化学专业会用到多少数学知识?

听说化学专业对数学的要求不太高?

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化学的分支可多了~

如果你是高中生或者刚进大学的freshman(对化学的了解还停留在高中阶段),你会觉得化学跟数学几乎不沾边。高中化学用到的数学仅仅是配平反应方程式,数电子数,算算平衡常数和反应商,算算酸碱滴定……等等仅仅涉及加减乘除的东西。这些东西给了高中生“化学对数学要求不高”的印象。

然而,在化学的范畴内,用到的数学知识,简直是……

首先,大学会学到的化学大体分四个方向:无机化学,有机化学,物理化学,分析化学。这是所有化学类专业学生都必须学的基础课程。

无机化学中最简单的部分,涉及到的数学知识也就只有加减乘除(数电子数,配平方程式,计算反应的自由能变,数配位数,计算还原电势……)和基本的微积分(化学反应动力学),空间想象力以及立体几何(晶体学)也得不错。吐个槽:其实,所有的数学工具里面,还是数数最难。

高等一些的无机化学,也许会涉及更复杂的晶体,或者更复杂的物质结构,那么空间想象力就必须很好。还有别的欢迎补充……

有机化学可能是用到数学最少的化学分支,也是最“化学”的一个分支,学生大量的时间都被花在理解化学反应发生的原因、了解化学反应的过程、以及根据已有的知识做出合理的预测上。有机化学最能体现化学的魅力,最不要求数学能力,却最考验人的记忆力和综合已有知识进行创新的能力。

当然,一门学科要发展,不利用数学工具是不可能的。在物理有机化学等课程中应当会学到一些基本的数学在有机化学中的应用。

物理化学这个分支里用到的数学实在太多了。简单点来说,四大力学(经典力学,电动力学,量子力学热力学与统计物理)中涉及的数学,包括基本的微积分、矢量与张量运算、微分方程、线性代数、概率论、泛函分析的观念等等,都要有一定程度的掌握。而且对这些数学工具以及物理知识的掌握程度,直接影响你对化学过程本质的认识,影响你的在这个领域的创新能力。

物理化学中用到多少数学这个问题,没法讲太具体。因为我自己是这个专业的学生,我还不是大师,知道的信息越多,越难以进行精辟的总结。我只能说,这个方向对物理观念的掌握要求很高,而理解物理知识又必须以一定的数学工具为基础。有一件事是肯定的,物理是建立在数学的基础上的,物理比数学难学;物理学家对很多数学工具的掌握比数学家更好更深入。

最后,分析化学中,用到的数学更多,什么方面的都有。因为分析化学(尤其是定量分析)本身是一个进行定量研究的学科。不过分析化学中用到的数学工具,大多数是从物理化学中已经得到的结论出发,再进行“工程”上的实现。一个可以让人接受的解释是:如果一种分析方法用到了什么物理原理,分析化学家就必须掌握这种物理原理。所以如果只研究某个特定的方向,那么只要把这个方向相关的物理背景学扎实,也就足够了。

我的分析化学老师说,现在这个时代,如果想成为一名分析化学家,你必须首先精通化学,还得精通数学,物理(理论以及实验两方面),工程,甚至是医学等等所有跟你相关的知识……

总结一下:物理化学和分析化学用到的数学比较多,无机化学和有机化学用到的相对少一些。其中物理化学方向对数学各个方面要求比较广,分析化学则要求在某些方面比较深入。但不管什么方向,微积分是绝对要好好掌握的。

————————我是修订的分割线,不关心物理的孩子可以不看了————————

今天来补充一点东西。关于化学中用到的物理,以及这些物理中用到的数学。

首先写几句总纲:(to所有有志于学习化学的高中生以及大一freshmen)抛开化学中用到的物理,去谈化学中用到的数学,那就是颠倒了主要矛盾和次要矛盾(单纯回答“化学中用到的数学”的话,答案就是加减乘除和初等微积分,看起来实在简单得不能再简单了)。在化学与其它学科的交叉中,不管从什么角度看,物理都是最重要的交叉。对自然科学的任何研究都离不开物理,尤其是化学。你可以把自然科学分成(数学、)物理、化学、生物、天文、地球科学等等,但是你去看看这些学科的发展,除物理自身,无一例外都有某个前沿是在向着与物理学结合的方向发展。(这话不敢说太死,本来想说“都是由其自身与物理的结合带来了本学科的新生命”什么的……)所以,作为一个(可能成为)新时代的化学工作者的你,必须掌握足够的物理知识。

