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| 內容簡介： |
《MATLAB可视化大学物理学（第2版）》是一本以MATLAB为工具的大学基础物理教材，全书共15章。
该书的内容之一是大学基础物理知识。第1~14章，每章先列出大学物理的基本内容，然后将物理内容和例题以范例的形式提出来，进行解析和图示。每一章都精心选取和编制了10个范例，每个范例都按传统物理学的方法，用高等数学进行解析，进而结合图片对物理内容作出详细的说明。该书图片丰富多彩，既包括曲线和曲线族，还有曲面、图像和动画的截图。该书共有1000多张物理内容的PPT，读者可在清华大学出版社网站该书页面下载，自己编辑使用。
该书的内容之二是MATLAB的程序设计知识。该书专门安排了第0章，通过24个范例介绍MATLAB在大学物理中的应用方法。在其他各章中，对于每一个物理范例，根据解析的结果，提出算法，利用MATLAB设计程序、计算数据并绘制图片。该书有200多个程序，每条指令都有简要的说明，使读者易学易懂，为读者提供了许多解决问题的方法和技巧。为了减少篇幅，该书只列出了部分纸质版的程序，方便读者阅读和理解。该书的程序都可在清华大学出版社网站该书页面下载，读者不需要手工录入，很容易复制、调用和执行。
《MATLAB可视化大学物理学（第2版）》可作为大学基础物理学的教材，适合大学一、二年级学生使用。该书的程序可作为大学理工科各年级学生学习MATLAB程序设计的应用教材，也可作为数学建模的参考资料。书中的电子教案可供大学教师采用和参考，动画可在教学中演示。该书也可作为科研工作者设计MATLAB程序的参考书。
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| 目錄：
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第0章 MATLAB在大学物理中的应用基础
0．1 MATLAB命令窗口的操作
{范例0．1}数值和变量
{范例0．2}曲线的绘制
{范例0．3}矩阵的操作
0．2 程序的结构
{范例0．4}程序的顺序结构
{范例0．5 }程序的单分支和双分支结构
{范例0．6}程序的多分支结构
{范例0．7}逻辑运算
（范例0．8}程序的固定循环结构
{范例0．9}程序的双重循环结构
{范例0．10} 程序的不定循环结构
{范例0．11} 函数文件
0．3 常用绘图方法
{范例0．12} 曲线和曲线族的绘制
{范例0．13} 极坐标曲线的画法和曲线动画的演示
{范例0．14} 箭杆的画法和两力的合成
{范例0．15} 图形数据的获取和黑体辐射实验结果的模拟
{范例0．16} 曲面的画法
{范例0．17} 等值线的画法
{范例0．18} 图像的画法和光的双缝干涉图样
{范例0．19} 图形动画的制作
0．4 常用计算方法
{范例0．20} 超越方程的求解
{范例0．21} 导数的计算
{范例0．22} 积分的计算
{范例0．23}微分方程的求解方法
{范例0．24}偏导数的计算和等量异号点电荷的电场
练习题
第1章质点运动学
1．1基本内容
1．质点和参考系
2．位矢和位移
3．速度
4．加速度
5．角量与线量的关系
6．三种典型的运动
7．相对运动
1．2 范例的解析、图示、算法和程序
{范例1．1}质点直线运动的位置、速度和加速度
{范例1．2}质点的匀速圆周运动（曲线动画）
{范例1．3}质点的变速圆周运动
{范例1．4}质点的螺旋运动（曲线动画）
{范例1．5}竖直上抛运动
{范例1．6}斜抛物体的水平射程和竖直射高
