Специализированного вычислительного практикума (тоже Word)

Министерство образования и науки Российской Федерации
Гoсударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный университет»
физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
декан факультета
________________ А. С. Чирцов
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
СД.В.04.05. Специализирванный вычислительный практикум
направление 010600 – Прикладные математика и физика
Модуль 02 – «Компьютерные и томографические технологии»
Разработчик:
Кандидат физ.-мат. наук _______________________________________ Комолкин А. В.
Рецензент:
Кандидат физ. - мат. наук____________________________________ Егоров А. В.
Санкт-Петербург
2008
Министерство образования и науки Российской Федерации
Гoсударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный университет»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
__________________________
«____»______________2008 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«СД.В.04.05. Специализирванный вычислительный практикум»
Рекомендовано Методическим советом СПбГУ для студентов дневной
формы обучения физического факультета
направления 010600 – Прикладные математика и физика
модуля 02 – «Компьютерные и томографические технологии»
Санкт-Петербург
2008
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом
высшего профессионального образования ГОС–2000 от 10 марта 2002 г., №123 ЕН/МАГ
и учебным планом по направлению подготовки 010600 – Прикладные математика и физика.
Программу составил:
Комолкин Андрей Владимирович, доцент кафедры квантовых магнитных явлений СПбГУ
Программа одобрена на заседании кафедры квантовых магнитных явлений
«___»___________2008 г., протокол №___________ .
Заведующий кафедрой _________________________________ В.И. Чижик
Программа одобрена на заседании Методической комиссии физического факультета
«_____»____________2008 г., протокол №___________.
Председатель Методической комиссии _______________________ И. М. Григорьев
АННОТАЦИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Специальная дисциплина по выбору «Специализирванный вычислительный
практикум» является важной в подготовке специалистов по компьютерным и
томографическим технологиям в прикладной физике, материал которой закрепляет
знания, полученные в лекционных курсах данного модуля, и используется при
выполнении лабораторных и практических работ, при подготовке выпускной
квалификационой работы. Студенты выполняют полный цикл работ по
планированию, разработке и реализации прикладных программ и выполняют
практические работы по компьютерному моделированию молекулярных систем в
жидком состоянии с помощью современных пакетов программ, используемых для
моделирования.
1. Цели и задачи дисциплины.
Основная задача курса – закрепить полученные ранее в теоретических курсах
знания по программированию физических задач и по использованию компьютеров для
моделирования молекул с помощью существующих специализированных пакетов программ.
Целью курса является формирование у студентов понимания связи физических и
математических моделей явлений, численных методов и алгоритмов решения задач в
области магнитного резонанса и молекулярной физики, а также формирование навыков
использования методов компьютерного моделирования в физических исследованиях,
понимание преимуществ и недостатков различных методов по сравнению с дргими методами
моделирования.
Слушатели курса должны приобрести базовые представления об методе
молекулярной динамики, пакетах прикладных программ, особенностях их работы.
Подразумевается, что большую часть самостоятельной работы студенты будут выполнять на
компьютерах.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
Студент должен:
- выполнить лично практические работы дисциплины «Специализирванный
вычислительный практикум» и иметь представление о возможностях
применения вычислительных методов в физике;
- уметь решать задачи, связанные с использованием ЭВМ для моделирования
молекулярных систем.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы
Виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Лабораторные работы и практические
занятия (ЛР и ПЗ)
Семинары (С)
Самостоятельная работа
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
Всего
часов
(не
менее)
232
96
–
96
–
136
Семестры
3–й курс
бакалавриата
4–й курс
бакалавриата
V
78
32
VI
154
64
VII
32
64
46
зачет
90
зачет
VIII
4. Содержание дисциплины
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№
Раздел дисциплины
п/п
1
2
1 Методы моделировния в молекулярной физике
Лекции С ЛР и
ПЗ
3
4 5
16
2 Метод моделирования молекулярной динамики (часть 1)
16
3 Метод моделирования молекулярной динамики (часть 2)
48
4 Матричные вычисления в квантовой радиофизике
16
4.2 Содержание разделов дисциплины.
Раздел 1. Методы моделировния в молекулярной физике.
Работа 1 «Моделирование столкновений атомов» (8 часов). Разработка модели, выбор
численных методов интегрирования движения, составление алгоритма, програмирование.
Сравнение точности и быстродействия алгоритмов Верле для интегрирования уравнений
движения «чехарда» (leap-frog) и «интегратор скоростей». Моделирование рассеяния частиц
на решетке. Визуализация результатов.
