目前，物理學(xué)的研究大致形成了三種方式： 理論物理、實(shí)驗(yàn)物理和計(jì)算物理。通常情況下，大學(xué)物理課程傳授的是前兩種方式，第三種方式的教學(xué)還沒有普遍開展。這種情況正在逐漸改變，原因來(lái)自兩個(gè)方面： 一是三種研究方式趨于綜合才能更好地解決物理問題，深入的計(jì)算已經(jīng)不可或缺； 二是計(jì)算機(jī)已經(jīng)普及，諸多計(jì)算軟件已經(jīng)很成熟，適時(shí)將計(jì)算物理從選修課升級(jí)為物理學(xué)專業(yè)的必修課已經(jīng)具備了條件。
　　本書以Mathematica為計(jì)算工具，借助于研究一系列物理問題，試圖向讀者展示物理計(jì)算的方法，如何通過計(jì)算更好地理解物理學(xué)，計(jì)算如何能成為學(xué)習(xí)物理學(xué)的新方式，以及為大學(xué)物理教學(xué)更好地引入計(jì)算手段提供一些方法和素材。通過學(xué)習(xí)本書，讀者可以樹立物理計(jì)算的概念，確信計(jì)算可以解決很多問題，計(jì)算的機(jī)會(huì)無(wú)處不在。本書各章內(nèi)容分述如下。
　　第1、2章著重介紹了Mathematica的語(yǔ)法、函數(shù)和一些典型數(shù)學(xué)問題的求解方法，為讀者認(rèn)識(shí)該軟件的特點(diǎn)和用法打好基礎(chǔ)。在隨后的各章中按照物理學(xué)的領(lǐng)域分別研究了擺動(dòng)、振動(dòng)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、量子、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)以及物理實(shí)驗(yàn)方面的一些問題，表明這些方面是如何借助于計(jì)算軟件的幫助而展開和深入下去的，為讀者打開更廣泛的視野。
　　第3章詳細(xì)研究了單擺問題，這個(gè)模型作為一個(gè)內(nèi)涵豐富的“道具”，可以為讀者從問題的提出、模型建立到Mathematica函數(shù)使用和計(jì)算結(jié)果的分析與表達(dá)，樹立范本。結(jié)合單擺的研究，還就計(jì)算誤差的發(fā)現(xiàn)方法和減小措施進(jìn)行了探討，這是做好數(shù)值計(jì)算必須要了解的。在考慮了地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)之后，單擺就成了傅科擺，該章對(duì)傅科擺進(jìn)行了詳細(xì)的分析和仿真，讓讀者體會(huì)物理模型從過于理想化到接近真實(shí)的演變過程。
　　第4章研究了受迫振動(dòng)問題和一維振動(dòng)鏈問題，通過解析分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方式充分展示了受迫振動(dòng)的特點(diǎn)，以及多體振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)“合作運(yùn)動(dòng)”的現(xiàn)象，說明對(duì)耦合問題的分析應(yīng)該著眼于“合作運(yùn)動(dòng)”模式的探尋而不是單個(gè)個(gè)體的運(yùn)動(dòng)，后者已經(jīng)退居次要地位，而探尋“合作模式”的有效工具是FFT。
　　第5章重點(diǎn)研究了一些情形下的靜電場(chǎng)計(jì)算和描繪問題，以電聚焦問題為例，介紹靜電場(chǎng)計(jì)算的數(shù)值方法，包括各種經(jīng)典迭代方法，以及如何利用Mathematica的插值功能將數(shù)值計(jì)算的結(jié)果延拓成連續(xù)的函數(shù)，從而可以計(jì)算電子的運(yùn)動(dòng)，揭示電極聚焦的可能性。該章還簡(jiǎn)單研究了兩個(gè)“動(dòng)電”即電路問題，其方法和結(jié)果都有借鑒價(jià)值。
