计(Materials Design)
通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能 通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料
计算材料学
“材料计算与设计”的思想产生于20世纪50年代，80年代形成为一
个独立的新兴学科。
蒙特卡洛方法 分子动力学
(fs) 10-15
10-10
10-9 (nm)
10-8
10-7
10-6 (μm)
10-5
10-4 尺度
多层次研究对象与计算方法
量子力学第一性原理的电子结构
Hartree-Fock与从头计算 DFT与第一性原理计算
统计力学原子、分子演化结构
分子动力学方法 蒙特卡罗方法
表面吸附、催化、分子间相互作用等
材料设计理念
材料研究四要素：组成、结构、性能、服役性能
实验研究变得越来越困难
电子层次、纳米结构设计
计算机模拟技术可以根据有关的基本理论
纳观、微观、介观、宏观尺度多层次研究 模拟超高温、超高压等极端环境 性能演变规律、失效机理 进而实现材料服役性能的改善和材料设计