МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Вычислительная физика

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки03.03.03. Радиофизика
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость2 ЗЕТ
Учебный план03_03_03_РФ-2-2019
Часов по учебному плану 72
в том числе:
аудиторные занятия 36
самостоятельная работа 36
Виды контроля по семестрам
зачеты: 2

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 1 (2) Итого
Недель 20
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лабораторные 36 36 36 36
Сам. работа 36 36 36 36
Итого 72 72 72 72

Программу составил(и):
ст. преподаватель кафедры радиофизики и теоретической физики, Серебрякова Татьяна Леонидовна

Рецензент(ы):
к.ф.-м.н., доцент кафедры прикладной физики, электроники и информационной безопасности, Рудер Давыд Давыдыч

Рабочая программа дисциплины
Вычислительная физика

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.03.03 РАДИОФИЗИКА (уровень бакалавриата) (приказ Минобрнауки России от 12.03.2015г. №225)

составлена на основании учебного плана:
03.03.03 Радиофизика
утвержденного учёным советом вуза от 25.06.2019 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 06.06.2019 г. № 9-2018\19
Срок действия программы: 2019-2020 уч. г.

Заведующий кафедрой
д.ф.-м.н., профессор А. А. Лагутин


Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2019-2020 учебном году на заседании кафедры

Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 06.06.2019 г. № 9-2018\19
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор А. А. Лагутин


1. Цели освоения дисциплины

1.1.Укрепление навыков работы с компьютером, выработка умений решения простых вычислительных задач, применяемых в физике, знакомство с компьютерным моделированием.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.03

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ПК-3 владением компьютером на уровне опытного пользователя, применению информационных технологий
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.о простейших численных методах;
об имитационном моделировании, о программной среде комьютерного моделирования;
о численном эксперименте.
3.2.Уметь:
3.2.1.1. Простейшие численные методы.
2. Методику проведения численного эксперимента.
1. Создавать программы на одном из алгоритмических языков программирования, реализующие простые численные методы.
2. Создавать имитационные модели физических процессов в среде моделирования.
3. Проводить численный эксперимент.
4. Анализировать полученные данные.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.Программирования алгоритмов численных методов для решения физических задач.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Обработка физического эксперимента
1.1. Написание программы по методическим указаниям к лабораторной работе. Визуализация результата в GNUplot. Лабораторные 2 6 ПК-3 Л2.6, Л2.1, Л3.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
1.2. Подготовка экспериментальных данных, полученных на физпрактикуме, в специальном формате. Написание программы по методическим указаниям к лабораторной работе. Сам. работа 2 6 ПК-3 Л2.6, Л2.1, Л3.1, Л1.1
Раздел 2. Табулирование функций
2.1. Написание программы и подпрограмм (функций) по методическим указаниям к лабораторной работе (по вариантам). Лабораторные 2 6 ПК-3 Л2.6, Л2.1, Л3.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
2.2. Написание программы и подпрограмм (функций) по методическим указаниям к лабораторной работе (по вариантам). Сам. работа 2 6 ПК-3 Л2.6, Л1.1
Раздел 3. Поиск корней уравнения
3.1. Графический анализ заданной функции. Написание программы и подпрограмм (функций) по методическим указаниям к лабораторной работе (по вариантам). Лабораторные 2 6 ПК-3 Л2.6, Л2.1, Л3.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
3.2. Написание программы и подпрограмм (функций) по методическим указаниям к лабораторной работе (по вариантам). Сам. работа 2 6 ПК-3 Л2.6, Л2.1, Л3.1, Л1.1
Раздел 4. Аппроксимация данных
4.1. Графический анализ исходных данных. Подбор аппроксимационной формулы с линейными (линеаризуемыми) коэффициентами. Написание программы и подпрограмм (функций) по методическим указаниям к лабораторной работе (по вариантам). Лабораторные 2 6 ПК-3 Л2.6, Л2.1, Л3.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
4.2. Подбор аппроксимационной формулы с линейными (линеаризуемыми) коэффициентами. Написание программы и подпрограмм (функций) по методическим указаниям к лабораторной работе (по вариантам). Сам. работа 2 6 ПК-3 Л2.6, Л2.1, Л3.1, Л1.1
Раздел 5. Случайные числа и статистика
5.1. Генераторы случайных чисел. Статистические свойства равномерного распределения. Написание программы по методическим указаниям к лабораторной работе. Исследования встроенного генератора случайных чисел. Лабораторные 2 6 ПК-3 Л2.6, Л2.1, Л2.2, Л2.4, Л1.1
5.2. Написание программы по методическим указаниям к лабораторной работе. Исследования встроенного генератора случайных чисел. Сам. работа 2 6 ПК-3 Л2.6, Л2.1, Л1.1
Раздел 6. Моделирование физических явлений
6.1. Изучение приёмов моделирования динамических и гибридных систем в среде Anylogic. Проведение экспериментов с моделью. Визуализация, анимация, статистика. Лабораторные 2 6 ПК-3 Л2.3, Л2.5, Л1.1
6.2. Изучение приёмов моделирования динамических и гибридных систем в среде Anylogic. Построение модели по методическим указаниям к лабораторной работе (по вариантам). Проведение экспериментов с моделью. Сам. работа 2 6 ПК-3 Л2.3, Л2.5, Л1.1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
1. Суть основных физических величин: Перемещение, скорость, ускорение, импульс, сила, момент инерции, момент силы, электрический заряд, напряженность электрического поля.
2. Опишите физические явления и их свойства: движение с постоянным ускорением, гармоническое колебание, электрическое поле.
3. Понятия полной и частной производных.
2. Понятие общего и частного решений дифференциальных уравнений.
5. Численные методы решения систем линейных алгебраических уравнений.
6. Численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений.
11. Типы и диапазоны представления чисел на языке Фортран.
12. Процедуры и функции, описания массивов на языке Фортран.