我们知道化学只研究不小于分子的东西,顶多考虑电子的运动,基本不涉及原子核内的那些高深物理(所以原子核内的物理我是一窍不通),也基本不涉及运动速度太快的物体,所以什么相对论,粒子物理,还有什么强力弱力,完全不懂也没有关系。而且就算懂了也是白懂。

但是究竟必须懂什么?嗯,按照五门普通物理到四门理论物理(四大力学)的顺序讲讲吧。

力学:这个太基本了。坐标系,动能与势能,力矩,转动,三大守恒定律,自由度的概念,对振动和波的基本理解,多普勒效应……不过要用什么数学?只是加减乘除和基本的微积分而已。

电磁学:电荷之间的相互作用,电磁力与万有引力大小的比较,物质磁性的来源,场的概念,电流能发热的原因(焦耳定律这个其实很有意思),按照矢量来理解问题。用到矢量的运算,梯度、散度和旋度。不过电磁学中的数学其实用处真的不大。

光学:波长和频率的关系,光的干涉和衍射(而且要理解两个其实是一回事),发生干涉的条件,光能与物质相互作用的原因及相互作用的方式,偏振光,激光技术以及激光的特点。光学更像是为实验服务的,现代化学实验不可能不使用光学设备,尤其是激光器和各种衍射装置。不过几何光学真没必要掌握。光学用到的数学大概都在各种衍射里面了,必须要理解相位是什么,然后把相位积分起来,可能会用到一些复数。

热学:分子相互碰撞,热力学三定律,什么叫体系什么叫环境,压力p、体积V、温度T到底是怎么来的,熵是什么,等温过程、绝热过程等过程的概念,可逆过程的概念,热容,分子间作用力。热学的概念居多,而且这些概念对化学都是极其重要的,用到的数学,我只能呵呵了,基本的微积分而已。

原子物理:原子的模型,电子云的概念,为什么会有光谱,什么叫电子轨道,自旋,元素周期律(对没错原子物理能解释元素周期律!),基本的量子力学知识。要知道你想研究分子这么小的东西就必须懂量子力学,原子物理仅仅是给你了解量子力学打开了一扇窗而已。用的数学嘛,可能得懂一点概率论,想懂得量子力学那就得懂更多的东西。

经典力学,或者叫分析力学,理论力学,四大力学的第一门。通过学习经典力学,你应该对物体运动的原因有全新的认识,对坐标系有完全不一样的感觉。作为化学专业的学生,你不必很清楚怎么用泛函的方法推导拉格朗日方程,哈密顿量和雅克比积分有什么关系,什么是运动积分。但是你得明白位置和动量的对称关系,你得知道有个方程叫哈密顿方程,你得知道泊松括号,你得懂得泛函取极值的思想。这些是学习量子力学的基础。如果你一定要问经典力学在化学方面有什么用,我可以告诉你,它除了让你复习一下力学知识,帮助你将来学习量子力学之外,没有什么用。但是你想学懂量子力学,一定得学经典力学。经典力学用到的数学:难一些的多变量微积分,包括拉格朗日乘子法,泛函分析,基本的矢量与张量,下标法。

电动力学,四大力学的第二门课。对化学专业的学生来说,电动力学的用处实在不大,顶多是让你了解麦克斯韦神一般的功绩,电/磁偶极矩,四极矩,八极矩……这些东西只对做纳米电子器件(话说这竟然可以由化学专业的人来做)之类的人有用,所以这里面用到的数学知识就不说了。

量子力学,对化学专业学生最重要的一门物理课程。只有学过量子力学,你才能懂得分子是怎么想的,分子想怎么运动,懂了这些你才能研究分子的运动是不是?量子力学会给你在微观层面整个重新建立一个世界观,会让你以全新的眼光看待这个世界。你怎么样理解那些以前一讲到分子层面就不懂的东西,怎么样理解化学键,怎么样真正懂得核磁共振的原理,什么是光谱,全都在量子力学里面。量子力学用到的数学会有点吓人:泛函分析(空间,算符,对易性,狄拉克记号),线性代数(而且是很难的线性代数),微分方程(本征值,本征函数),概率论,复变函数。而且虽然量子力学跟经典力学用的方法完全不一样,你还是得先学过经典力学才能学量子力学。

