SciPy - 常量

SciPy 中的 scipy.constants 模块提供了物理和数学常量的综合集合。这些常量在科学计算和工程应用中非常宝贵，能确保准确性和一致性。

访问常量

可以从 scipy.constants 直接导入并使用常量。与标准库（如 math）相比，SciPy 的目标是为这些常量提供更高的精度（如果适用），尽管对于像圆周率 pi 这样的基本常量，由于标准化它们通常是等效的。

让我们比较 scipy.constants 和 Python 内建的 math 模块中 ‘pi’ 的值：

import scipy.constants
import math

# Accessing pi from scipy.constants
scipy_pi = scipy.constants.pi

# Accessing pi from math module
math_pi = math.pi

print(f"scipy.constants.pi: {scipy_pi:.16f}")
print(f"math.pi:            {math_pi:.16f}")

上面的程序通常会产生以下输出，显示 pi 具有相同的精度：

scipy.constants.pi: 3.1415926535897931
math.pi:            3.1415926535897931

可用常量

SciPy 提供了各种各样的常量。以下是一些常见的类别和示例。

数学常量

这些包括基本的数学数字。

常量名称	描述
`pi`	圆周率 (π)
`golden` 或 `golden_ratio`	黄金比例, (1 + sqrt(5))/2

物理常量

大量精确测量的物理常量。scipy.constants.physical_constants 中的每个物理常量都是一个元组：(value, unit, uncertainty)。

`physical_constants` 中的键（示例）	描述
`'speed of light in vacuum'`	光速 (c)
`'Planck constant'`	普朗克常数 (h)
`'Newtonian constant of gravitation'`	引力常数 (G)
`'elementary charge'`	基本电荷 (e)
`'molar gas constant'`	摩尔气体常数 (R)
`'Avogadro constant'`	阿伏伽德罗常数 (N_A)
`'Boltzmann constant'`	玻尔兹曼常数 (k)
`'electron mass'`	电子质量 (m_e)
`'proton mass'`	质子质量 (m_p)
`'neutron mass'`	中子质量 (m_n)

访问物理常量的示例：

import scipy.constants

# Get the data for the speed of light
c_data = scipy.constants.physical_constants['speed of light in vacuum']
value, unit, uncertainty = c_data

print(f"Speed of light: {value} {unit}")
print(f"Uncertainty: {uncertainty}")

输出：

Speed of light: 299792458.0 m s^-1
Uncertainty: 0.0

单位和前缀

scipy.constants 还提供 SI 前缀和常用单位的转换因子。

前缀/单位名称	值 (SI 因子或定义)
`milli`	1e-3
`micro`	1e-6
`kilo`	1e3
`gram`	1e-3 (以 kg 为单位的质量)
`degree`	pi/180 (以弧度为单位的角度)
`minute`	60.0 (以秒为单位的时间)
`hour`	3600.0 (以秒为单位的时间)
`day`	24 * 3600.0 (以秒为单位的时间)
`inch`	0.0254 (以米为单位的长度)
`light_year`	9.4607304725808e+15 (以米为单位的长度)
`atm` 或 `atmosphere`	101325.0 (以帕斯卡为单位的压力)
`eV` 或 `electron_volt`	基本电荷的值 (以焦耳为单位的能量)
`hp` 或 `horsepower`	745.6998715822701 (以瓦特为单位的功率)

这些单位值可以用于转换。例如，将 1500 克转换为千克：

import scipy.constants

mass_grams = 1500
mass_kg = mass_grams * scipy.constants.gram # gram is 0.001 kg
print(f"{mass_grams} grams is {mass_kg} kilograms")

输出：

1500 grams is 1.5 kilograms

查找常量

由于有如此多的可用常量，可能很难记住确切的键或名称。scipy.constants.find() 函数可以帮助您根据关键字搜索常量。它返回一个与搜索词匹配的 scipy.constants.physical_constants 中的键列表。

让我们查找与“alpha particle”（阿尔法粒子）相关的常量：

import scipy.constants

# Find constants containing 'alpha particle'
keys_found = scipy.constants.find(key='alpha particle')
print("Found keys related to 'alpha particle':")
for k in keys_found:
    print(f"- {k}")

# Example: Accessing one of the found constants
if 'alpha particle mass' in keys_found:
    alpha_mass_val, alpha_mass_unit, alpha_mass_unc = scipy.constants.physical_constants['alpha particle mass']
    print(f"\nAlpha particle mass: {alpha_mass_val} {alpha_mass_unit}, uncertainty: {alpha_mass_unc}")

上面的程序将生成类似于此的输出（确切的列表可能随 SciPy 版本略有不同）：

Found keys related to 'alpha particle':
- alpha particle mass
- alpha particle mass energy equivalent
- alpha particle mass energy equivalent in MeV
- alpha particle mass in u
- electron to alpha particle mass ratio

Alpha particle mass: 6.6446573357e-27 kg, uncertainty: 1.2e-35

scipy.constants.find() 是一个探索可用物理常量的强大工具。要获取完整列表，您还可以遍历 scipy.constants.physical_constants.keys()。

更多资源：请参阅官方 SciPy 文档 (https://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/constants.html) 获取完整列表和更多详细信息。