Закреплена за кафедрой | Кафедра радиофизики и теоретической физики |
---|---|
Направление подготовки | 03.03.03. Радиофизика |
Профиль | Компьютерная электроника и телекоммуникации |
Форма обучения | Очная |
Общая трудоемкость | 5 ЗЕТ |
Учебный план | 03_03_03_Радиофизика_КЭТ-2021 |
|
|
Распределение часов по семестрам
Курс (семестр) | 4 (7) | Итого | ||
---|---|---|---|---|
Недель | 10 | |||
Вид занятий | УП | РПД | УП | РПД |
Лабораторные | 72 | 72 | 72 | 72 |
Сам. работа | 108 | 108 | 108 | 108 |
Итого | 180 | 180 | 180 | 180 |
Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году
Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2023-2024 учебном году на заседании
кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики
Протокол от 14.06.2022 г. № 9
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор Лагутин А.А.
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. |
---|
Цикл (раздел) ООП: Б1.В.01 |
ПК-2 | Способность к осуществлению исследований физических явлений радиофизическими методами; |
ПК-6 | Способность к разработке новых программно аппаратных комплексов по численному моделированию процессов и явлений различной физической природы |
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. |
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 | 2 | 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 | 6 | Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2 | |
1.3. | Задача о вращающемся зеркале. Распределение Коши. | Лабораторные | 7 | 2 | 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 | 4 | 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 | 6 | Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2 | |
1.6. | Гравитационное поле звездной системы. Распределение Хольцмарка. | Лабораторные | 7 | 6 | 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 | 4 | Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2 | |
1.8. | Одномерный диффузионный процесс. Моменты первого прохождения. | Лабораторные | 7 | 2 | Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2 | |
1.9. | Двумерный диффузионный процесс. Точки достижения. | Лабораторные | 7 | 2 | Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2 | |
1.10. | Устойчивые законы в радиофизике. Расчет работы систем ретрансляционных радиостанций. | Сам. работа | 7 | 6 | Л2.6, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2 | |
1.11. | Уровень шума при ретрансляции коротковолнового радиосигнала. | Лабораторные | 7 | 6 | 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 | 4 | Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2 | |
1.13. | Моделирование устойчивых распределений с заданными параметрами. | Лабораторные | 7 | 2 | Л2.3, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2 | |
1.14. | Восстановление параметров устойчивых распределений. | Лабораторные | 7 | 2 | 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 | 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 | 4 | 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 | 4 | 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 | 6 | 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 | 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 | 6 | 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 | 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 | 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 | 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 | 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 | 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 | 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 | 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 | 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 | Л2.2, Л2.3, Л2.1, Л2.5, Л2.6, Л1.1, Л2.7, Л2.4, Л1.2 |
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. |
Приложения |
Приложение 1.
fos_comp-radiophysics.doc
|
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 | 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 | |||
Э2 | 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 | |||
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 | Булавин Л.А., Выгорницкий Н.В., Лебовка Н.И. Компьютерное моделирование физических систем. Долгопрудный: Издательский дом "Интеллект", 2011 г., 352 с. | |||
Э5 | Учайкин В.В. Метод дробных производных/В.В.Учайкин – Ульяновск: Издательство «Артишок», 2008. – 512 с. | |||
Э6 | Курс в Moodle "Компьютерная радиофизика" | portal.edu.asu.ru | ||
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 | ||||
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 |
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. |