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

Компьютерная радиофизика

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки03.03.03. Радиофизика
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость5 ЗЕТ
Учебный план03_03_03_РФ-4-2019
Часов по учебному плану 180
в том числе:
аудиторные занятия 90
самостоятельная работа 90
Виды контроля по семестрам
диф. зачеты: 7

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 4 (7) Итого
Недель 19
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лабораторные 90 90 90 90
Сам. работа 90 90 90 90
Итого 180 180 180 180

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
Компьютерная радиофизика

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 06.06.2020 г. № 9-2018\19
Срок действия программы: 2019-2020 уч. г.

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


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 06.06.2020 г. № 9-2018\19
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор Лагутин А.А.


1. Цели освоения дисциплины

1.1.Изучение курса компьютерной физики является необходимым этапом теоретической и практической подготовки студентов-радиофизиков в области решения задач физики и радиофизики с применением современных средств вычислительной техники и программного обеспечения.
Особенностью данного курса является ориентация на решение нестандартных задач (т.е. задач, для которых непосредственно не применимы стандартные численные методы и распространенное математическое обеспечение, либо задач, приводящих к сложным для физической интерпретации результатам).
С учетом специфики профессиональной деятельности студентов-радиофизиков важной частной задачей курса является практическое освоение слушателями универсального и специализированного математического обеспечения автоматизации научно-исследовательских работ.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.01