热力学与统计物理,四大力学中的最后一门课,另一门对化学专业学生极重要的物理课程。其中热力学的内容都会在物理化学这门课里学,包括热力学函数U H G A的定义和使用,所谓体系状态的含义,相律,相变,化学势的概念。热力学本身很难学,不过热力学用到的数学最难也只有勒让德变换而已,这个内容不但是简单的微积分,而且在经典力学中还会学一次。统计物理则是告诉你,你已经了解了分子的信息,怎么把它们拿到宏观尺度来。波尔兹曼分布究竟是什么含义,有什么用,热容是怎么通过分子本身计算出来的,为什么有能均分定理而它为什么又错了,分子的对称性会怎么影响分子的宏观性质。学过统计物理,你一定会觉得统计物理太厉害了,有了统计物理这个武器你几乎可以解释一切宏观的化学现象。但是统计物理用到的数学,也只是概率论而已,而且是非常简单的概率论。

在四大力学的基础上,尤其是如果你掌握了量子力学和统计力学,那些分子光谱、反应动力学(动态学)、有机反应中让人迷惑的问题,全都是一点就透。你只需要向那个方向多想一步,就能明白很多连教科书都说不清楚的东西。甚至如果你再学一些更深入的课程,比如量子化学,你对长久以来从未认真考虑过为什么的化学键,都会有全新的认识。(稍微啰嗦一句,量子化学真不是人学的,涉及的数学有群论、相当复杂的线性代数应用、相当复杂的泛函分析,甚至有在以前看来离经叛道的数学方法,自洽迭代。而且学完之后很可能再也不明白什么是化学键,原子的价态是什么意思,而且对除能量之外的物理量再也不感兴趣……如果你学完量子化学还觉得原子的价态就是无机化学里面说的那些东西,那一定没学明白)

————————我承认分割线之内的内容跑题了————————

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这个具体的要看是四大化学中的那个学科了,都会用到,但侧重点会不一样。而且化学是一门实践学科,是要通过化学的理论去解决问题的,在实际应用中除了通过化学实验去实际验证外,在理论研究,模型建立,过程记录,最后的实验数据的处理中都会用到数学。基本都是有现成的数学模式跟理论去应用的。就分析化学来说,现在的分析化学就分析方法来说有::光谱学,质谱学,分光度和比色法,层析和电泳法,结晶学,显微术,电化学分析,古典分析
现在虽说仪器分析是化学分析的发展趋势,但都是从古典化学分析发展而来,在把古典分析发展成仪器分析的过程中,也是要把古典化学分析中所设计的原理通过一定的方式转化成其他的可识别的光电信号然后又计算机处理相互关联的信号,从而分析出结果。在这个过程中不止用到相关化学量的数学知识,还要用到更多的数学知识去实现这个过程。促进化学分析的发展。这其中估计用到的数学知识就不止概率论跟微积分了。

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我觉得上面回答的不是楼主想要的。楼主可能是高中或者大学新生。所以应该有一个横向的对比给楼主化学的数学要求,对比其他理工科的数学要求。这样楼主才能选择。否则的话,现代工科学到极致都是数学计算。以行业最顶级的要求来给楼主参考的话,没有那个工科不需要很强的数学。

我是学电气的,我给出我这个专业本科和研究生的数学类课程,大家可以和化学类的对比一下。这样楼主就至少知道如果是电气和化学,那个对于一般水平的本科和硕士的要求了。

电气工程
大一: 高等数学(考研数学一,内容讲到偏微分,级数,微分方程), 场论(就是散度,旋度等场数学),线性代数。
大二:离散数学,复变函数,积分变换,数学物理方程。
大三大四:概率和统计。

研一。老师选课,但是一般会有 泛函数和计算方法。有些会有有限元分析法。

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HouHou化学 计算机

2012-11-15 12:47

是的,化学专业看起来的确会学很多数学,但以后很难用到,就拿我们学院来说吧,好像每个所都在做材料,做出来了,电镜照一下,xrd,xps,eds打一下,什么比表面,吸附性测一测,差不多一篇文章就出来了,当然的制备思路要有新意什么的,老师都说了30%的工作在制备上,70%在表征上,到文章最后,说我们成功合成了个什么叉叉,性能怎么这么牛叉之类的,这我真的没扯淡,你们可以大概看看http://ce.sysu.edu.cn/Science/SciNews/

我们这些搞计算模拟的也分搞应用的和搞方法的,如果只是做应用,有机化学的那些基本知识足够你提出假设,构筑分子模型,猜想过渡态和提出可能的反应路径了。

就国内这个大环境,化学专业更看重你的动手能力怎么样,有没有耐心,够不够细心,数学的话,学可以,你觉得能满足你的好奇心,有这个兴趣你就学,不学也没多大影响。

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自己的经验,本科的时候感觉用处不大,除了学习物质结构量子力学那部分数学知识不足理解比较困难。但是就那么一部分,糊里糊涂就过去了。
硕士研究生时,物理化学专业,真心觉得数学太重要了。不得不重新学习很多知识(现在简直不愿回想那些日子)不然无法顺利理解很多理论。

还记得当时和一个同样为数学焦头烂额的计算机专业的朋友聊天,他说,数学太重要了,以后要让孩子学数学!

