МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА г.Семей
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД 042-18.38.43/01-2014
Программа дисциплины Редакция № от
«Компьютерная физика в -----------2014
математике» для
преподавателя
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Компьютерная физика в математике
«5В060100» - «Математика»
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ
Семей
2014
УМКД 042-18.38.43/01-2014
Ред.№1 от
2014г стр. 2 из 11
Предисловие
1. РАЗРАБОТАНО
Составитель Абдуахитова Озатгуль Танирбердиновна ст.преподаватель кафедры
«физики» государственного университета имени Шакарима г.Семей
2. ОБСУЖДЕНО
2.1 на заседании кафедры «физики» государственного университета имени
Шакарима г.Семей
Протокол
От 25.06.2014 года, №10
Заведующий кафедрой
Маусымбаев С.С.
2.2 на заседании учебно-методического бюро физико-математического факультета
Протокол от 26.06.2014 года, №6
Председатель
Батырова К.А.
3. УТВЕРЖДЕНО
Одобрено и рекомендовано к изданию на заседании Учебно-методического совета
университета
Протокол от 11.09.2014 года, №1
Председатель УМС _____________ Искакова Г.К.
4. ВЗАМЕН редакции №1 от 11.09.2013 г.
УМКД 042-18.38.43/01-2014
Ред.№1 от
2014г стр. 3 из 11
Содержание
1
2
3
4
5
6
7
Область применения.
Нормативные ссылки.
Общие положения.
Содержание учебной дисциплины (модуля).
Перечень тем для самостоятельной работы студентов.
Карта обеспеченности учебно-методической литературой.
Литература.
УМКД 042-18.38.43/01-2014
Ред.№1 от
2014г стр. 4 из 11
1 Область применения
Программа дисциплины для преподавателя, входящая в
состав учебно-методического комплекса, по дисциплине «Компьютерная физика в
математике предназначена для студентов специальности «5В060100» «Математика»
2 Нормативные ссылки Настоящая программа дисциплины для преподавателя
устанавливает порядок организации учебного процесса по
дисциплине
«Компьютерная физика в математике» в
соответствии с требованиями и
рекомендациями следующих документов:
- Каталог элективных дисциплин для специальности 5В060100 – «Математики»,
утвержденный ученым советом университета 2014.
–СТУ 042-ГУ-4-2014 Стандарт университета «Общие требования к разработке и
оформлению учебно-методических комплексов дисциплин» ;
- ДП 042-1.01-2014 Документированная процедура «Структура и содержание
учебно-методических комплексов дисциплин».
3 Общие положения
3.1 Краткое описание содержания дисциплины:
В
сочетании
другими
дисциплинами общего
естественного
цикла
(курсы
физики
и математики,
общефизический
практикум, вычислительный практикум) данный курс должен
формировать
у
студента
базовую
подготовку
в
области
использования
современной
вычислительной техник как применительно к потребностям физики,
так и более широком плане.
Одновременно
физика,
как
предмет
служит
дополнительным
фактором,
обеспечивающим мотивацию студента в изучении компьютерных
технологии. Необходимо
иметь в виду, что курс направлен, в основном, на
приобретение студентом практических навыков применения
компьютеров
задач физики, которые формируются постепенно
путем приобретения
опыта
решения
все
более
сложных
задач
из
разных
разделов
физики
с
использованием различных средств и методов.
3.2 Целью изучения дисциплины является изучение теоретических основ
проектирования графических систем, освоение элементов программирования
графических систем в физике.
3.3 Оснавная задача изучения дисциплины:
УМКД 042-18.38.43/01-2014
Ред.№1 от
2014г стр. 5 из 11
обучение студентов основа теории и методам практики моделирования,
используемых, для исследование физических явлений процессов,
формирование умения использовать получение знания для
создания практических систем. .
3.4 Результаты обучения:
В результате изучения дисциплины студент должен:
- изучить принципы организации систем машинной графики, основные методы
и алгоритмы формирования и преобразования изображений, методы графического
диалога.
- уметь использовать полученные знания для разработки графических программ
для
визуализации
результатов
моделирования
в
физике,
освоение
пользовательских инструментальных средств машинной графики и графического
диалога.
