南邮计算物理实践报告设计.docx

南邮计算物理实践报告设计.docx

《南邮计算物理实践报告设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《南邮计算物理实践报告设计.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

南邮计算物理实践报告设计

南京邮电大学

实　验报告

课程名称：

计算物理实践

专业：

应用物理学

学号：

姓名：

完成日期：

2014年7月

目录

第1章简单物理实验的模拟及实验数据处理………………………1

1.1问题描述…………………………………………………………………1

1.2原理分析…………………………………………………………………1

1.2.1特殊情况…………………………………………………………1

1.2.2一般情况…………………………………………………………3

1.3Matlab程序仿真…………………………………………………………4

1.4Matlab仿真结果…………………………………………………………4

第2章方程组的解…………………………………………………………5

2.1问题描述…………………………………………………………………5

2.2原理分析…………………………………………………………………5

2.2.1迭代公式的建立及其几何意义…………………………………5

2.2.2解题过程…………………………………………………………5

2.3流程图……………………………………………………………………6

2.4Matlab程序仿真…………………………………………………………6

2.5Matlab仿真结果…………………………………………………………6

第3章静电场问题的计算…………………………………………………7

3.1问题描述…………………………………………………………………7

3.2原理分析…………………………………………………………………7

3.3Matlab程序仿真…………………………………………………………9

3.4Matlab仿真结果…………………………………………………………9

第4章热传导方程和波动方程的差分解法…………………………10

4.1问题描述…………………………………………………………………10

4.2原理分析…………………………………………………………………10

4.3解题步骤…………………………………………………………………13

4.4Matlab程序仿真…………………………………………………………13

4.5Matlab仿真结果…………………………………………………………13

第5章矩量法在静电场边值问题计算中的应用……………………16

5.1问题描述…………………………………………………………………16

5.2原理分析…………………………………………………………………16

5.3Matlab程序仿真…………………………………………………………18

5.4Matlab仿真结果…………………………………………………………18

结束语……………………………………………………………………………19

参考文献…………………………………………………………………………20

附录一……………………………………………………………………………21

附录二……………………………………………………………………………22

附录三……………………………………………………………………………23

附录四……………………………………………………………………………25

附录五……………………………………………………………………………26

第一章简单物理实验的模拟及实验数据处理

1.1问题描述

模拟电偶极子的场和等位线。

设在处有电荷，在处有电荷。

那么在电荷所在平面上任何一点的电势和场强分别为，。

其中，。

又设电荷，，。

1.2原理分析

电偶极子是指一对等值异号的点电荷相距一微小距离所构成的电荷系统，它是一种常见的场源存在形式。

1.2.1特殊情况

图

（1）表示中心位于坐标系原点上的一个电偶极子，它的轴线与Z轴重合，两个点电荷q和-q间的距离为L。

此电偶极子在场点P处产生的电位等于两个点电荷在该点的电位之和，即

（1）

其中与分别是q和-q到P点的距离。

图

（1）电偶极子

一般情况下，我们关心的是电偶极子产生的远区场，即负偶极子到场点的距离r远远大于偶极子长度L的情形，此时可以的到电偶极子的远区表达式

（2）

可见电偶极子的远区电位与成正比，与r的平方成反比，并且和场点位置矢量r与z轴的夹角β有关。

为了便于描述电偶极子，引入一个矢量，模为qL，方向由-q指向q，称之为此电偶极子的电矩矢量，简称为偶极矩，记作

（3）

此时

（2）式又可以写成

（4）

电偶极子的远区电场强度可由（4）式求梯度得到。

因电位只是坐标r和β的函数，于是有

（5）

从（4）式和（5）式可以看到，电偶极子的远区电位和电场分别与r的平方和r的三次方成反比。

因此，其电位和场强随距离的下降比单个点电荷更为迅速，这是由于两个点电荷q和-q的作用在远区相互抵消的缘故。

根据（4）式，电偶极子的等电位面方程可由

为定值得到。

将电力线微分方程写成球坐标形式，并注意此时电场只有r和两个分量，则有：

（6）

把电场表达式（5）带入上式，得：

（7）

解上式得：

（8）

式（8）即是电偶极子远区场的电力线方程。

图

（2）绘出了电偶极子为常数的平面内（8）式取不同的常数所对应的等电位线和电场线。

图

（2）电偶极子的场与等电位线

说明：

图中准确的只是电力线的形状，电力线的疏密并不严格与场强成正比，只是疏的地方场强小些，密的地方场强大些而已。

1.2.2一般情况

前面讨论了电偶极子的中点位于坐标系原点且偶极矩方向为Z的情况。

对于中点不在原点和偶极矩非Z的方向的一般情况，通过与前面类似的推导，可以得到远区的电位：

（9）

其中，r是电偶极子中心指向场点P的相对单位位置矢量，偶极矩P=qL，L的方向依然规定为从-q到q。

经推导还可得到远区场的电场强度表达式：

（10）

由上式可以看出，电偶极子的电场线均分布于由r、θ构成的平面上，并且任意一个平面上的电场线分布都相同。

从以上几种不同情况下电偶极子在空间激发的电场结果来看，电场强度与p成正比，与源点到场点的距离成反比，电偶极子在远处的性质是由其电偶极矩来表征的，电偶极矩是电偶极子的重要特征。