5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
Текущий контроль знаний студентов
При подготовке к лабораторным работам студенты проводят самостоятельную работу по подготовке к выполнению лабораторных работ, и подго-товке отчетов по лабораторным работам. Правила и образцы оформления отчетов по лабораторным работам, имеются на стендах в учебной лаборатории кафедры.
В качестве текущего контроля успеваемости студентов применяются индивидуальные собеседования при защите студентами лабораторных работ.
Показателем успеваемости студента является выполнение необходимо-го минимума всех заданий на практических занятиях в течении семестра.

Выходной контроль знаний студентов
Дисциплина завершается зачетом по окончанию семестра.
Критерии зачета знаний по дисциплине:
– выполнить предлагаемые лабораторные работы в указанном в соот-ветствующих разделах количестве;
– уметь составлять математическое описание изученных физических моделей;
– программировать и проводить отладку программ;
– уметь интерпретировать результаты математического моделирования .

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 И.В. Черпаков Основы программирования: учебник и практикум для прикладного бакалавриата Юрайт, 2018 // ЭБС Юрайт www.biblio-online.ru
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Б. Керниган, Д. Ритчи. Язык программирования Cи: М.: Вильямс, 2009
Л2.2 В. Е. Зализняк Основы вычислительной физики. Часть 1. Введение в конечно-разностные методы: Техносфера, 2008
Л2.3 С. Кунин Вычислительная физика: Мир, 1992
Л2.4 Р. П. Федоренко Введение в вычислительную физику: Интеллект, 2008
Л2.5 Ю. Г. Карпов Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic 5: БХВ-Петербург, 2009
Л2.6 С. А. Немнюгин, О.Л. Стесик. Фортран в задачах и примерах: М.: BHV, 2008
6.1.3. Дополнительные источники
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л3.1 В. А. Литвинов, О. В. Журенков Информатика, программирование и численные методы: Учебное пособие Алтайского государственного университета, 2002
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 xj technologies имитационное моделирование для науки и бизнеса www.xjtek.ru
Э2 Х.Гулд, Я.Тобочник Компьютерное моделирование в физике т.1,2 reslib.com
Э3 http://reslib.com/book/Kompjyuternoe_modelirovanie_v_fizike__tom_1_. reslib.com
6.3. Перечень программного обеспечения
Операционная система GNU/Linux с базовым ПО для рабочих станций (Лицензия: Стандартная общественная лицензия GNU (GENERAL PUBLIC LICENSE) https://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.ru.html).
Компиляторы gcc, gfortran (Лицензия: Стандартная общественная лицензия GNU (GENERAL PUBLIC LICENSE) https://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.ru.html).
Среда разработки Geany, Eclipse (с соответствующими модулями для Си и Фортрана) (Лицензия: Стандартная общественная лицензия GNU (GENERAL PUBLIC LICENSE) https://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.ru.html).
GNUplot, Anylogic (Лицензия: Стандартная общественная лицензия GNU (GENERAL PUBLIC LICENSE) https://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.ru.html).
Microsoft Windows
Microsoft Office
7-Zip
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ
308К лаборатория компьютерных технологий - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 15 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска маркерная; компьютеры Aquarius STd MS_SC140, монитор BENQ 17'' (5шт.), компьютеры Парус 945 MSI, монитор LG 17'' (5 шт.) Fast Ethernet Swich Allied Telesyn 1; методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсам "Алгоритмы и языки программирования", "Численные методы и математическое моделирование", "Вычислительная физика", "Компьютерная радиофизика".
