《计算物理及其应用》教学大纲

本科生课程教学大纲

（□科学学位□√专业学位）

课程名称计算物理及其应用

所在院（所、部）材料与光电物理学院学科点或课程组物理学

湘潭大学教务处制

2011 年01 月01 日

一、课程基本信息

课程代码：021*********

课程名称：计算物理及其应用

英文名称：Computational Physics and Its Applications

课程类别：专业基础课

学时：64

学分：4

适用对象:物理学专业，材料物理专业

考核方式：课堂考查，课程小论文，和期末考试成绩比例2：4：4

先修课程：固体物理，量子力学，统计力学，理论力学，数学物理方法

二、课程简介

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。理论内容包括计算物理导论，蒙特卡洛方法，经典分子动力学方法，第一原理方法，格林函数在物理学中的应用，全局优化方法，并行计算的概念，PC-cluster并行计算集群搭建原理，HPCC平台工作原理及并行算法。此外还介绍了包括这些方法在纳米材料计算机模拟等方面的应用，并为各种方法的实际运用配有一定的实例分析该课程的适用专业包括物理学、材料物理等。

三、课程性质与教学目的

《计算物理及其应用》课程是面向物理学、材料物理专业学生的必修课程。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。本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》、《统计物理学》、《凝聚态物理导论》、《固体物理》等主干和外围课程，实现本专业的主干课程从理论到实践再回到理论的层层深入。在课程构成方面，注重理论课与实践课的结合，充分体现加强物理学专业基础知识和技能的训练的目的，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，以期适应新时期创新型人才培养和学科发展的需要。

五、教学内容及要求

第一章计算物理导论

（一）目的与要求

1.了解计算物理的发展历程与趋势

2.掌握几种主要计算物理方法的优势和局限性

3.了解纳米材料及其设计的概念和主要方法

（二）教学内容

第一节计算物理的性质与任务

1.主要内容

理解计算物理的定义、优势和局限性；理解计算物理和理论物理与实验物

理的关系。

2.基本概念和知识点

计算物理，计算凝聚态物理方法的优势和局限性

第二节计算物理的起源和形成

1.主要内容

了解计算物理的起源和形成和发展；了解计算物理的发展现状。

2.基本概念和知识点

数值计算

第三节计算物理在物理学中的应用

1.主要内容

了解计算物理在物理学中的应用；了解计算凝聚态物理在纳米材料设计中

的应用。

2.基本概念和知识点

计算机模拟，计算凝聚态物理，纳米材料设计

（三）思考与研究

1. 计算凝聚态物理的发展趋势

2. 纳米材料设计中几种主要模拟计算方法的优势和局限性

第二章蒙特卡罗方法

（一）目的与要求

1.理解蒙特卡罗方法的基本思想

2.掌握几种产生随机数的方法及随机数的抽样方法

3.掌握蒙特卡罗方法在经典体系中实现的基本步骤

（二）教学内容

第一节蒙特卡罗方法概论

1.主要内容

蒙特卡罗方法的基本思想，大数定理，中心极限定理，数学方法产生伪随机数的优点

2.基本概念和知识点

蒙特卡罗方法的基本思想，大数定理，中心极限定理，蒙特卡罗方法误差，减小误差的方法，蒙特卡罗模拟的优点，蒙特卡罗模拟的缺点，数学方法产

生伪随机数的优点，平方取中法，线性同余法

第二节随机数的产生和检验

1.主要内容

均匀性检验，顺序相关法检验随机数的独立性，多维频率检验随机数的独

立性，机变量抽样，离散型直接抽样法

2.基本概念和知识点

随机数的独立性，随机变量

第三节随机变量的抽样

1.主要内容

连续型直接抽样法，变换抽样法的基本思想，重要抽样法，随机过程，

Markov随机过程，转移概率

2.基本概念和知识点

变换抽样法，随机过程，转移概率

第四节经典体系的蒙特卡罗模拟实例

1.主要内容

Metropolis重要抽样基本步骤，蒙特卡罗方法在经典体系的应用实例

2.基本概念和知识点

Metropolis重要抽样，哈密顿量

（三）思考与研究

1. 蒙特卡罗方法在凝聚态物理中的应用

2. 蒙特卡罗方法的发展趋势

第三章经典分子动力学方法

（一）目的与要求

1.掌握经典分子动力学方法的基本思想和模拟步骤。

2.掌握经典势函数的分类及特点。

3.掌握经典分子动力学模拟中物理量的计算。

（二）教学内容

第一节经典分子动力学简介

1.主要内容

了解分子动力学方法的发展简史；理解分子动力学方法的基本思想。

2.基本概念和知识点

分子动力学方法的基本思想。

3.问题与应用（能力要求）

熟悉分子动力学研究的基本步骤，能进行简单的实际体系的模拟。

第二节分子动力学运动方程数值求解

1. 主要内容

了解粒子运动方程常见的数值解法；理解和掌握Verlet算法；理解和掌

握Gear预测—矫正算法。

2.基本概念和知识点

运动方程，最小作用量原理，Verlet算法，Gear预测—矫正方法。