Компьютерное моделирование физических систем

Компьютерное моделирование является неотъемлемой частью современной физики. Целью курса является формирования навыков применения расчетных методов для описания процессов, происходящих в различных физических системах. На примерах описания различных систем, начиная от самых простых, таких как решение уравнений Ньютона, и заканчивая квантовыми, будут представлены методы моделирования, описаны особенности, сложности, возникающие при компьютерном моделировании физических систем. Мы будем использовать язык программирования Python, обладающий такими неоспоримыми достоинствами для ученых–физиков как простота, легкость в освоении, а также наличие большого количества библиотек для научных вычислений. Курс «Компьютерное моделирование физических систем» является своего рода мостом от базовых теоретических знаний к практическим навыкам моделирования и проведению численных экспериментов. В результате обучения сформируются навыки компьютерного моделирования физических систем и откроются возможности для постановки численных экспериментов в различных областях физики.

Формат курса: пять последовательно связанных модулей.

Курс рассчитан на 10 недель.

Недельная учебная нагрузка: от 7 до 8 часов.

Общая трудоемкость курса – 3 зачетные единицы.

Стоимость доступа к материалам курса за исключением ознакомительной части (включая тестовые материалы и возможность пройти экзамен с прокторингом и получить сертификат) составляет 3600 рублей. Для этого нужно пройти текущее тестирование не меньше чем на 60% и итоговый тест не меньше чем на 60%.

1)      Компьютерное моделирование физических систем: Учебное пособие / Л.А. Булавин, Н.В. Выгорницкий, Н.И. Лебовка – Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2011. – 352 с.

2)      Python 3. Самое необходимое / Н.А. Прохоренок, В.А. Дронов. – СПБ.: БХВ-Петербург, 2016. – 464 с.

3)      https://numpy.org/ Компьютерное моделирование в физике в двух частях /  Х.Гулд, Я.Тобочник – М.:МИР, 1990

Базовые сведения по механике, статистической физике, физике твердого тела, квантовой механике. Базовое понимание основ программирования.

Модуль 1. Введение в Python.

1. Урок 1. Введение. Почему Python для компьютерного моделирования?
2. Урок 2. Типы данных в Python
3. Урок 3. Первое моделирование. Хаотическое поведение нелинейных систем

Модуль 2. Численные методы решения дифференциальных уравнений.

1. Урок 1. Простой гармонический осциллятор. Численные методы решения дифференциальных уравнений
2. Урок 2. Движение иона в квадрупольном масс-фильтре. Численное решение уравнений Матье-Хилла

Модуль 3 Движение многих тел.

1. Урок 1. Движение многих тел. Солнечная система
2. Урок 2. Работа с библиотекой NumPy

Модуль 4 Случайные процессы в моделировании физических систем.

1. Урок 1. Моделирование системы взаимодействующих магнитных моментов
2. Урок 2. Метод модельного отжига
3. Урок 3. Рост бактериальных колоний. Модель Идена
4. Урок 4. Агрегация, контролируемая диффузией

Модуль 5 Моделирование квантовых систем.

1. Урок 1. Квантовые системы
2. Урок 2. Анализ квантовых систем с помощью метода случайных блужданий и вариационных методов

В результате обучения по курсу слушатель получит:

• Знание базовых возможностей языка программирования Python
• Умение применять методы численного моделирования для решения задач с помощью компьютерного моделирования; анализировать результаты, полученные методами компьютерного моделирования.
• Навыки компьютерного моделирования физических систем.

Знать и уметь применять базовые возможности языка программирования Python.

Умение применять методы численного моделирования для решения задач с помощью компьютерного моделирования.

Умение анализировать результаты, полученные методами компьютерного моделирования.

Навыки компьютерного моделирования физических систем.