001вК склад экспериментальной мастерской - помещение для хранения и профилактического обслуживания учебного оборудования Акустический прибор 01021; виброизмеритель 00032; вольтметр Q1202 Э-500; вольтметр универсальный В7-34А; камера ВФУ -1; компьютер Турбо 86М; масспектрометр МРС -1; осциллограф ЕО -213- 2 ед.; осциллограф С1-91; осциллограф С7-19; программатор С-815; самописец 02060 – 2 ед.; стабилизатор 3218; терц-октавный фильтр 01023; шкаф вытяжной; шумомер 00026; анализатор АС-817; блок 23 Г-51; блок питания "Статрон" – 2 ед.; блок питания Ф 5075; вакуумный агрегат; весы; вольтметр VM -70; вольтметр В7-15; вольтметр В7-16; вольтметр ВУ-15; генератор Г-5-6А; генератор Г4-76А; генератор Г4-79; генератор Г5-48; датчик колебаний КВ -11/01; датчик колебаний КР -45/01; делитель Ф5093; измеритель ИМП -2; измеритель параметров Л2-12; интерферометр ИТ 51-30; источник "Агат" – 3 ед.; источник питания; источник питания 3222; источник питания ЭСВ -4; лабораторная установка для настройки газовых лазеров; лазер ЛГИ -21; М-кальк-р МК-44; М-калькул-р "Электроника"; магазин сопротивления Р4075; магазин сопротивления Р4077; микроскоп МБС -9; модулятор МДЕ; монохроматор СДМС -97; мост переменного тока Р5066; набор цветных стекол; насос вакумный; насос вакуумный ВН-01; осциллограф С1-31; осциллограф С1-67; осциллограф С1-70; осциллограф С1-81; осциллоскоп ЕО -174В – 2 ед.; пентакта L-100; пирометр "Промень"; пистонфон 05001; преобразователь В9-1; прибор УЗДН -2Т; скамья оптическая СО 1м; спектограф ДФС -452; спектограф ИСП -51; стабилизатор 1202; стабилизатор 3217 – 4 ед.; стабилизатор 3218; стабилизатор 3222 – 3 ед.; станок токарный ТВ-4; усилитель мощности ЛВ -103 – 4 ед.; усилитель У5-9; центрифуга ВЛ-15; частотомер Ч3-54А; шкаф металлический; эл.двигатель; электродинамический калибратор 11032

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

В рабочей программе предусматривается изучение тем математического моделирования, которые определяются профилем подготовки каждого направления (специальности) бакалавров.

Лабораторный практикум на ЭВМ нацелен на изучение и практическое применении студентами основных вычислительных методов, применяемых при решении физических задач, обработке экспериментальных данных, способов их численной реализации. Характерной особенностью практикума является анимация физических процессов в режиме реального времени и исчерпывающее графическое представление результатов расчетов. Многие решенные задачи полезны для лекционных демонстраций.

Самостоятельная работа должна обеспечить выработку навыков развития логического и алгоритмического мышления студентов, самостоятельного расширения своих математических знаний и умения проводить математиче-ский анализ прикладных задач.

Базовыми для дисциплины «Вычислительная физика» являются курсы физики, высшей математики, численных методов и математического моделирования, информатики.

Из курса физики используются следующие разделы: механика, динамика, колебания, электростатика, из курса высшей математики используются элементы дифференциального и интегрального исчисления, линейной алгебры. Курс информатики обеспечивает сведениями о программировании. Навыки, полученные при изучении данного курса, широко применяются студентами при изучении курсов по другим дисциплинам.