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学医第二年中。医用数学真心简单,比起其他专业的数学层次低挺多。也许是因为我本来就很喜欢~可是第一年学医用物理学的时候真是折磨,整本书我就没看懂几成…无机化学和有机化学比较起来更喜欢有机,因为,更有逻辑性,更多推理,更好玩儿。目前正在学生化T^T绝对是对记忆力理解力还有总结联想能力的大考验呀

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量子化学里的数学是要求很高的了。一切都围绕用各种数学知识去解薛定谔方程。借用身边一位大神的话说,就是学再多的数学也不够用。据我们一位厦大的教授说,他本科时学那个方程,老师用了一个月的时间来进行数学推导……

在大的计算化学领域,数学更是无处不在了,连续数学、离散数学都一起上……

现在在这个领域摸爬滚打,很是忧桑……

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JoyHss留英化工硕士+生化硕士

2012-11-15 10:30
支持者: 楷叔 yaodi

楼上抛出了“结构化学”。。这玩意儿就是披着化学外衣的数学+物理好么。。。

作为一个从应用化学折腾到化工再折腾到生化的人。。真心感觉一直很努力但是总也突破不了瓶颈的原因就是本人物理太差了。。。

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支持者: Racoon JoyHss

有机结构化学是对数学要求最高的。。。
MO理论算苯或者其他共轭有机物的分子轨道,要用量子力学、矩阵,解高次方程算本征值。

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支持者: 肖猫钓鱼

还是要看去学什么化学,像量子化学就需要很好的数学和量子力学基础。像热力学部分的数学基础也是必须很好的~~

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支持者: 屈璇

好像什么学科到了最后就全变成数学了.

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支持者: ....__

这么跟你说吧,我有一个学物化的哥们儿感觉离化学越来越远了

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那也不一定啊,像物理化学界面化学一类的

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芒果罐头狸物理化学专业博士

2012-11-09 22:22

物理化学要求比较高,基础的热力学,统计热力学啥的对微积分有一定要求。如果是流体扩散什么的,偏微方程得耍的转。坑爹的如果你是系统学习量子化学计算化学什么的,那线性代数是必修的,要求还不低,甚至要会编程,优化算法什么的。

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披风光头佬赶羚羊专业户,兼职草枝摆

2012-11-10 01:24

基础化学和有机化学对于数学的要求不高,基本停留在算术水平。物理化学由于涉及到热力学和量子力学,学好数学还是很有帮助的。尤其是量子力学,算符,还有偏微分方程的解法至少要有了解,而且要理解线性代数。
不过毕竟你学的是化学而不是数学,相比而言更重要的是化学意义上的结论。老师应该也会在课上讲推导过程。所以不要被吓到,好好享受吧。

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溶液怎么依数爱数学 应用化学本科生

2012-11-11 12:32

学化学,你得学一些物理知识吧,物理用到的数学知识可想而知

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随便算个反应速率就直接上微积分了,电极电势什么的需要运算足够强大
物化里面的原子模型。。。我就不加评价了。。。

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momolove有机化学博士生

2012-11-14 20:15

数学和物理是化学的根基啊~

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猫猫咪呀理论与计算化学学徒

2012-11-15 10:29

嗯,我们实验室有搞化学计量学和理论模拟两个方向……
搞计量学的天天玩矩阵,小波变换之类的奇奇怪怪的东西……
我这个搞模拟的天天看理论力学之类的东西,俺一个搞化学的天天跟朗之万啊,拉普拉斯之类的变态打交道,身心备受催残啊……

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数学不太好的人幸好学了有机化学。。。结构化学学得好痛苦

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有机化学基本用不上什么数学知识
做天然有机物提取的时候用得到一点正交的东西,那个20分钟就能学会会用

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铁的筱刀化学专业本科在读

2013-03-31 23:27

正在学数学的化学专业学生感觉没什么用 。。。。但是看到上面的 觉得要好好学了

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曾经的结构化学搞死一批人啊,特别对于光谱分析的理论计算,更是要人命啊.看看今年的诺贝尔化学奖,不懂数学?那肯定不行的

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从高中开始就没好好学习化学的人想问一个问题:

我想系统研究食品工业,是不是要从大学有机化学开始看起?我的最终目的是搞清什么叫分子料理,各种中西餐到底怎么做才好吃,并能自己《科学》的设计菜单和制作方式。

懂得人点拨一下呗!!谢谢啦

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谪星本夜光化学学士 文物与博物馆学硕士

2013-10-09 23:11

分析化学方向表示加减乘除基本足矣,本科阶段无数看上去很奥妙的东西都有个叫做结论公式的好伙伴。

当然,你若要追求高精尖,数学物理还是一道坎的。

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正丁基锂化学有机合成

2013-10-10 02:00

高数就不说了,基础必须学,然后你要学好统计学,概率论啊,这些无机、有机、物化、分析都要用到。再就是就是偏微分了,物化要用,如果上研,再往高了学,恐怕没有上限了。顶多也就数论方面的可能用得少了。其他都要学。

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有一门课叫《化工热力学》

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DUMBO 软件架构师

2014-05-13 08:12

高数、线代、群论、概率统计,其实理综类一般也就这四门课了。

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如果是理学的化学涉及的数学会少点 但是微积分什么的还是要会的 涉及工学的比如化工一类的可能要更多

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大三化学狗飘过
表示其实真要做分析化学或者理论化学的话确实很需要计算,尤其是物化和化工原理,我擦了,那化工原理基本就是算啊,什么压头损失啊,管道计算啊。。。
不过真要研究其性质或者合成路线,你把观测到的数据输入指定软件,大部分人家都帮你算了,真正自己算的不是很多。比如去年做一个双光子的,就把不同溶液和参比液轮着放仪器再记录数据就行了(虽然尼玛那实验室得全封闭,不能开灯,恒温20°以下来保护仪器。结果俺们几个下午弄到晚上,出来脸都煞白的。。。珍爱生命,远离化学啊。。。)
ps:听教授讲他们以前没计算机,搞个紫外红外算面积还得画纸壳子上,然后称纸壳子多重来推测出峰面积,那时候计算量可真是大啊。。。现在就方便多了。

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我也学的化学,化学教育,所以对数学要求不高。本科的时候学过高数,但压根没用过。

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当你学到 单元热力学 的时候,你就知道听课什么都是浮云,因为你根本听不懂

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学化学的渣渣还真不少,都是命苦的娃啊

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高等数学是各种非文艺类专业的基础课,无论什么专业都跑不掉.

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严重建议把数学学好--不仅仅是工具的问题。学了数学之后你会发现你看世界的方法就变了。
曾经有一个笑话,我们系(数学系)一个学长考研去航空专业。人家飞行器设计的老教授问他:“小伙子跟我讲讲什么叫激波吧!”老教授期待的答案是飞行器从亚音速进入超音速以后因为声速的限制而在飞行器周围产生的一种特殊的声波blah(我也不懂)。没想到我们这位学长听了以后,坐下来,在纸上写了方程,说:“瞧,这就是激波~”

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卖口张化学学士,摄影爱好者,果壳实验室成员

2014-05-14 16:49

理论化学 或者叫计算化学对数学要求最高 也就是前面别人说的结构化学中的分支

这个学科基本是通过数理方程描述电子的状态,基本可以认为从薛定谔方程为创始,到现在发展到电子密度泛函数的方法

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无机化学,有机化学,物理化学,分析化学.我竟然都 学会了。表示数数最难了

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高三党,想大学学化学的想法瞬间被灭了

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无机化学可能用的数学最少吧(高中学的基本上都可以解决的)。其他的化学都需要用到高等数学的很多知识如微积分呀级数呀迭代算法(最坑人的)等。但是你如果想要学得很深,那数学必须的学好不然不可能学好的

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爱讲故事的franky星座达人 天文爱好者

2012-11-14 00:42

初中文化可以自修有机化学嘛?应该买些什么书籍??

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我倒是觉得一切自然科学都是天文学
毕竟从研究对象到手段都跑不出这个范围。

看到一楼,我觉得我可以去死了,所有书全都忘掉了…………

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“无一例外都有某个前沿是在向着与物理学结合的方向发展。”

我想知道数论跟物理学有毛关系。

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Rubidium化学实验室小助理,首届果壳漫画大赛优秀奖

2013-10-09 23:19

化学其实是理综好吗.....

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刀刀Muad数学本科生,科幻灵异迷,美食控

2012-11-09 22:40

哎,扯上物理就只能无力了,数学就是个操蛋的东西。。。物理也是

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文宝宝是喵星人物理控 糖分控 喵星人

2012-11-11 13:47

喵了个咪 如果纯数学无压力啊 特么最讨厌背方程式啊- -

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冰镇化学生物学本科在读

2012-11-14 21:04

一楼为了得到那只钢铁小蜘蛛已经不择手段了么!!!
写了这么多!!!那.....我还写个P啊...55555

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