- знать основные классы модели, методы моделирования, принципы построения
моделей процессов, методы формализации, алгоритмизации и реализации модели
на ЭВМ.
- уметь строить и использовать модели для описания и прогнозирования
различных явлений,осуществлять их качественный и количественный анализ.
- уметь использовать математические модели и методы системного
моделирования при исследовании и проектировании систем, разрабатывать схемы
моделирующих алгоритмов и реализовывать их на базе языков моделирования и
пакетов прикладных программ.
- иметь представление об автоматизации моделирования информационновычислительных систем с помощью имитационного моделирования с
использованием диалоговых режимов и баз данных моделирования;
- иметь опыт исследования моделей с учетом их иерархической структуры и
оценкой пределов применимости полученных результатов.
- для выполнения практических и лабораторных работ студенты должны иметь
навыки программирования на Турбо-Паскале 7.0 и работы на IBM-с совместимых
ПЭВМ.
3.5 Пререквизиты курса:
высшая математика, дифференциальное и интегральное уравнение, механика,
молекулярная физика
3.6 Постреквизиты курса:
оптика, теоретическая механика, физ. Изменения
3.7 Выписка из рабочего учебного плана
Курс Семестр Креди ЛК
СПЗ
ты
(час) (час)
3
6
3
15
15
ЛЗ
(час)
15
Таблица 1
СРОП СРО Всего Форма
(час) (час) (час) итогового
контроля
45
45
135
экзамен
УМКД 042-18.38.43/01-2014
Ред.№1 от
2014г стр. 6 из 11
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ)
Таблица 2
Наименование тем и их содержание
Количество
часов
Лекционные занятия
Модуль I.
Введение. Предмет и органи-зация курса.
ЭВМ,
характеристики
современных
1. Лекция №1
Классификация
компьюте-ров.
2. Лекция №2Области применения компьютеров в физике;
компьютерное моделирование (эксперимент), автоматизация
физического
эксперимента, другие применения компьютеров.
3. Лекция №3 Взаимосвязь физики и компьютерных
технологий. Влияние новых идей физики на развитие
современных компьютерных технологий.
4.Лекция №4 Новые методы оптического кодирования и записи
информация.
5. Лекция
№5
Основы
программирова-ния.
Языки
программирования. История языков, их характеристики.
Визуальное программирование. Структура программы. Типы
данных.
Переменные, константы.
Описания переменных и
констант.
Массивы.
Многомерные
массивы.
Основные
арифметические операции. Организация циклов.
Выбор
вариантов. Множественный выбор. "Досрочное" прекращение
цикла. Истина и ложь. Оператор перехода.
Модуль II
6. Лекция №6 Стандартные функции ввода/вывода;
спецификации формата. Передача параметров при вызове
функции.
Указатели. Имена массивов как указатели. Строка.
Структуры. Указатель на структуру. Работа с файлами.
Глобальные и локальные переменные. "Время жизни"
переменных: автоматичес-кие и статические переменные.
Отладка программ. Встроенные в среду программиро-вания
средства отладчика
7. Лекция №7 Элементы компьютер-ной графики.
Графический режим монитора. Растр, пиксели. Оконные
координаты. Вывод в рабочую область окна. Понятие
контекста устройства. Вывод текста.
8. Лекция №8 Выбор цвета пера и кисти. Задание текста.
Графический курсор. Смена позиции графического курсора.
1
1
1
1
1
1
1
1
УМКД 042-18.38.43/01-2014
Ред.№1 от
2014г стр. 7 из 11
Графические примитивы: точка, линия,
эллипс,
прямоугольник.
Реализация
динамических
изображений.
9. Лекция №9 Вычислительная математика (численные
методы). Вычисление
определенных
интегралов,
метод
трапеций и метод Симпсона. Решение трансцендентных
уравнений,
метод
деления
отрезка
пополам,
метод
секущих, метод Ньютона.
Модуль III
10. Лекция №10 Задачи линейной алгебры. Задача Коши.
Интегрирование обыкновенных дифферен-циальных уравнений,
схема Эйлера, алгоритм Верде.
