《计算物理及其应用》学习指南

学习指南

一、课程简介与学习基础

《计算物理及其应用》是2011年国家精品建设课程，是技术物理国家级教学团队的主要建设课程之一。课程主要依托的学科专业平台有：湘潭大学凝聚态物理湖南省“十一五”重点学科，“物理学”湖南省特色专业，“凝聚态物理”，“理论物理”和“原子与分子物理”硕士学位授权点，“凝聚态物理”博士点。

本课程系统地讲授计算物理学中的基本概念、理论和处理方法。理论内容包括有限差分数值求解导论，蒙特卡洛方法，经典分子动力学方法引论，第一原理方法导论，格林函数在物理学中的应用，全局优化方法初探，多尺度计算物理综述。实践内容包括蒙特卡洛方法实例分析，经典分子动力学应用实例，第一原理方法应用实例，非平衡格林函数在电子输运中的应用，PC-cluster并行计算集群搭建原理，HPCC平台工作原理及并行算法。适用专业：物理学、材料物理。

本课程是专业基础课程，同时与《量子力学》、《固体物理》、《热力学统计物理》、《Fortran语言及其应用》等课程关系极为密切。本课程的目标是使学生通过该课程的学习，对计算物理理论的发展脉络、主要特点、研究前沿有一个清晰和系统的掌握。课程贯彻“宽口径、厚基础、高素质”的教育思想，充分吸纳国内外科研的最新成果作为教学内容。课程以计算物理基本理论的应用问题为本，以计算物理及其应用为纽带，纵深上关联《量子力学》、《理论力学》、《热力学与统计物理》、《固体物理》、《半导体物理》、《材料科学基础》、《原子物理》、《凝聚态物理导论》、《固体物理实验方法》、《近代物理专业实验》、《计算科学基础》等主干、外围课程，从“理论”——“实践”——“理论”层层深入。课程构成方面，以加强计算物理学专业基础知识和技能为训练目的，着重培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力以及创新意识和创新能力；从各个方面、各个层次、各个角度为学生的知识创新与能力锻炼提供进一步的“深度思考”，以期适应新时期创新型人才培养和学科发展的需要。

二、课程主要内容与基本要求

本课程的知识模块从整体上可以分为两部分：

1、课程以计算物理中的核心理论和理论前沿为主要内容，教学大纲计划授课时数为38学时，并相应开展前沿性的讲座。具体内容包括：“计算物理总论”；“蒙特卡洛方法”；“经典分子动力学方法”；“第一性原理计算方法”；“格林函数在物理学中的应用”；“全局优化方法”；“多尺度计算物理综述”。在理论学习过程中须着重注意了解和掌握计算物理理论的前沿发展，计算物理的典型理论的发生、发展、现状以及相关理论方法的应用范畴及其相互关系。

2、在上述理论方法学习的基础上，结合本专业的课程设计开设模拟计算实验，计划为26学时。其中的内容主要包括：“蒙特卡洛方法实例分析”；“经典分子动力学应用实例”；“第一原理方法应用实例”；“全局优化方法应用实例”；“非平衡格林函数在电子输运中的应用”；“PC-cluster并行计算集群搭建原理”；“HPCC平台工作原理及并行算法”。在以上的实验课程学习中应充分发挥自己的主观能动性和创造性，着力提高利用所学的理论知识解决实际问题的能力。

三、课程学习重点与难点

课程的重点：针对目前计算物理学应用的热点前沿科研课题，结合我们课程教学队伍的研究方向，将本课程的重点定位在：‘经典分子动力学方法’、‘第一性原理方法’以及这两种方法的应用实例上。本课程的主要重点为：1）理解分子动力学模拟基本思路；

2）掌握等温等压分子动力学实现方法；

3）熟悉常用分子动力学模拟软件及其操作技巧；

4）哈特利-福克近似的基本思想；

5）密度泛函理论的基本内容；

6）绝热近似。

课程的难点：结合本课程的重点内容，归纳出本课程的主要难点如下：1）分子动力学模拟的基本步骤；

2）平衡态分子动力学模拟；

3）分子动力学模拟过程中参数的确定；

4）局域密度近似理论内容的理解；

5）K-S方程的自洽求解；

6）基本计算软件（VASP、CASTEP、）的参量设置。

学习建议：在课时有限、课程内容较多的情况下，应注重以当今与计算物理发展相关的重大科技问题为学习主线，以问题的解决思路为学习引导，将计算物理中的核心应用寓于感兴趣的问题之中，在解决相应问题的过程中深化理解计算物理中的核心理论，并努力自主寻找解决问题的方案和思路，将课程延伸到课堂之外。充分发掘自己的学习积极性，将课堂教学、学术讲座、课后助学有机地结合起来，充分把握学习的重点和难点。

四、课程参考资料

一）参考书目

1、T.Pang编，《An introduction to computational physics》，世界图书出版公司，2006

2、Andrew Leach，《Molecular modeling: principles and applications》

3、《Electronic structure: basic theory and principle methods》

4、井孝功，《计算物理》，吉林大学出版社，2001

5、淦编著，《计算物理学》，科学出版社，2005

6、钟济编著，《蒙特卡洛方法》，上海科学技术出版社，1985

7、裴鹿成、王仲奇编，《蒙特卡洛方法及其应用》，海洋出版社，1998

8、王本仁编，《蒙特卡洛方法引论》，山东大学出版社，1987

9、K. Binder, D. W. Heermann著，秦克诚译，《统计物理学中的蒙特卡罗模拟方法》，北京大学出版社，1994

10、张孝泽编著，《蒙特卡洛方法在统计物理中的应用》，河南科学技术出版社，1991

11、王凌，《智能优化算法及其应用》，清华大学出版社，2001

12、刘勇等，《遗传算法》，科学出版社，1998

13、李守巨，刘迎曦，孙伟，《智能计算与参数反演》，科学出版社，2008

二）参考文献（可根据实验课程的相关实验选择性阅读）

1.J.X.Zhong,G.M.Stocks,Localization/Quasi-delocalization Transitions and Quasi-Mobility-Edges in Shell-Doped Nanowires, Nano Letters 6, 128-132 (2006)