{范例1．7}斜抛物体在斜坡上的射程
{范例1．8}平抛小球在地面上跳跃的轨迹（曲线动画）
{范例1．9}导弹拦截（曲线动画）
{范例1．10}飞机在风中往返的时间
练习题
第2章 牛顿运动定律
2．1 基本内容
1．常见的力
2．牛顿运动三定律
3．牛顿第二定律的分量形式
4．分离变量法求解牛顿第二定律的微分方程
5．惯性参照系
2．2 范例的解析、图示、算法和程序
{范例2．1}力的正交分解与合成
{范例2．2}斜面上物体在水平力作用下的平衡
{范例2．3}轻线单摆冲击运动的角速度和张力
{范例2．4}摩擦力与速率成正比的圆周运动
{范例2．5}小球在水中沉降的规律
第3章 运动的守恒定律
第4章 刚体的转动
第5章 机械振动
第6章 机械波
第7章 波动光学
第8章 气体分子运动论和热力学基础
第9章 静电场
第10章 恒磁场
第11章 导体、电介质和磁介质
第12章 变化的电磁场
第13章 狭义相对论
第14章 量子论基础
参考文献
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| 內容試閱：
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这是一本将大学基础物理和MATLAB相结合的教材。
一、物理部分的构思
物理部分分为14章，完全按照大学基础物理的内容顺序编排。与一般的大学物理教材相比，物理部分的构思有以下创意。
1.各章先列出大学基础物理的基本内容，将其作为主要线索，以便于读者全面掌握物理知识的脉络。
2.将物理教学内容和例题通过范例的形式提出来，再进行解析。本书在每一章中精选了10个典型范例，涵盖了大学基础物理的基本内容。与传统物理教材一样，本书根据物理概念，应用高等数学方法，对范例进行解析，求出基本公式或最终公式。本书对范例的解析力求做到详细和全面，并将一些相关的物理问题归纳统一起来。
（1）详细。本书介绍了大学基础物理的基本知识，对物理公式做了详细推导，说明公式的来龙去脉。例如，弹簧振子的受迫振动，本书详细推导了振幅和初相位与驱动力圆频率的关系（见{范例5.8}）。有些解析解还与数值解和符号解进行比较，从而检验解析解的正确性。
（2）全面。本书力求全面考虑问题的解决方法。例如，降落伞下降时，对初速度小于和大于极限速度的情况分别推导出不同的位移公式，由于MATLAB能够进行复数运算，两个公式的实部是相同的（见{范例2.8}）。
（3）统一。有些问题属于同一类问题，本书加以统一解决。例如，船的运动规律，船所受的阻力与速度的n次幂成正比时，不论指数是多少，其速度和路程都采用统一的公式表示（见{范例2.9}）。又例如，均匀带电球面、球体和球壳的电场强度和电势也用统一的公式表示（见{范例9.6}）。
（4）独到。本书方法新颖，公式简明，图片精准。例如，本书推导出对心弹性碰撞的最简公式，便于记忆（见{范例3.3}）。又例如，对于直线电流磁感应线，本书证明了其距离按等比级数排列，从而画出准确的磁感应线（见{范例10.3}）。还例如，氢原子概率密度曲面和彩色电子云图以及等值面图充分反映了氢原子中电子分布的三维结构（见{范例14.10}）。
3.本书对一些问题从多方面进行了深入讨论。例如，斜抛物体在斜坡上的射程，对于各种斜坡，包括向上的斜坡和向下斜坡，甚至峭壁和悬崖，都做了深入讨论（见{范例1.7}）。又例如，直线电荷与共面带电线段之间的作用力，当线段跨在直线电荷两边时（两者绝缘），对力的大小和方向进行了深入讨论（见{范例9.8}）。
4.本书的突出特点就是通过计算机所作的图形来说明物理规律，许多问题的细节都能用图形展现出来。图形种类有曲线和曲线族、曲面、图像以及动画的截图。