设电荷所在平面上任意一点的电势为

（11）

其中

（12）

因此，只要给定空间任意一点的位置坐标P（x，y），就可以算出这一点的电位。

1.3Matlab程序设计仿真

源程序见附录一

1.4Matlab仿真结果

第二章方程组的解法

2.1问题描述

用牛顿法解方程，精度自设。

2.2原理分析

2.2.1迭代公式的建立及其几何意义

（1）建立公式

将在点Taylor展开

——Taylor展开线性化

近似于

解出x记为，则（n=0,1,2．．．．）

（2）几何意义

过切线与求交点，解出，则

2.2.2解题过程

令，有，那么根据Newton迭代法建立迭代公式

2.3流程图

2.4Matlab程序设计仿真

源程序见附录二

2.5Matlab仿真结果

x=0.5671

第三章静电场问题的计算

3.1问题描述

长直接地金属槽，如图3-2所示，其侧壁和底面电位为零，顶盖电位为，求槽内电位，并绘出电位分布图。

3.2原理分析

（1）原理分析：

二维拉普拉斯方程

（1）

有限差分法的网格划分，通常采用完全有规律的分布方式，这样可使每个离散点上得到相同形式的差分方程，有效的提高解题速度，经常采用的是正方形网格划分。

设网格节点（i,j）的电位为，其上下左右四个节点的电位分别为在h充分小的情况下，可以为基点进行泰勒级数展开：

把以上四式相加，在相加的过程中，h的所有奇次方项都抵消了。

得到的结果的精度为h的二次项。

（2）

由于场中任意点都满足泊松方程：

式中为场源，则式

（2）可变为：

（3）

对于无源场，，则二维拉普拉斯方程的有限差分形式为：

（4）

上式表示任一点的电位等于围绕它的四个等间距点的电位的平均值，距离h越小则结果越精确，用式（4）可以近似的求解二维拉普拉斯方程。

边界条件：

（2）解题过程：

在直角坐标系中，金属槽中的电位函数满足拉普拉斯方程：

其边界条件满足混合型边值问题的边界条件：

取步长，方向上的网格数为，共有160个网孔和个节点，其中槽内的节点（电位待求点）有个，边界节点52个，设迭代精度为，利用MATLAB编程求解。

3.3Matlab程序设计仿真

源程序见附录三

3.4Matlab仿真结果

第四章热传导方程和波动方程的差分解法

4.1问题描述

求有限空间内的热传导问题：

　的数值解，边界条件如教材中图9.2所示，其他参数可以自取，将计算结果图形化。

4.2原理分析

二维热传导方程的初、边值混合问题与一维的类似，在确定差分格式并给出定解条件后，按时间序号分层计算，只是每一层是由二维点阵组成，通常称为网格。

内部无热源均匀介质中二维热传导方程为：

（）

（1）

其初始条件为：

（2）

现在设时间步长为，空间步长为,如图9.3所示，将平面均分为的网格，并使则有：

对节点，在时刻（即时刻）有：

（3）

将差分格式（3）代入偏微分方程

（1）中，可得：

（4）

式中

式（4）为二维热传导方程的显式差分格式，运用式（4）和边界条件就可以由初始条件逐次计算出任意时刻温度的分布。

下面讨论边界条件：

如图9.3所示阴影部分，即在边界的和区域以及整个，边界均为绝热壁；而在边界的区域为与恒温热源相连的口。

和两边界温度始终为0，实际上也是与恒温源相连的。

也就是说，对于绝热壁应满足：

（）

（）

上述边界条件的差分近似式为：

即：

（）

（）（5）

对于与恒温源相连的边界，在热传导过程中始终有恒定的热流，常可取归一化值，例如高温热源可取“1”，而低温热源可取“0”。

按图9.3的情况，边界条件还有：

综合上述初值、边值混合问题，并设初始时刻各点温度均为零，则上述差分格式可归纳为：

（6）

可以证明，对于二维热传导方程，若满足

则差分格式式（4）或式（6）就是稳定的差分格式，一般的讲，对于n维抛物线型微分方程差分格式稳定的充分条件是：

4.3解题步骤

1.给定、、和以及和，题目中已知，，的值分别取0s,10s,100s，120s，150s，200s和1000s，和取18和16；

2.计算为36；为32；为0.05；的上界；

3.计算初值和边值：

；；；

；；

4.用差分格式计算；

4.4Matlab程序设计仿真

源程序见附录四

4.5Matlab仿真结果

通过Matlab画出0s到1000s之间的一些温度场的分布图，如下图4.1—图4.7分别为0s,10s,100s,120s,150s,200s,1000s的温度场分布图。

结论：

很明显可以看出，温度呈整体下降的趋势。

由于低温热源的范围比高温热源的更大，所以热量的流入大于流出。

可以断定，只要时间足够长，整个温度场除高温热源外，其他地方的温度都要与低温热源相同（设为0）。

1000s时，如图4.7所示的场分布与无限长时间之后的场分布就已经很接近了。

图4.10s时的场分布

图4.210s时的场分布

图4.3100s时的场分布

图4.4120s时的场分布

图4.5150s时的场分布

图4.6200s时的场分布

图