Theoretische Physik Uni Konstanz

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Computerphysik I
Sommersemester 2021

Inhaltsverzeichnis

0. Einführung Linux
I. Der Oszillator (Integration von Bewegungsgleichungen)
II. Chaotische Systeme (Feigenbaum, Mandelbrot-Menge, chaotische Pendel)
III. Randwertprobleme (Numerische Lösung der stationären Schrödingergleichung und Poissongleichung)
IV. Anfangswertprobleme (Numerische Lösung der Diffusionsgleichung, der zeitabhängigen Schrödingergleichung und der Wellengleichung)
V. Eigenwertprobleme (Diagonalisierung, Störungsrechnung)

Aktuelles

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Termin Online-Vorlesung: Montag, 11:45 - 13:15 Uhr
Zu jeder Vorlesungswoche gibt es hier auf der Webseite detailierte Hinweise und eine Materialsammlung

Vorlesungsinformationen und -materialien (Download nur über VPN):

Allgemeine Hinweise

Für die Vorlesung wird ein Computer mit dem Betriebssystem Linux empfohlen. Wer keinen eigenen Linux-Rechner besitzt, kann sich auf den Login-Server von PhyMa (bart.phyma.uni-konstanz.de) per SSH (Windows z.B. mit Putty) oder X2GO einloggen und dort arbeiten. Alle Übungen lassen sich jedoch auch unter macOS oder Windows mit einer geeigneten C-Programmierumgebung (XCode, MSVC) bearbeiten.
Zur Vorbereitung zur C-Programmierung sind die Folien des Kompaktkurses Einführung in die wissenschaftliche Programmierung mit C sehr zu empfehlen.

1. Vorlesung (KW 15, 12.4.-16.4.) - Einleitung und Linux-Einführung

Als erstes wird der Bereich Computerphysik erläutert. Hierbei geht es um die Abgrenzung bzw. Überschneidung mit der Experimentalphysik und der Theoretischen Physik, aber auch um die Grundlagen und Vorgehensweisen der Computerphysik.
Linux wird in der Wissenschaft aufgrund seiner Offenheit und Flexibilität sehr gerne verwendet. Auch dieser Kurs verwendet ausschließlich Linux als Betriebssystem, da damit alle Beispiele und Anwendungen einfach nachvollziehbar sind und auch einen Einblick in die grundlegende Arbeit mit dem Computer sowie in die in der Wissenschaft übliche Arbeitsweise möglich ist.

Inhalt der Vorlesung:

Was ist Computerphysik?
Hintergrund: Betriebssystem GNU/Linux
Arbeiten mit der Kommandozeile (Shell)
Organisation des Dateisystems
Benutzer und Prozesse
Wichtige Shell-Kommandos

Links:

Vorlesung Computerphysik I - SoSe 21
Übersicht Linux
Buch zur Vorlesung: Einleitung (Kap. 1), Teil I - Computergrundlagen (Kap. 2+3)
Wikibook Linux-Praxisbuch

2. Vorlesung (KW 16, 19.4.-23.4.) - Der Oszillator I (Lösen einfacher Bewegungsgleichungen mit dem Computer)

In dieser Vorlesung geht es um die Anwendung der Programmierung und einfacher numerischer Methoden sowie die Anwendung anhand eines einfachen Beispiels, des harmonischen Oszillators.

Inhalt der Vorlesung:

Der Oszillator - Physik
Diskretisierung
Numerisches Differenzieren
Das Euler-Verfahren
Beispiel: Der harmonische Oszillator
Einführung in Gnuplot

Links:

Vorlesungsfolien - Oszillator
Buch zur Vorlesung: Der Oszillator (Kap. 13.1+13.2), Fließkommazahlen und Diskretisierung (Kap. 8.1+8.2), Näherung von Ableitungen (Kap. 9.1), Euler-Verfahren (Kap. 10.1)
Euler-Verfahren
Beispielprogramm oszi.c
Gnuplot Einführung BeschreibungGnuplot.pdf

Aufgabenblätter:

Die Übungsblätter sollen selbstständig bearbeitet werden. Es gibt keinen festen Übungstermin. Bei Fragen, Problemen etc. bitte an die Tutoren wenden. Abgabe der Lösungen bitte bis zum angegebenen Termin elektronisch an den Tutor. Eine Abgabe in Zweiergruppen ist möglich.
Die Lösungen der Projekte (Blatt 3 bis 6) sollen in je einer Ausarbeitung zusammengefasst abgegeben werden. Gerne kann dafür der ShareLaTeX-Server verwendet werden.
Für die erfolgreiche Teilnahme sind 50% von jedem Aufgabenblatt sowie die Bearbeitung eines Abschlussprojektes als Zweier- oder Dreiergruppe erforderlich. Die möglichen Projektthemen sind in der Projektliste zu finden. Bitte melden Sie sich bei Interesse und Fragen.

Blatt 1 - Linux - 12.4. (Abgabe bis 25.4.)
Blatt 2 - Projekt I (Der Oszillator) - 16.4. (Abgabe bis 16.5.)

Buch zur Vorlesung

Achtung: Das Buch enthält Kapitel, die für die Vorlesung Computerphysik I nicht relevant sind.

Informationen zum Buch: Computerphysik, 2. Auflage 2019, Springer Spektrum

Empfohlene sonstige Bücher

W. Kinzel und G. Reents, Physik per Computer, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1996
Steven E. Koonin, Benjamin Cummings 1986, Fortran-Version mit D.C.Meredith 1989, deutsche Ausgabe: Physik auf dem Computer, Oldenbourg Verlag 1987, 2 Bände (und Fortran Version Oldenbourg Verlag 1990) (veraltet, aber sehr gut)
Paul L. DeVries, A First Course in Computational Physics, Wiley, 1994
Tao Pang, An Introduction to Computational Physics, Cambridge University Press, 1997
A. Klein, A. Godunov, Introductory Computational Physics, Cambridge University Press, 2006
Rubin H. Landau, Manuel J. Paez, Computational Physics, Wiley, 1999 (modern, aber sehr viele Details)
E. W. Schmid, G. Spitz, W. Lösch, Physikalische Simulationen mit dem Personalcomputer, Springer, 1993 (historisch, aber sehr detailiert)
W. H. Press, B. P. Flannery, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, Numerical Recipes, Cambridge University Press, 1992 (Numerik)

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