（1）有些问题用单曲线就能反映其规律，如质点的匀速和变速圆周运动（见{范例1.2}和{范例1.3}）。有些没有解析解的问题也能通过曲线显示其规律，如小球在空气中竖直上抛后落回原点的时间（见{范例2.6}）。
（2）有些问题则用曲线族反映其规律，由参数反映曲线的特征，这类曲线族往往还有极值点和极值线。例如，麦克斯韦速率分布律曲线族，不论取温度为参数还是取质量为参数，分布函数随速率变化都有峰值，峰值线表示了分布函数随最概然速率的分布规律（见{范例8.4}）。又例如，黑体辐射规律的曲线族，峰值线的分布遵守维恩定律（见{范例14.1}）。
（3）有些问题用曲面表示结果，旋转曲面可从不同角度展示物理规律，例如，电偶极子的电势曲面和电场强度曲面（见{范例9.2}）。
（4）有些光学问题，如光的双缝干涉条纹等，用图像表示（见{范例7.1}）。将波长和颜色联系起来，彩色图像十分精美，如白光的单缝衍射条纹等（见{范例7.5}）。
（5）有些问题用动画表示，如单摆和圆环复摆的运动（见{范例5.5}和{范例5.6}），波的形成和传播等（见{范例6.1}等）。
5.每一章列出一些习题，供读者做练习。
二、程序部分的构思
MATLAB的内容十分丰富，第0章精选了一些与解决大学物理知识密切相关的基本内容，通过24个范例说明MATLAB指令和函数的功能以及程序设计方法。第0章将MATLAB中常用的指令和函数制成表格，以便于查阅。第0章分为四节，分别说明窗口命令的操作、程序的结构、常用作图方法和常用计算方法。有些范例采用了多种编程方法，为读者编程提供多种解决问题的手段。例如，求导问题分别采用了数值求导和符号求导，并与其解析解进行比较（见{范例0.21}）。又例如，积分问题分别采用了梯形法积分、数值积分和符号积分，也与其解析解进行比较（见{范例0.22}）。
有关物理内容的每个范例都有算法和程序，程序后面还有说明。本书的算法就是将物理部分中的公式改造成适合计算的形式，说明解决问题的思路和使用的指令以及函数。算法与程序密切结合，使程序部分具有一些独特之处。
1.公式无量纲化。一些范例可直接通过数值计算，不存在无量纲化问题，但是许多物理公式都需要进行无量纲化处理，才便于计算和作图。例如，点电荷对的电场和电势，取距离的一半为长度单位，这就决定了电场强度和电势的单位，形成无量纲的公式（见{范例0.24}）。利用无量纲化公式就能做纯数值计算，充分反映物理规律。
2.充分利用MATLAB的图形功能。本书中所有范例都有图示，一些没有想到的问题，在图片中一目了然。一些问题用多种方法画曲线，验证方法和结果的正确性。例如，竖直上抛运动速度与高度的关系，既可直接用公式画曲线，也可通过参数方程画曲线（见{范例1.5}）。有些问题需要画曲线族，如斜抛运动的射程和射高（见{范例1.6}），用MATLAB编程就大大减少了程序长度（用其他计算机语言往往要用多重循环）。有些问题需要画曲面和等值线以及流线，如带电线段的电场，既画出电场和电势的分布曲面，还画出了电场线和等势线（见{范例9.3}）。有些问题通过动画演示，可形象表示系统的运动过程，如波的干涉的动画（见{范例6.7}）。
3.充分利用MATLAB的数值计算功能。一些复杂的公式，利用MATLAB都很容易计算，如黑体辐射的问题（见{范例14.1}）。有些问题需要求数值导数，如求速度和加速度等问题（见{范例1.1}）。有些问题需要求数值积分，如小球在水中的沉降（见{范例2.5}）。有些问题需要求函数的极值和零点，有些问题需要求解线性方程组。在求动力学方程时往往需要解微分方程，有些问题没有精确的解析解，或者只有复杂的解析解，利用MATLAB的函数可求数值解。例如，对于直杆自然滑倒的规律，只有通过数值解才能显示出来（见{范例4.8}）。又例如，对于单摆在大幅振动时的运动规律，虽然可用特殊函数表示，而通过数值解反映出来最为简单（见{范例5.5}）。