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 физических концепциях, требующих нестандартных подходов при компьютерном моделировании соответствующих явлений и процессов и/или при анализе и физической интерпретации полученных результатов;
об устойчивых распределениях и их применении при решении задач физики и радиофизики;
об эффектах фрактальности и фрактальной кинетике.
3.2.Уметь:
3.2.1.основы теории устойчивых распределений;
основы теории фрактальных систем и сред;
основы применения теории устойчивых распределений и теории фракталов для описания различных (радио)физических процессов и явлений;
физические основания, связывающие явления фрактальности и динамического хаоса с устойчивыми распределениями;
студент должен уметь:
моделировать устойчивые случайные величины;
восстанавливать параметры устойчивых распределений;
моделировать фрактальные системы и среды;
оценивать фрактальную размерность;
моделировать процессы переноса во фрактальной среде.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.решения методами компьютерного моделирования (радио)физических задач;
применения универсального и специализированного математического обеспечения автоматизации научно-исследовательских работ.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Устойчивые распределения в физике и радиофизике.
1.1. Моделирование нормального распределения (точное и приближенное, основанное на центральной предельной теореме). Лабораторные 7 4 ПК-3 Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.2. Безгранично делимые распределения. Устойчивые распределения. Нормальное распределение как предельное распределение класса устойчивых законов. Особенности статистической обработки результатов эксперимента в случае, когда случайная ошибка, которой отягощено измерение, имеет негау-ссовский хвост распределения. Сам. работа 7 4 ПК-3 Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.3. Задача о вращающемся зеркале. Распределение Коши. Лабораторные 7 4 ПК-3 Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.4. Критический случайный ветвящийся процесс с дискретным временем и одним типом частиц. Лабораторные 7 6 ПК-3 Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.5. Флуктуации космических лучей в Галактике. Распределения по числу и току частиц в диффузионном приближении распространения. Сам. работа 7 2 ПК-3 Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.6. Гравитационное поле звездной системы. Распределение Хольцмарка. Лабораторные 7 8 ПК-3 Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.7. Моменты первого прохождения в броуновском движении. Точки достижения в двумерном броуновском движении. Сам. работа 7 2 ПК-3 Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.8. Одномерный диффузионный процесс. Моменты первого прохождения. Лабораторные 7 4 ПК-3 Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.9. Двумерный диффузионный процесс. Точки достижения. Лабораторные 7 4 ПК-3 Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.10. Устойчивые законы в радиофизике. Расчет работы систем ретрансляционных радиостанций. Сам. работа 7 2 ПК-3 Л2.6, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.11. Уровень шума при ретрансляции коротковолнового радиосигнала. Лабораторные 7 8 ПК-3 Л2.6, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.12. Аналитические свойства устойчивых распределений. Представления характеристических функций. Параметры. Моделирование устойчивых случайных величин и восстановление параметров устойчивых распределений. Сам. работа 7 2 ПК-3 Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.13. Моделирование устойчивых распределений с заданными параметрами. Лабораторные 7 4 ПК-3 Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.14. Восстановление параметров устойчивых распределений. Лабораторные 7 4 ПК-3 Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
1.15. Изучение лекционного материала, основной и дополнительной литературы, Интернет-источников, выполнение и подготовка отчетов по лабораторным работам. Сам. работа 7 40 ПК-3 Л2.3, Л2.1, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2
Раздел 2. Фрактальные объекты и среды. Фрактальная кинетика.
2.1. Фрактальность и фрактальная размерность. Самоподобие. Топологическая размерность и обобщенная фрактальная размерность Хаусдорфа-Безиковича. Сам. работа 7 2 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.2. Геометрические фракталы и их свойства. Канторово множество. Фигуры Коха. Ковер Серпинского. Сфазированная кривая Вейерштрасса. Множество Мандельброта. Дифференцируемость негладких функций. Обобщенная производная. Сам. работа 7 2 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.3. Детерминированные фракталы. Фигуры Коха, канторово множество, ковер Серпинского, множество Мандельброта. Лабораторные 7 8 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.4. Фрактальные кластеры как результат агрегации частиц. Поверхностный и объемный фрактальные кластеры. Моделирование роста. Строение. Свойства. Экспериментальные исследования. Массовая фрактальная размерность. Сам. работа 7 4 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.5. Стохастические фракталы. Решеточная DLA-модель роста фрактальных кластеров (модель Виттена-Сандера). Лабораторные 7 4 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.6. Нерешеточная DLA-модель. Баллистическая модель (модель Эдена). Рост фрактальных агрегатов в анизотропной среде. Лабораторные 7 8 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.7. Чувствительность параметров фрактальных кластеров к режиму агрегации и параметрам моделей. Лабораторные 7 4 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.8. Фракталы в физических процессах и явлениях. Траектория броуновской частицы. Пористые вещества. Аэрогели. Межзвездная среда. Сам. работа 7 4 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.9. Диффузия на фракталах. Математическая постановка задачи. Сложность аналитического решения. Моделирование фрактальной среды и процессов переноса в ней. Сам. работа 7 4 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.10. Моделирование фрактальной среды с заданной размерностью. Лабораторные 7 8 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.11. Моделирование свободного пробега при диффузии во фрактальной среде. Лабораторные 7 8 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.12. Связь устойчивых законов, фрактальных структур и явления динамического хаоса. Типичные сценарии перехода к хаосу. Порядок и хаос в одномерных отображениях. Бифуркации. Аттракторы. Сценарий удвоения периода. Перемежаемость в случайной среде. Эффекты перемежаемости и фрактальности в процессах множественного рождения. Сам. работа 7 4 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.13. Сценарий удвоения периода. Модель роста популяции. Число Ферхюльста. Лабораторные 7 4 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л1.1, Л2.7, Л1.2
2.14. Изучение материала, основной и дополнительной литературы, Интернет-источников, выполнение и подготовка отчетов по лабораторным работам. Сам. работа 7 18 ПК-3 Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л2.6, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
1. Основы теории устойчивых распределений.

2. Основы теории фрактальных систем и сред.

3. Основы применения теории устойчивых распределений и теории фракталов для описания различных (радио)физических процессов и явлений.

4. Физические основания, связывающие явления фрактальности и динамического хаоса с устойчивыми распределениями.

5. Моделирование устойчивых случайных величин.

6. Восстановление параметров устойчивых распределений.

7. Моделирование фрактальных объектов и сред.

8. Оценка фрактальной размерности.

9. Моделирование процессов переноса во фрактальной среде.
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
К зачету по дисциплине допускаются студенты, выполнившие не менее 50% предусмотренных настоящим УМК лабораторные работы.
Организация текущей аттестации: проводится в интерактивной форме при выполнении лабораторных ра-бот, содержащих задания индивидуального и группового характера.
Организация итоговой аттестации с критериями оценивания:
Осуществляется в форме зачета, на котором проверяются знания основных вопросов программы. Зачет выставляется студентам, выполнившим и защи-тившим не менее 75% предусмотренных данным УМК лабораторных работ, а также по итогам собеседования студентам, демонстрирующим знание основ теории устойчивых распределений, основ теории фрактальных систем и сред, основ применения теории устойчивых распределений и теории фракталов для описания различных (радио)физических процессов и явлений, физических оснований, связывающих явления фрактальности и динамического хаоса с устойчивыми распределениями, а также навыки моделирования устойчивых случайных величин, восстановления параметров устойчивых распределений, моделирования фрактальных объектов и сред, оценки фрактальной размер-ности, моделирования процессов переноса во фрактальной среде.

