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出版者:西北工业大学出版社

作者:何春娟

出品人:

页数:214

译者:

出版时间:2004-9

价格:15.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787561218358

丛书系列:

图书标签:

• 大学物理
• 物理实验
• 实验教程
• 高等教育
• 理工科
• 物理学
• 教学参考
• 实验指导
• 本科
• 大学教材

创新与实践的交汇点：现代工程基础理论与应用导论 内容简介 本书旨在为初涉理工科领域的学生提供一个全面、深入且富有实践导向的工程基础理论框架。我们跳脱出传统教材中孤立讲解各个学科分支的窠臼，着重于展现物理学、数学和工程科学如何在一个统一的、解决实际问题的体系中相互交织、彼此支撑。本书的视角是前瞻性的，聚焦于当前工业界和前沿科研领域对复合型人才的核心需求，即跨学科的分析能力和基于第一性原理的创新设计能力。 全书内容结构设计为“理论基石—模型构建—仿真验证—工程实现”的递进路径，共分为七个核心模块，辅以大量详实的案例分析和动手项目建议。 --- 第一部分：现代工程问题的数学建模基石（Foundations of Mathematical Modeling for Engineering） 本部分是全书的理论核心，强调如何将复杂的物理现象转化为可解的数学语言。我们不局限于微积分的常规应用，而是引入了更贴近现代工程计算的工具箱。 1. 向量空间与张量基础：超越三维欧氏空间，探讨高维向量空间在数据科学和机器学习中的潜在映射。重点讲解如何利用张量分析来描述材料的各向异性（如应力、应变、电磁介质的介电常数），并给出在有限元分析（FEA）预处理中的实际应用实例。 2. 非线性动力学与混沌理论初步：介绍相空间、李雅普诺夫指数等关键概念，解释简单系统（如双摆、洛伦兹吸引子）如何表现出复杂行为。这为理解实际工程中的振动、湍流以及气候模型等不可预测性打下基础。我们着重探讨如何通过降阶模型（如模态分析）来控制和简化非线性系统的分析难度。 3. 概率论与随机过程的工程视角：区别于统计学描述，本章侧重于随机过程在信号处理、可靠性工程中的应用。详细介绍马尔可夫链、布朗运动在金融建模和噪声分析中的作用，并引入贝叶斯推断方法，用于在数据不完全或存在测量误差时进行最优估计。 --- 第二部分：物质的尺度效应与量子工程（Material Scale Effects and Quantum Engineering） 本部分将视角从宏观力学和电磁学拉回到微观尺度，探讨物质在纳米尺度和极端条件下的新颖行为，并引导学生思考如何利用这些特性进行器件设计。 4. 固体物理与能带理论的直观理解：用晶体结构和晶格振动（声子）的概念，解释金属、半导体和绝缘体的基本区分。重点讨论费米能级和导带、价带的相对位置如何决定材料的光电响应特性。 5. 半导体器件物理与集成电路的物理极限：深入分析PN结、MOSFET的基本工作原理，并探讨摩尔定律的物理瓶颈。本章引入了载流子输运理论（漂移-扩散方程），并结合现代电子学中的隧道效应和量子限制效应，展望下一代晶体管的可能形态。 6. 先进功能材料的电磁响应：探讨超材料（Metamaterials）和拓扑绝缘体的基本概念。通过麦克斯韦方程组在结构化介质中的修正形式，解释如何设计具有负折射率或拓扑保护态的材料，这对于未来隐身技术和高效能传感器至关重要。 --- 第三部分：信息、控制与系统优化（Information, Control, and System Optimization） 现代工程系统的核心在于如何有效地处理信息、实现精确控制并达到最优性能。 7. 经典控制理论的重构与数字实现：从拉普拉斯变换到状态空间模型，本章系统梳理线性系统的稳定性分析（Routh-Hurwitz判据、Bode图）。强调数字控制的引入，如Z变换，并讨论采样率对系统性能的影响。 8. 现代控制与最优估计：引入卡尔曼滤波（Kalman Filter）作为核心工具，讲解如何在存在过程噪声和测量噪声的情况下，对系统状态进行最优线性无偏估计。这在导航、目标跟踪和复杂机器人控制中具有不可替代的地位。 9. 系统辨识与自适应控制：超越已知的系统参数，本章探讨如何利用输入/输出数据来“学习”或“辨识”未知系统的模型（黑箱模型）。进而介绍PID控制器的自动整定（Auto-tuning）和自适应控制的基本思想，实现系统对环境变化的鲁棒性。 --- 第四部分：计算方法与工程仿真实践（Computational Methods and Engineering Simulation） 理论知识必须通过可靠的计算工具进行验证和深化。本部分侧重于计算工具背后的数学原理和适用性判断。 10. 偏微分方程的数值解法导论：详细介绍有限差分法（FDM）和有限元法（FEM）的核心思想。重点对比二者在处理复杂几何边界和非均匀材料时的优劣。以热传导方程和泊松方程为例，展示如何建立离散方程组。 11. 计算流体力学（CFD）的基础与挑战：介绍纳维-斯托克斯方程的守恒形式，并讲解如何使用有限体积法（FVM）进行离散化。探讨湍流模型（如RANS）的基本假设，以及网格生成和收敛性诊断在CFD工作流中的关键作用。 12. 优化算法在工程设计中的应用：介绍梯度下降法、牛顿法等局部优化方法，并引出遗传算法、粒子群优化等全局随机搜索方法。重点讨论如何将多目标优化（如成本、重量、性能之间的权衡）转化为可操作的工程决策。 --- 结语：面向未来的工程师素养 本书的最终目标是培养学生将知识融会贯通的能力。我们提供的不是一套孤立的公式集，而是一套解决未知问题的思维框架。每一章的案例都力求展示当代工程师在解决能源、交通、医疗和信息技术领域挑战时所必须具备的跨学科视野和计算素养。学习本书后，学生应能自信地阅读前沿研究论文，并能独立设计和验证一个基于物理模型的工程系统。

