Počítačová fyzika I (FSI-T1F)

Akademický rok 2021/2022
Garant: doc. RNDr. Miroslav Doložílek, CSc.  
Garantující pracoviště: ÚFI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Typ předmětu: oborový předmět
Cíle předmětu:
Cílem kurzu je poznat možnosti využití počítačů v každodenní práci inženýra. Po absolvování kurzu je student schopen využít personální počítač pro řešení výpočetních úloh do technických předmětů a vyhodnocení a prezentaci výsledků laboratorních měření. Zdůrazněna je samostatná práci studentů a poznání specifik jednotlivých programových prostředí.
Výstupy studia a kompetence:
Prostřednictvím řešení fyzikálních úloh, počítačového modelování fyzikálních jevů a vyhodnocení výsledků experimentu v programovacích prostředích Excel, MATLAB a MahtCad získá student představu a zkušenosti s využitím jednotlivých programovacích prostředí pro řešení výpočetních inženýrských úloh.
Prerekvizity:
Technické prostředky počítače. Obecná struktura operačního systému, principy uživatelské komunikace. Práce pod Windows. Textové a tabulkové procesory - MS Word a MS Excel. Práce v síti, Internet, mail. MATLAB - základní informace. Základy numerické matematiky. Numerické derivování a integrování funkce jedné proměnné. Řešení obyčejných diferenciálních rovnic 1. a 2. řádu. Znalosti klasické fyziky na úrovni střední školy.
Obsah předmětu (anotace):
Obsahem kurzu je samostatné řešení úloh z různých oblastí fyziky s využitím personálního počítače. Výběr úloh je proveden tak, aby pokrýval základní numerické metody (derivace, integrace, řešení soustavy rovnic, řešení diferenciální rovnice 1.řádu, interpolace, regrese), používané při technických výpočtech a zpracování experimentálních dat.
Jako programovací prostředí je používán Excel, MATLAB a MathCad. Důraz je kladen na samostatnou práci studentů. V rámci přednášky jsou studenti uvedeni do fyzikální problematiky řešených příkladů, obecnějších vlastností programovacích prostředí a použitých numerických algoritmů.
Ve cvičení pak samostatně řeší zadané příklady, přičemž zadání příkladu podrobněji specifikuje dílčí cíle řešení, v případě modelů fyzikálních jevů pak obsahuje zpravidla i rozsah hodnot parametrů a závislosti, které je třeba sledovat a vyhodnotit.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.
Způsob a kritéria hodnocení:
Podmínkou udělení zápočtu je vyřešení všech zadaných příkladů. O průběhu řešení si vedou studenti písemné poznámky. Vyřešené příklady předávají studenti v elektronické formě.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Účast ve cvičení dle rozvrhu je kontrolována vyučujícím. Způsob náhrady zmeškané výuky stanoví vyučující.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 1 hod. nepovinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  13 × 1 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška Obsahem přednášky je uvedení do problematiky řešené ve cvičení. Důraz
je kladen na
- fyzikální podstatu řešených příkladů,
- obecnější souvislosti použitých numerických metod a algoritmů,
- způsob práce, specifiky a omezení v jednotlivých programovacích
prostředích.
    Cvičení s počítačovou podporou Úvod do počítačové fyziky. Zásady práce v počítačové učebně.
Základy činnosti tabulkového kalkulátoru Excel. Kinematika rovnoměrně zrychleného pohybu. Vytváření výpočetního modelu v tabulkovém kalkulátoru.
Rychlost změny. Přesnost numerické derivace.
Kinematika nerovnoměrného pohybu. Jednoduchá numerická integrace.
Přestup tepla. Výpočet integrálu Simpsonovou metodou.
Druhý pohybový zákon. Numerické řešení diferenciální rovnice Eulerovou metodou a metodou Runge-Kutta.
Harmonické a neharmonické kmity.
Vytváření fyzikálních modelů v programovém prostředí Matlab a Simulink.
Pohyb v reálném prostředí se silami odporu. Tlumené a vynucené kmity.
Využití programu MathCAD pro vyhodnocení výsledků měření a zpracování zprávy o měření.
Vyjadřování a výpočet nejistot.
Literatura - základní:
1. Potter, F. - Peck, Ch.V.: Dynamic Models in Physics. Vol.1. Mechanics. N.Simonson Company, 1989.
2. Gould, H. - Tobochnik, J.: An Introduction to Computer Simulation Methods. Part 1 and 2. Addison - Wesley Publishing Company, 1989.
63. DeVries,P.L.: A First Course in Computational Physics. John Wiley & Sons, Inc., 1994.
Literatura - doporučená:
1. Barilla, J.: Microsoft Excel pro techniky a inženýry, 1998.
2. Dudek, P.: MathCad - příručka pro uživatele. Grada, 1992.
3. Zaplatílek,K. - Doňar,B.: MATLAB pro začátečníky. BEN - Technická literatura, 2003.
4. Maxfield, B.: Essential Mathcad for engineering, science and math. Academic Press, Amsterdam: Elsevier, 2009
5. www semináře pro Matlab a Simulink. http://www.mathworks.com/academia
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
BIT prezenční studium BITP Informační technologie -- kl 3 Volitelný 1 1 L
B-FIN-P prezenční studium --- bez specializace -- kl 3 Volitelný 1 1 L
IT-BC-3 prezenční studium BIT Informační technologie -- kl 3 Volitelný 1 1 L