物理软件课程设计教学指导06_07

教学指导

一、教学目的及要求

课程设计分为两部分内容，一部分为物理问题的计算机程序设计，另一部分为电子技术设计。 在学生具有一定理论物理的基础和解析分析能力以及一定的实验物理的知识和技能的基础上，使学生掌握计算方法和计算机处理物理问题的初步能力。要求学生能把物理问题、计算方法和计算机语言结合在一起，以物理问题为主线索，能够设计出解决物理问题的计算方法、计算流程和上机实验程序，对上机结果能用物理知识进行一定分析和判断，为学生以后的深造和就业打好坚实的基础。

通过电路设计，掌握《电子技术》课程的知识，并能够理论联系实际，综合应用所学知识。根据所给题目，设计出电路图并用电子板画出，分析电路原理，需要计算的部分给出计算过程。 课程设计报告要求 书写以下内容 目的与功能 硬件环境 软件环境

程序流程图及说明 程序调试情况

结论：本程序的优点、缺点、待改进之处。 感想心得

附件：源程序

二、课程设计内容

1. 点电荷电力线的计算机模拟

要求：设计程序,模拟两个点电荷产生的电力线，并在计算机屏幕上显示。

原理：

电场线总是起于正电荷而终于负电荷，不会在没有电荷处中断；电场线上每一点的切线方向都和该点的场强E 方向一致．由于电场线在无电荷处是连续曲线，我们可以取足够多的弧形线元Δs拼接出电线场．当弧形线元Δs充分小时，就趋近于沿切线方向的直线段Δl．例如，已确定了电线场上的某点(x，y)的场强为E，在电场线上距此点为弧长Δs的下一点的坐标为(x+Δx，y+Δy)．当Δs取得足够小时，近似地有

在计算过程中, 可以将Δl取为定值h．当已知电场线上某点位置(x，y), 由 上式可得下一点的坐标为

如此反复进行操作，就能画出从正电荷出发的一条电场线。设系数为1。即只要Q/r即可 当然，还应考虑电场线的疏密和多条电场线的作图问题。

2

2. 波（或振动）的合成计算与模拟

要求：设计程序,计算与模拟两列波的合成结果且在计算机屏幕上动态显示出来.要求可以根据需要调整两列波的频率、速度和振幅等参量。 原理：

给定两列波y1=a1*cos(w1*(t-x/v1)+f)+w11和y2=a2*cos(w2*(t+x/v2)+f)+w22 使用计算机计算不同t时刻下的y=y1+y2, 然后利用计算机作图使它在屏幕上显示出来。

编程时，将显示器图形窗 X，Y 方向分别设置为质点坐标x和质点位移y 坐标。注意作图之后图像的显示时间应当有一定的延迟。应当将两列波的频率、速度和振幅等参量设为变量，以便随时作出调整。

驻波模拟时，将两列波方向设成相反方向，其他参量相同。

对于振动合成而言，只需将以上波动方程变为振动方程,并将显示器图形窗 X，Y 方向分别设置为时间t和位移y 坐标即可。

而单个振动或波的模拟时，只需取一个方程即可。

3. 分子动力学模拟团簇内分子的热运动

要求：学会数值求解运动方程的varlet方法；掌握分子动力学的基本思想并使用varlet方程编写分子动力学基本程序，模拟微小团簇内分子的热运动特性。 原理：

在一个孤立系统中，N 个粒子给予初始位置，初始速度。由牛顿第二定律mdrit2dt2Friijij可以解出

drit2dt2和rit，然后由verlet公式

rin1rihvinn12mhFi

2n

vin1vih(Finn1Fi)/2m

n（ h为时间间隔）可以由n时刻求出n＋1时刻的位置和速度。两粒子间的势能可以采用Lennard-Jones(L-J)势：urij126durij114。由公式Fij可求出

drijrijrij14Fx(rij)48(2)(xixj)rijFy(rij)48(2)(yiyj)rijrij8/2

14rij8/2 Fz(rij)48(2)(zizj)rij14rij8/2 其中是参量，rij是两粒子间距离。Fx(rij)Fy(rij)Fz(rij)分别表示第n时刻第i个粒子在x，y，z方向受到的合力。通过约化单位制＝1，＝1，m＝1，把以上三个公式代入varlet公式即可求出

n时刻每个粒子的位置和速度。

程序按以下步骤完成： 1） 指定运算条件的参数（如初始速度，粒子数，粒子坐标等）。 2） 体系初始化（即选定除始位置和速度）。

3） 计算作用于所有粒子上的力。 4） 解牛顿运动方程。这一步和上一步构成了模拟的核心。重复这两步直至我们计算体系的演化到指定的时间长度。 5） 中心循环完成后，计算并打印测定量的平均值，模拟结束。

3’. 氢原子的量子力学模型

要求：通过计算机求解氢原子薛定谔方程的解，要求程序可以通过判断不同能量下A-r图线的收敛情况，定出定态解。

原理：

氢原子满足的径向波函数方程可以写为：

或：

其中A(r)=rR(r)，R(r)为氢原子的径向波函数。

根据波函数的儿率解释，取横轴为距原子核的距离r，纵抽为波函数，基态波函数的曲线应该是向横轴收敛的形状，而不会成为远离横轴的形式。曲线的峰值可以认为是发现电子的几率为最大的地方，表示对应于基态的电子轨道半径(玻尔半径)。根据这种分析，将某个值代入上式的E，做图时求出满足收敛形式的E值，即求出试探解。这样确定的E值可以认为是给出的能级。 设初始条件r=0.01, A(r)=0.01, dA/dr=1,利用Runge-Kutta 法解微分方程即可。 4 三角波信号电路 （学时 1/2周） 画出电路原理图，分析工作原理，算出三角波的频率和幅值。 5 脉宽可调型矩形波产生电路 （学时 1/2周） 画出电路原理图，分析工作原理，算出脉宽可调范围。

6 并联式直流稳压电路 （学时 1/2周）

小电流信号电路要求电源的内阻非常小，且瞬态相应及快，而并联式直流稳压电路能够很好地满足这一要求。画出电路原理图，分析工作原理。

7 OCL放大器 （学时 1/2周）

OCL放大器是一种大功率的直流放大器，广泛地应用于音响，直流可控驱动等方面。画出电路原理图，分析工作原理。

三、课程设计考核方法及成绩评定 计算机程序设计：

1. 程序设计的正确性；

2. 原理分析的合理性，报告规范性；

3. 学生程序设计过程中的参与程度、表现以及提问等情况； 电子技术设计

（1）电路设计的正确性； （2）原理分析的合理性； （3）报告规范性； 四、教材及参考文献 计算机程序设计：

1. 《计算物理》 杨清建编 上海科学技术出版社 2. 《大学物理实验》曹正东等编 同济大学出版社

3. 《近代物理实验》唐贵德等编 河北科学技术出版社 4. 《basic与物理学》张晋梗等编 黑龙江人民出版社

电子技术设计

教 材：《模拟电子技术基础》 童诗白 华成英

《数字电子技术》 康华光

参考文献：《电子技术课程设计指导》 彭介华 《集成运算放大器及其应用》 张慎旃

《实用电路300例》 武义伟 汪河 向东国

大纲制定： 任世伟 王子国

大纲审定：王爱坤

制定日期：2006年4月