　　第6章研究了若干情形下磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算和磁場(chǎng)的描繪，詳細(xì)討論了能捕獲原子的磁阱、長(zhǎng)直螺線管、橢球螺線管以及三相輸電線路截面上的磁場(chǎng)分布，這些結(jié)果既有學(xué)術(shù)價(jià)值也對(duì)實(shí)際使用磁場(chǎng)有參考作用。該章的另一個(gè)部分是研究了帶電粒子在磁場(chǎng)里的運(yùn)動(dòng)，包括動(dòng)量譜儀的設(shè)計(jì)和粒子的運(yùn)動(dòng)、同步加速器中對(duì)粒子軌道的約束以及磁鏡對(duì)粒子的約束，這為讀者了解更多的磁場(chǎng)類型和使用會(huì)有啟發(fā)。
　　第7章借助于光線方程，研究了光線在光纖里的傳播，介紹了折射率躍變界面上光線追跡的理論，由此討論了光線經(jīng)過透鏡的傳播問題，形象地解釋了像差的形成，并由此探討了組合透鏡消色差的問題，這些結(jié)果具有重要的教學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。本章還詳細(xì)研究了棱鏡實(shí)驗(yàn)的模擬分析，以及如何從光路計(jì)算的角度求解傳統(tǒng)幾何光學(xué)中一些題目的問題，也很有啟發(fā)性。本章最后模擬了光的衍射，包括隨機(jī)分布孔的衍射。
　　第8章討論了量子態(tài)的疊加導(dǎo)致新能級(jí)的形成和微擾計(jì)算的有效性問題，重點(diǎn)發(fā)展了一維散射問題“倒算法”和一維本征值問題“初值解法”的理論，導(dǎo)出了諸如共振隧道穿透問題以及復(fù)雜勢(shì)函數(shù)模型下本征值問題計(jì)算的一般方法，并以此證明了周期性勢(shì)場(chǎng)中粒子能級(jí)會(huì)分裂成能帶。該章很有特色，可以為讀者學(xué)習(xí)量子力學(xué)提供借鑒。
　　第9章介紹了概率和統(tǒng)計(jì)分析的概念與計(jì)算方法，為讀者進(jìn)行隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算奠定基礎(chǔ)，接著模擬了氣體分子的碰撞過程和趨向熱平衡的問題，所設(shè)計(jì)的算法成功地將器壁對(duì)氣體分子動(dòng)量分布的影響考慮進(jìn)來(lái)，推進(jìn)了對(duì)碰撞問題的認(rèn)識(shí)。該章還模擬了布朗運(yùn)動(dòng)和樹葉的擺動(dòng)，所得到的結(jié)論也很有啟發(fā)性。
　　第10章通過深入計(jì)算，重點(diǎn)研究了實(shí)驗(yàn)誤差分析如何指導(dǎo)選取合適的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)條件，從而提高實(shí)驗(yàn)精度的問題，大大超越了傳統(tǒng)誤差教學(xué)僅在實(shí)驗(yàn)之后去計(jì)算誤差的做法。
　　本書在眾多物理問題的研究中，大量使用了Mathematica的函數(shù)，以及各種算法和技巧，并編寫了大量的程序，可以供讀者學(xué)習(xí)和模仿。書中相關(guān)程序請(qǐng)到清華大學(xué)出版社網(wǎng)站下載（網(wǎng)址： www.tup.com.cn，搜索本書書名網(wǎng)頁(yè)）。選用本書作為計(jì)算物理教材和參考書的大學(xué)生、研究生、物理教師(包括中學(xué)物理教師)、科研人員，以及物理愛好者們，若能從書中汲取一些有益的營(yíng)養(yǎng)，作者就非常欣慰了。
　　我要感謝本書所引用文獻(xiàn)的作者們，他們?cè)诓煌�的方面給予了本人幫助和啟發(fā)。特別要感謝的是Mathematica的研制者們，本書如果有某些成就，也有他們的一份貢獻(xiàn)。寫作過程中得到夫人崔秀芝的悉心照料，她同時(shí)也修正了原稿中那些不當(dāng)?shù)挠迷~和疏漏之處。
　　本書的編寫得到清華大學(xué)出版社編審人員的指導(dǎo)，在此一并致以衷心感謝！
　　讀者在使用本書時(shí)若遇到問題，可以通過郵箱qfdongjian@163.com與作者聯(lián)系，歡迎交流。在第1版發(fā)行期間，我收到了大量讀者的來(lái)信，有學(xué)生，也有老師，所提出的問題各種各樣，這是促使作者盡快重寫此書的動(dòng)力之一。在此，再次希望你們批評(píng)指正，以共同推動(dòng)計(jì)算物理教學(xué)和研究的發(fā)展。
　　董鍵
　　2013年4月