11. Лекция №11 Компьютерная физика. Предмет вычислительной
физики. Введение в методы компьютерного эксперимента: метод
молекулярной динамики и метод Монте-Карло.
12. Лекция №12 Численное интегрирование. Метод трапеций
и
метод Симпсона. Общая схема метода Монте-Карло.
Применение
метода
Монте-Карло
для
численного
интегрирования.
13. Лекция №13 Анализ датчика псевдослучайных чисел.
Генерация равномерно и нормально распределенных
псевдослучайных чисел. Прямое имитацион-ное моделирование.
Пример: перколяция (задача о протекании)
14. Лекция№14 Численные интегрированные системы
обыкновенных
дифференциальных уравнений. Задача Коши. Расчетная сетка.
Схема Эйлера. Устойчивость схемы. Построение
численных схем. более высокого порядка точности,
графический и аналитический подходы. Алгоритм Верде.
Улучшенный
метод
ломаных.
Схема
предикторкорректора. Метод Рунге-Кутта.
15. Лекция №15 Метод молекулярной динамики (МД) для
анализа динамики системы классических частиц. Пример: МДмоделирование динамики больших молекул.
Понятие клеточного автомата и его моделирование на
компьютере.
Лабораторные занятия
ЛЗ №1
Язык программирования Турбо Паскаль. Язык
программирования, структура программы,
1
1
1
1
1
1
1
1
УМКД 042-18.38.43/01-2014
Ред.№1 от
2014г стр. 8 из 11
арифметические выражения
ЛЗ №2 Структура программы, типы данных
ЛЗ №3
Основные
операторы
на
языке
программирования Паскаль
ЛЗ №4 Составной оператор, пустой оператор и
операторы повтора
ЛЗ №5 Условный оператор
ЛЗ №6 Цикловые операторы. Программирование
цикловых алгоритмов
ЛЗ №7 Вложенные операторы цикла
ЛЗ №8 Массивы. Описание типа массив
ЛЗ №9 Сортировка массивов
ЛЗ №10 Множества
ЛЗ №11 Строки
ЛЗ №12 Файлы
ЛЗ №13 Записи
ЛЗ №14 Процедуры
ЛЗ №15 Функций
Практические занятия
ПЗ № 1,2
Техника безопасности. Работа с файлами. Запуск
программы..
ПЗ № 3,4
Освоение возможностей графики современных ПЭВМ .
ПЗ № 5,6
Пакет Microsoft Word.
Подготовка документа
ПЗ № 7,8
Программирование простых и сложных структур
(алгоритмов и данных).
ПЗ № 9,10,11,12
Освоение возможностей языка Турбо Паскаль
ЗАДАЧИ: Освоение возможностей языка Паскаль
- основные структуры данных и основные операторы
языка Паскаль
- основные управляющие структуры языка Паскаль
ПЗ № 13,14,15,16
Элементы компьютерной
графики.
ПЗ № 17,18,19,20
Освоение графических возможностей языка Турбо Паскаль
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
УМКД 042-18.38.43/01-2014
Ред.№1 от
2014г стр. 9 из 11
ЗАДАЧИ: Освоение возможностей графики современных
ПЭВМ и средств языка Паскаль для визуализации
результатов моделирования физических явлений
- сложение колебаний одного направления:
- биения (солнечные и лунные приливы),
- сложение колебаний в перпендикулярных направлениях:
фигуры Лиссажу;
ПЗ № 21,22
Программирование численных методов
ПЗ № 23,24
Численное интегрирование системы обыкновенных
дифференциальных уравнений. Расчетная сетка.
ПЗ № 25,26
Программирование и решение задач раздела
«Механика», Метод молекулярной динамики (МД) для
анализа динамики системы классических частиц.
ПЗ № 27-28
Метод молекулярной динамики (МД) для анализа
динамики системы классических частиц.
ПЗ № 29-30
Метод Монте-Карло в имитационном моделировании.
Заключительное занятие.
1
1
1
1
1
5 ПЕРЕЧЕН ТЕМ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
ОБУЧАЮЩИХСЯ
5.1 Падение тел с сопротивлением воздуха.
