Компьютерное моделирование задач молекулярной физики. Учебное пособие

Предлагаемые читателю учебное пособие и программный комплекс по молекулярной физике позволят провести с помощью компьютера до полутора десятков различных экспериментов по курсу молекулярной физики. Компьютер при этом выступает в роли экспериментальной установки для проведения физических опытов. Опыты, в отличие от тех, что проводятся в обычной физической лаборатории, где мы задаём вопрос непосредственно природе и получаем от неё ответ в виде результата эксперимента, ставятся над соответствующей математической моделью явления, т. е. над системой уравнений второго закона Ньютона, описывающих движение большого числа взаимодействующих частиц. Компьютер, в соответствии с заложенным в него алгоритмом, производит численное решение этой системы уравнений. Условия эксперимента, как и его содержание, определяет пользователь комплекса. Важно при этом, что компьютер не знает законов молекулярной физики, он только решает уравнения второго закона Ньютона для системы взаимодействующих частиц. Мы наблюдаем с помощью компьютера за движением системы частиц. Меняя условия эксперимента, получаем различные состояния этой системы твёрдое, жидкое, газообразное. Мы можем провести различные процессы в этой системе, такие как процессы в газах с изменением объёма и/или температуры, плавление твёрдого тела с превращением его в жидкость, испарение жидкости, адиабатическое расширение газа с последующей конденсацией газа в жидкость и т. п. В пособии, помимо детального обсуждения основных понятий молекулярной физики, подробно обсуждаются численные алгоритмы, используемые для моделирования соответствующих процессов, доступная в компьютерных экспериментах точность получаемых результатов. Книга и программный комплекс могут быть полезны как преподавателям физики вузов и школ, так и учащимся, от школьников старших классов до студентов университетов.