用“科学笔记本”做物理研究求解问题的一种方法

Gallant+Joseph

随着计算机硬件和软件的迅速发展和价格的急剧下降，硬件和软件的应用在科学研究和高等教育领域普及程度日益提高。其中，集数值计算、解析运算和图形能力为一身而且能与文字处理自然结合的计算机代数系统的应用，一直受到人们的广泛关注。诸如Maple、Mthematica、Matlab、Mathcad等著名软件的应用能力和使用范围的逐步扩展，已经成为科学研究和高等教育不可或缺的日常工具，大大促进了科研工作的开展，有力地提高了教学效果，受到了科技工作者和高等学校师生的普遍欢迎。

本书向读者详细地介绍了一种在物理学教学中采用的计算机代数语言软件：科学笔记本（Scientific Notebook 缩写SNB）。作者认为，物理学是一种最基础的科学，其他的科学都是在这个框架下建立起来的。一旦懂得了物理学的基本原理，理解其他的科学就容易了。作者希望本书发展的一些思考和求解问题的技巧，将会对读者任何其他的工作有所帮助。考虑到在学习和应用物理学知识的过程中，大部分工作都是在从事一些技术或科学计算，然后书写报告。代数软件SNB可以看作是一个小的实用工具，它能把繁琐的数学运算与文字处理结合在一起，很方便地帮助读者完成这些任务。

本书的目的是教给大学师生如何使用SNB 这个软件求解物理问题。SNB是一个强有力的、而又很容易使用的计算机代数系统，价钱便宜但有足够的能力处理所有的大学水平的物理问题。人们可以把它真的作为一个科学笔记本来使用。用它设定物理与数学问题，写出并求解这些问题，分析和讨论所得的结果。就像用普通的纸和笔一样用它来在计算机上思考和写作，充分发挥计算机代数交互系统的能力。

作者尝试挑选了一些有教学价值的典型物理问题，证明SNB 软件的好处。涵盖的问题多取自作者教学与科研工作，有些源于问题本身的兴趣。有些问题在课堂上完成不了，原因之一是数学较难，另一原因是很耗时间。一旦对于简单例题搞懂了，就可以把这些更复杂的和实用的数学上困难而又耗费时间的问题都交给SNB去完成。

当然，物理学不是数学。物理学家基于一些物理学基本原理，创建包含物理量的方程，以期描写和解释物理现象。数学帮助我们求解这些方程。SNB可以帮助我们克服一些数学困难。

在第一章作者详细地介绍了SNB软件。作者认为，要了解其特色并学会它，必须亲手探讨和使用它。该软件有很丰富的自带的帮助系统，帮助用户直接使用软件。其后几章遵照大学基础物理课程，介绍一些有趣的问题，显示SNB的能力和用途，不断地提高你的应用技巧。

全书内容共分12章：1. SNB介绍；2. 一维运动学； 3. 矢量； 4. 抛体运动； 5. 牛顿运动定律；6. 守恒定律； 7. 圆周运动； 8. 简谐运动；9. 中心力；10. 流体； 11. 温度和热；12. 狭义相对论。此外，书末附有两个附录，它们是：附录A . 经典物理中的一些课题；附录B.现代物理的一些课题。它们不是传统的大学物理学课程的典型内容。但是无疑是有趣的和重要的，而且能充分展示SNB软件的应用能力

本书的特点是：1.易读；2. 提供了使用SNB求解物理问题的一步一步的指令；3. 几乎每一个部分都给出许多特殊的例子，用以提高读者的理解和提供关于使用SNB的详细例证； 4. 遵循传统的物理课程安排，所以它可以用来补充本科物理学的各级教学；5. 包括很多习题和问题，源自作者的课堂笔记和研究工作。

本书读者对象为物理和工程类本科大学生。为了帮助读者阅读和使用本书，作者提供了一个网址：http：//booksupport.wiley.com/ 。在那里可以查到本书的电子版和题解手册，以及包含本书所有图形的PPT文件。

丁亦兵，教授

（中国科学院大学）endprint