5.2 Задача преследования цели.
5.3 Реактивное движение.
5.4 Движение в центральном поле.
5.5 Навигация на орбите: движение спутника в поле Земли.
5.6 Численное моделирования задачи Жуковского.
5.7 Нелинейные колебания : хаотическое поведение осциллятора.
5.8 Колебания мембраны.
5.9 Моделирование динамики небоскреба во время землетрясения.
5.10 Моделирование динамики нескольких ионов в ловушке Пеннинга.
5.11 Моделирование работы геотермальной станций(уравнение
теплопроводности).
5.12 Применения клеточных автоматов в физике.
5.13 Молекулярная динамика простых систем.
5.14 Рождение фрактальных структур в результате диффузии, ограниченной
агрегацией .
5.15 Задача о перколяции (протекании)
УМКД 042-18.38.43/01-2014
Ред.№1 от
2014г стр. 10 из 11
5.16 Сложение колебаний одного направления: биения (солнечные и лунные
приливы),синтез
колебания несинусоидальной формы
5.17 Сложение колебаний в перпендикулярных направлениях: фигуры Лиссажу.
5.18 Колебания маятника
5.19 Задачи теплопроводности(стержень и пластина)
5.20 Модель солнечной системы
5.21 Колебания струны
5.22 Рост кристаллов (без дефектов и с дефектами)
5.23 Броуновское движение одной частицы
5.24 Диффузия газа, взаимная диффузия двух газов
5.25 Теплообмен, теплопроводность
5.26 Распределение молекул по объему
5.27 Распределения Максвелла
6 КАРТА ОБЕСПЕЧЕННОСТИ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ
ЛИТЕРАТУРОЙ
Литературы
Д.Поттер. Вычеслительные методы в физике
(пер.с англ.).М.:Мир,1975.
Х.
Гулд,
Я.Тобочник.Компьютерное
моделирование в физике. В2-х частях
(пер.с.англ.)-М.:Мир,1990
З.В. Бурсиан. Задачи по физике для
компьютера.Учебное пособие для студентов
физ.-мат.фак.пед.ин-тов.-М.,Просвещение,1991
Д.В.Хеерман.Методы компьютерного
эксперимента в теоретической физике (пер.с
англ.).-М.Наука, 1990.
К.Биндер,
Д.В.Хеерман.
Моделирования
методом Монте-Карло в статистической физике
(пер. с англ.).-М.:Наука,1995.
Д Каханер, К.Моулер, С.Нэш.Численные методы
и математическое
обеспечение (пер. с англ.)-М.:Мир,1998.
Количест Процент
количес
во
ность
тво студенто обеспечение
в
2
2
100
2
3
100
2
5
100
2
4
100
2
1
100
2
5
100
УМКД 042-18.38.43/01-2014
Ред.№1 от
Айтов Ж.А., Макамбаев Б.М. Паскаль тілінде
программалау. Алматы, 1998
.
2014г стр. 11 из 11
2
100
7 Литература
7.1 Основная
7.1.1
Д.Поттер.
Вычислительные
методы
в
физике
(пер.с
англ.).- М.:Мир,1975.
7.1.2 Х. Гулд, Я.Тобочник. Компьютерное моделирование в физике. В2-х
частях (пер.с.англ.)-М.:Мир,1990
7.1.3 З.В. Бурсиан. Задачи по физике для компьютера. Учебное пособие для
студентов физ.-мат.фак.пед.ин-тов.-М.,Просвещение,1991
7.2. Дополнительная
7.2.1. Д.В.Хеерман. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике
(пер.с англ.).-М.Наука, 1990
7.2.2. К.Биндер, Д.В.Хеерман. Моделирования методом Монте-Карло в
статистической физике (пер. с англ.).-М.:Наука,1995.
7.2.3. Д Каханер, К.Моулер, С.Нэш.Численные методы и математическое
обеспечение (пер. с англ.)-М.:Мир,1998.
7.2.4. Айтов Ж.А., Макамбаев Б.М. Паскаль тілінде программалау. Алматы, 1998