Работа 2 «Моделирование системы атомов методом Монте-Карло» (8 часов). Разработка
модели, составление алгоритма, программирование. Исследование характеристик некоторых
генераторов случайных чисел. Моделирование (по заданию преподавателя) двумерных
кристаллов, изинговских магнетиков, жидкостей. Визуализация моделируемых систем,
анализ физических характеристик.
Раздел 2. Метод моделирования молекулярной динамики (часть 1).
Работа 3 «Приведение модельной системы к термодинамическому равновесию» (4 часа).
Моделирование простых жидкостей методом молекулярной динамики: задание начальных
условий, моделирование на начальной стадии — приведение системы к термодинамическому
равновесию.
Работа 4 «Исследование влияния длительности шага моделирования на динамику и
состояние системы» (6 часов). Исследовать равновесные характеристики молекулярной
системы (полученной в работе 3) в зависимости от шага dt интегрирования. Выбрать
оптимальный шаг для исследуемой модели.
Работа 5 «Исследование влияния размера модельной системы на её равновесные
характеристики» (6 часов). Выполнить моделирование нескольких систем разного размера
(создать систему, привести её к равновесию, промоделировать равновесную систему).
Определить минимальный размер системы, допустимый для моделирования.
Раздел 3. Метод моделирования молекулярной динамики (часть 2).
Работа 6 «Исследование чистых жидкостей» (16 часов). Выполнить моделирование просой
жидкости меодом молекулярной динамики при разных температурах. Проанализировать
траектории движения молекул и построить температурные характеристики важнейших
величин: плотности вещества, теплоемкости, числа водородных связей на молекулу,
коэффициента самодиффузии, функций радиального распределения и других.
Работа 7 «Исследование локальной структуры простого электролита» (16 часов). Выполнить
моделирование одного из растворов электролита. Проанализировать структуру молекул
растворителя около ионов (гидратных оболочек). Визуализировть структуру гидратной
обюолочки.
Работа 8 «Конформационный анализ простых органических молекул» (16 часов). Выполнить
моделирование системы из чистого вещества, молекула которого содержит алифатическую
цепь. Проанализировать конформационную структуру и подвижность молекул.
Проанализировать взаимное расположение молекул, визуализировать некоторые из структур,
построить двухчастичные функции цилиндрического и радиального распределений.
Раздел 4. Матричные вычисления в квантовой радиофизике.
Работа 9 «Работа с матрицами в квантовой механике» (16 часов). С помощью системы
MatLab или на языке высокого уровня (Фортран-90, C/C++) разработать набор процедур для
операций с матрицами, которые используются в квантово-механических вычислениях —
сложение, умножение, вычисление функций с помощью рядов Тейлора, прямое
произведение матриц, другие. Создание матриц Паули и матриц операторов проекций спина
для спинов >1/2. Разработка программ для моделирования динамики квантово-механических
систем как эволюции матрицы плотности. Моделирование импульсных последовательностей
в ядерном магнитном резонансе. Вычисление спектров ядерного магнитного резонанса
простых систем.
5. Рекомендуемая литература.
а) основная литература
1. А. В. Комолкин, М. Г. Шеляпина. Метод молекулярной динамики. — СПб: «Соло», 2007.
2. В. Г. Дашевский. Конформационный анализ органических молекул. — М.: Химия, 1982.
б) дополнительная литература
1. Метод молекулярной динамики в физической химии. / Отв. ред. Ю. Л. Товбин. — М.:
Наука, 1996.
6. Средства обеспечения освоения дисциплины.
Наличие читальных залов и современного библиотечного фонда (включая электронный
доступ к современным научным журналам), наличие компьютеров, объединенных в сети с
выходом в Интернет с персональными рабочими местами для каждого студента при
самостоятельных и дополнительных факультативных занятиях.
7. Материально–техническое обеспечение дисциплины.
Стандартно-лекционная аудитория, оборудованная дополнительно средствами для
компьютерных демонстрационных программ. Наличие доступа в лаборатории, оснащенные
современным оборудованием и возможность реальной практической работы студентов на
этом оборудовании в ходе самостоятельной учебной работы. Обеспеченность учебниками,
учебно-методическими пособиями и доступом студентов к компьютерным классам,
информационным ресурсам, в том числе к Интернету.
8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.
К обучению студентов привлекаются только преподаватели, имеющие ученые степени,
активно работающие в различных областях компьютерного моделирования и имеющие
публикации в центральных отечественных и зарубежных научных журналах, обладающие
высокой научной квалификацией и профессиональными знаниями.