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这本《大学物理实验教程》的排版和印刷质量简直是一场灾难，铜版纸的泛光让我眯着眼睛才能勉强看清图表的细节，特别是那些对精度要求极高的电路图和光学布局图，灰度过渡模糊不清，仿佛是用最廉价的喷墨打印机赶出来的样品。更别提那些理论部分的文字了，字号小得可怜，间距也极其紧凑，初次阅读时，我感觉自己不是在学习物理，而是在进行一场与视力的极限挑战。好不容易翻到实验步骤部分，那些描述性的文字也充满了模棱两可的术语，比如“适当调整旋钮直至读数稳定”，这个“适当”到底是个什么范围？对于首次接触精密仪器的学生来说，这无异于在黑暗中摸索开关，让人极度沮丧。配套的软件部分，说明文档的翻译更是令人啼笑皆非，很多关键的函数名称和错误代码都保留了生硬的俄语或德语直译，完全没有考虑到中文读者的理解习惯，以至于我们在实际操作中，光是配置数据采集软件就浪费了大半个下午的时间，实验进度被严重拖后腿，这本教材在基础的工程美学和用户体验设计上，完全是负分滚粗。

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关于实验器材的描述部分，简直就是一场关于“你永远也找不到它们”的噩梦。教材中列出的绝大多数仪器，例如高真空油泵、老式示波器（模拟型的，而非数字存储型），以及那些需要精确对中的复杂光学平台，在多数高校的普通物理实验室中，早已被更稳定、更易操作的固态电子设备或模块化系统所取代。如果硬要按照书上的指示去寻找那些老旧、维护不善甚至已经报废的仪器，学生们不仅要浪费大量时间进行设备调试，甚至可能因为器材性能不稳定而无法完成实验。更令人恼火的是，对于那些现代化的、更容易获取的替代方案，比如使用Arduino或树莓派进行数据采集和控制的描述，这本书完全是只字未提，仿佛我们身处的实验室是一个时间静止的空间。这种脱离实际教学环境的编写方式，暴露了编者与一线教学实践的巨大鸿沟，使得这本书的实用价值大打折扣，更像是一份历史文献而非教学工具。

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我花了整整一个周末试图消化完其中关于误差分析与数据处理的章节，结果感觉自己的脑子被塞进了一个充满矛盾和陈旧观点的迷宫。这本书似乎停留在上个世纪八十年代的教学理念，对于现代物理实验中普遍采用的最小二乘法、蒙特卡洛模拟以及高斯不确定度传播等核心工具，讲解得极其肤浅和过时。它反复强调的“手工计算”和使用对数尺的场景，在当下这个人人手持高性能计算器和专业数据分析软件的时代，显得无比滑稽和不切实际。更有甚者，它对系统误差和随机误差的区分处理方式，充满了武断和教条主义，没有任何对实验设计环节中如何从源头上规避系统误差的深入探讨。当实际操作中遇到非标准化的测量误差时，书本提供的那些公式像是一堆束之高阁的古董，根本派不上任何用场，这让我严重怀疑编者是否真正理解现代科学研究对数据严谨性的要求，对于志在深入科研领域的学生来说，这本书的理论深度和实用性是严重不足的，简直是在误导我们对科学方法的认知。

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这本《教程》在实验项目选择上的陈旧保守，简直让人感到呼吸困难。翻开目录，映入眼帘的依然是那些祖传级别的实验：空气中声速的测定、用单摆测定重力加速度、分立元件的伏安特性曲线……这些项目或许在几十年前具有基础教学意义，但在当前的前沿物理教育语境下，它们显得如此的苍白无力。我们需要的，是能接触到量子光学、半导体器件特性、或者至少是现代传感器技术（如MEMS加速计）的实验。然而，这本书里对这些新技术的提及寥寥无几，即使有，也仅仅是一带而过的附录，缺乏详细的操作指南和背后的物理原理分析。这导致我们在实验室里，感觉自己像是在重演爷爷辈的物理课，学到的技能点完全无法与当前研究生甚至本科生前沿课程的要求接轨。这种缺乏创新和前瞻性的内容设置，极大地扼杀了学生对物理实验的探索热情，让原本充满活力的实验课变成了一种僵硬的、例行公事的体力劳动，实在是辜负了大学教育的宝贵资源。

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这本《教程》的语言风格极其晦涩，充满了学院派的傲慢和不必要的术语堆砌，使得它完全不具备作为一本“教程”应有的亲和力。很多关键概念的引入，不是通过直观的物理图像或日常现象类比来铺垫，而是直接抛出复杂的数学公式，要求读者自行“领悟”其背后的物理意义。例如，在解释布拉格衍射的相干条件时，作者使用了大量晦涩的向量代数和复杂的几何关系，却鲜有清晰的图示来辅助理解，以至于我反复阅读了几遍，仍然无法在脑海中构建出一个清晰的物理画面。此外，大量的“注”和“附注”散落在章节的不同角落，信息零碎且难以检索，使得知识体系不成体系，读起来缺乏连贯性。一本好的教材应该像一位耐心的导师，循循善诱，而这本书则更像是一位高高在上的教授，用他认为理所当然的方式丢出知识点，留给读者的只有困惑和挫败感，完全没有起到引导和启发的作用。

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