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы: Учебное пособие М.: БИНОМ. Лаборатория знаний // ЭБС "ONLINE", 2012 studfiles.net
Л1.2 Арьен Маркус Современный Fortran на практике: Издательство "ДМК Пресс", 2015 e.lanbook.com
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Абраимов С.Г. Статистическая физика сложных систем: от фракталов до скейлинг-поведения: учеб. пособ. М: Изд-во Либроком, 2012
Л2.2 Хаос, солитоны, фракталы: Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2003
Л2.3 Заславский Г.М. Гамильтонов хаос и дробная динамика: учеб. пособ. М.: изд. гр. URSS, 2010
Л2.4 Севастьянов Б.А. Курс теории вероятностей и математической статистики: Москва — Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004
Л2.5 Кроновер Р. Фракталы и хаос в динамических системах: учеб. пособ. М: Изд-во Техносфера, 2006
Л2.6 Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации: топология выборки: учеб. пособ. М: Университетская книга, 2005
Л2.7 V. Uchaikin, V. Zolotarev Chance and Stability: Stable Distributions and their Applications. : VSP, 1999
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 Учайкин В.В. Метод дробных производных/В.В.Учайкин – Ульяновск: Издательство «Артишок», 2008. – 512 с.
Э2 Булавин Л.А., Выгорницкий Н.В., Лебовка Н.И. Компьютерное моделирование физических систем. Долгопрудный: Издательский дом "Интеллект", 2011 г., 352 с.
Э3 Лагутин А.А., Никулин Ю.А. Флуктуации космических лучей в Галактике. - Барнаул, 1993. - 26 с. - (Препринт АГУ; 93/2). [Электронный ресурс] Режим доступа: корпоративная сеть АлтГУ http://10.0.10.40/~raikin
Э4 Лагутин А.А., Райкин Р.И. Описание эффектов перемежаемости и флуктуаций в процессах множественного рождения с помощью устойчивых законов. - Барнаул, 1995. - 34 с. - (Препринт/АГУ; 95/2) [Электронный ресурс] Режим доступа: корпоративная сеть АлтГУ http://10.0.10.40/~raikin
Э5 Лагутин А.А., Райкин Р.И., Тюменцев А.Г. Распределение первого пробега в галактической среде фрактального типа//Изв. Алтайского госуниверситета. - 2004. - N5. - С. 27-31. [Электронный ресурс] Режим доступа: корпоративная сеть АлтГУ http://10.0.10.40/~raikin
6.3. Перечень программного обеспечения
операционная система с графической операционной оболочкой (Microsoft Windows, GNU/Linux), компилятор языка программирования высокого уровня (Fortran, C++, Pascal), программный пакет визуализации данных (GnuPlot). Дополнительно желательно наличие в составе программного обеспечения пакета обработки научных данных (Root, Paw). (Лицензия: Стандартная общественная лицензия GNU (GENERAL PUBLIC LICENSE) https://www.gnu.org/licenses/gpl-3.0.ru.html)

Microsoft Office
7-Zip
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
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
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".
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

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

В теоретической части курса осуществляется знакомство с базовыми физическими концепциями и постановка основных задач для лабораторного практикума, знакомство с методами и алгоритмами их решения.

Практическая часть представляет собой набор лабораторных работ по решению методами компьютерного моделирования задач, рассмотренных в теоретической части. Выполнение лабораторных работ требует применения широкого спектра численных методов (в основном, методов имитационного моделирования и методов Монте-Карло), а также разработки нестандартных методов, приемов и алгоритмов решения.

Лабораторные занятия нацелены на приобретение навыков решения методами компьютерного моделирования (радио)физических задач, приме-нения универсального и специализированного математического обеспечения автоматизации научно-исследовательских работ.

Цель самостоятельной работы - систематизация, закрепление и расши-рение теоретических и практических знаний с использованием современных информационных технологий и литературных источников.

Самостоятельная работа включает: работу с лекционным материалом, основной и дополнительной литературой, Интернет-ресурсами, выполнение и подготовку отчетов по лабораторным работам, выполнение итоговых инди-видуальных заданий.