用“科學(xué)筆記本”做物理研究求解問(wèn)題的一種方法

Gallant+Joseph

隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的迅速發(fā)展和價(jià)格的急劇下降，硬件和軟件的應(yīng)用在科學(xué)研究和高等教育領(lǐng)域普及程度日益提高。其中，集數(shù)值計(jì)算、解析運(yùn)算和圖形能力為一身而且能與文字處理自然結(jié)合的計(jì)算機(jī)代數(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用，一直受到人們的廣泛關(guān)注。諸如Maple、Mthematica、Matlab、Mathcad等著名軟件的應(yīng)用能力和使用范圍的逐步擴(kuò)展，已經(jīng)成為科學(xué)研究和高等教育不可或缺的日常工具，大大促進(jìn)了科研工作的開(kāi)展，有力地提高了教學(xué)效果，受到了科技工作者和高等學(xué)校師生的普遍歡迎。

本書(shū)向讀者詳細(xì)地介紹了一種在物理學(xué)教學(xué)中采用的計(jì)算機(jī)代數(shù)語(yǔ)言軟件：科學(xué)筆記本（Scientific Notebook 縮寫SNB）。作者認(rèn)為，物理學(xué)是一種最基礎(chǔ)的科學(xué)，其他的科學(xué)都是在這個(gè)框架下建立起來(lái)的。一旦懂得了物理學(xué)的基本原理，理解其他的科學(xué)就容易了。作者希望本書(shū)發(fā)展的一些思考和求解問(wèn)題的技巧，將會(huì)對(duì)讀者任何其他的工作有所幫助?？紤]到在學(xué)習(xí)和應(yīng)用物理學(xué)知識(shí)的過(guò)程中，大部分工作都是在從事一些技術(shù)或科學(xué)計(jì)算，然后書(shū)寫報(bào)告。代數(shù)軟件SNB可以看作是一個(gè)小的實(shí)用工具，它能把繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算與文字處理結(jié)合在一起，很方便地幫助讀者完成這些任務(wù)。

本書(shū)的目的是教給大學(xué)師生如何使用SNB 這個(gè)軟件求解物理問(wèn)題。SNB是一個(gè)強(qiáng)有力的、而又很容易使用的計(jì)算機(jī)代數(shù)系統(tǒng)，價(jià)錢便宜但有足夠的能力處理所有的大學(xué)水平的物理問(wèn)題。人們可以把它真的作為一個(gè)科學(xué)筆記本來(lái)使用。用它設(shè)定物理與數(shù)學(xué)問(wèn)題，寫出并求解這些問(wèn)題，分析和討論所得的結(jié)果。就像用普通的紙和筆一樣用它來(lái)在計(jì)算機(jī)上思考和寫作，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)代數(shù)交互系統(tǒng)的能力。

作者嘗試挑選了一些有教學(xué)價(jià)值的典型物理問(wèn)題，證明SNB 軟件的好處。涵蓋的問(wèn)題多取自作者教學(xué)與科研工作，有些源于問(wèn)題本身的興趣。有些問(wèn)題在課堂上完成不了，原因之一是數(shù)學(xué)較難，另一原因是很耗時(shí)間。一旦對(duì)于簡(jiǎn)單例題搞懂了，就可以把這些更復(fù)雜的和實(shí)用的數(shù)學(xué)上困難而又耗費(fèi)時(shí)間的問(wèn)題都交給SNB去完成。

當(dāng)然，物理學(xué)不是數(shù)學(xué)。物理學(xué)家基于一些物理學(xué)基本原理，創(chuàng)建包含物理量的方程，以期描寫和解釋物理現(xiàn)象。數(shù)學(xué)幫助我們求解這些方程。SNB可以幫助我們克服一些數(shù)學(xué)困難。

在第一章作者詳細(xì)地介紹了SNB軟件。作者認(rèn)為，要了解其特色并學(xué)會(huì)它，必須親手探討和使用它。該軟件有很豐富的自帶的幫助系統(tǒng)，幫助用戶直接使用軟件。其后幾章遵照大學(xué)基礎(chǔ)物理課程，介紹一些有趣的問(wèn)題，顯示SNB的能力和用途，不斷地提高你的應(yīng)用技巧。

全書(shū)內(nèi)容共分12章：1. SNB介紹；2. 一維運(yùn)動(dòng)學(xué)； 3. 矢量； 4. 拋體運(yùn)動(dòng)； 5. 牛頓運(yùn)動(dòng)定律；6. 守恒定律； 7. 圓周運(yùn)動(dòng)； 8. 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)；9. 中心力；10. 流體； 11. 溫度和熱；12. 狹義相對(duì)論。此外，書(shū)末附有兩個(gè)附錄，它們是：附錄A . 經(jīng)典物理中的一些課題；附錄B.現(xiàn)代物理的一些課題。它們不是傳統(tǒng)的大學(xué)物理學(xué)課程的典型內(nèi)容。但是無(wú)疑是有趣的和重要的，而且能充分展示SNB軟件的應(yīng)用能力

本書(shū)的特點(diǎn)是：1.易讀；2. 提供了使用SNB求解物理問(wèn)題的一步一步的指令；3. 幾乎每一個(gè)部分都給出許多特殊的例子，用以提高讀者的理解和提供關(guān)于使用SNB的詳細(xì)例證； 4. 遵循傳統(tǒng)的物理課程安排，所以它可以用來(lái)補(bǔ)充本科物理學(xué)的各級(jí)教學(xué)；5. 包括很多習(xí)題和問(wèn)題，源自作者的課堂筆記和研究工作。

本書(shū)讀者對(duì)象為物理和工程類本科大學(xué)生。為了幫助讀者閱讀和使用本書(shū)，作者提供了一個(gè)網(wǎng)址：http：//booksupport.wiley.com/ 。在那里可以查到本書(shū)的電子版和題解手冊(cè)，以及包含本書(shū)所有圖形的PPT文件。

丁亦兵，教授

（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)）endprint