4.充分利用MATLAB的符号运算功能。一些复杂的公式可用MATLAB帮助推导或验证，如对心弹性碰撞公式（见{范例3.3}），相对论完全非弹性碰撞公式（见{范例13.9}），等等。符号导数和符号积分可完成特殊的计算，如黑体辐射中斯特藩常数和维恩常数的计算（见{范例14.1}）。符号积分还能用于检验数值积分的结果，例如，计算直线电荷对共面带电圆弧产生的电场力，积分中要进行变量替换，推导步骤较多，结果可能出错，当符号运算所得出的结果与手工推导的结果相同时，就说明手工推导的正确性（见{范例9.8}）。微分方程的符号解不但可求一般的微分方程（组），更重要的是检验微分方程（组）是否有解析解。
5.尽量发掘MATLAB的系统资源。例如，在计算单摆和圆环复摆的周期中涉及第一类完全椭圆积分，而利用MATLAB的完全椭圆积分函数能够简单地计算结果（见{范例5.5}和{范例5.6}）。又例如，在圆孔衍射和瑞利判据中要计算贝塞尔函数，还要计算函数的零点和极值点，利用MATLAB的贝塞尔函数很容易完成计算（见{范例7.6}）。还例如，在氢原子的角向概率密度中有勒让德函数（包括连带勒让德函数），在MATLAB中可直接调用勒让德函数（见{范例14.9}）。
本书选择的范例主要是与大学基础物理学密切相关的内容。一些大学基础物理中比较难的问题，在本书中用星号*标记。有些问题的数学公式的推导过程涉及较深的物理知识，例如，求飞船的轨迹方程一般要用毕耐方程，本书则采用微分方程的数值解（见{范例3.10}）。有些问题的计算虽然超过了大学基础物理的内容，但是与基本内容有紧密的联系，本书还是选取了，例如，圆孔衍射光强和瑞利判据都要用到贝塞尔函数，用MATLAB却能够简单地计算。又例如，氢原子的电子云图，虽然量子力学的公式比较复杂，而用MATLAB也能够简单地解决。为了减少篇幅，本书每章只选10个范例，有些很好的范例只有忍痛割爱，如卫星的变轨、有限深势阱中粒子的波函数，等等。为了减少篇幅，本书只列出了部分纸质程序，并且将多行指令合并为一行，许多范例只介绍算法，而将程序放在网站中，请读者自行下载，在自己的计算机上执行和解读。
物理学的发展离开计算机是很难想象的，如混沌问题没有计算机的帮助就很难研究下去。我国需要大量同时精通物理学和计算机编程的人才，本书可望为培养这类人才提供一套有效的方法。
利用MATLAB编写可视化大学基础物理教材是教学改进的一种尝试，本书力求填补大学基础物理和MATLAB交叉学科的空白，为提高我国物理教学现代化的水平做出贡献。由于多种因素的影响，本书的缺点和错误很难避免；另外，对范例的选取、对内容的解析和算法还应该有更多、更好的方法，希望读者不吝指教，提出建设性的意见。
本书由湖南大学周群益、刘让苏和长安大学侯兆阳共同编写完成。周群益和刘让苏负责第1章到12章的编写，侯兆阳负责第0章、第13章和第14章的编写。全书由周群益负责策划和统稿，侯兆阳对全书进行了审阅和校对。感谢周期博士，他高超的编程技巧富有启发性；感谢周丽丽博士，她提出了许多具体有益的建议；感谢所有选课的学生，他们为作者的教学实践积累了丰富的经验。特别感谢沈辉奇教授，他的热情推荐为本书的出版创造了条件。还要感谢朱红莲编辑，她的悉心指导使本书的出版成为现实。最后，衷心感谢所有关心和帮助过作者的师生。
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