Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Computational Methods of Physics and Technics 1
Course of study:
2016/2017
Code:
JFT-1-611-s
Faculty of:
Physics and Applied Computer Science
Study level:
First-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Technical Physics
Semester:
6
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Responsible teacher:
prof. dr hab. inż. Szafran Bartłomiej (bszafran@agh.edu.pl)
Academic teachers:
prof. dr hab. inż. Szafran Bartłomiej (bszafran@agh.edu.pl)
Module summary

Student poznaje metody różnicowe służące do rozwiązywania problemów fizyki klasycznej, w zastosowaniu do dynamiki Newtona, równań cząstkowych, oraz elementarne metody numeryczne.

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence
M_K001 Student potrafi zaplanować realizację projektu oraz opisać w sposób klarowny i atrakcyjny osiągnięte rozwiązania. FT1A_K09, FT1A_K03 Report,
Activity during classes,
Project
Skills
M_U001 Student umie wykonać różniczkowanie i całkowanie numeryczne funkcji jednej zmiennej. Student umie numerycznie rozwiązać – za pomocą opracowanego przez siebie programu komputerowego – równania ruchu dla kilku cząstek klasycznych Student potrafi rozwiązywać numerycznie typowe równania cząstkowe (falowe, adwekcji-dyfuzji, Poissona) FT1A_U11, FT1A_U08, FT1A_U04, FT1A_U03, FT1A_U02, FT1A_U01 Activity during classes,
Project,
Report,
Participation in a discussion
Knowledge
M_W001 Student zna podstawowe metody dynamiki molekularnej. FT1A_W02, FT1A_W03, FT1A_W05, FT1A_W01, FT1A_W06
M_W002 Student zna podstawowe metody różnicowe rozwiązywania równań ruchu mechaniki klasycznej. FT1A_W02, FT1A_W03, FT1A_W05, FT1A_W01, FT1A_W06
M_W003 Student zna podstawowe schematy numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych zwyczajnych i cząstkowych typowych dla fizyki klasycznej (falowe, dyfuzji, adwekcji) w podejściu różnic skończonych. FT1A_W02, FT1A_W03, FT1A_W05, FT1A_W01, FT1A_W06
M_W004 Student zna podstawowe metody różnicowe obliczania pochodnych i całek funkcji jednej zmiennej. FT1A_W02, FT1A_W03, FT1A_W05, FT1A_W01, FT1A_W06 Activity during classes,
Project,
Report,
Participation in a discussion
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Others
E-learning
Social competence
M_K001 Student potrafi zaplanować realizację projektu oraz opisać w sposób klarowny i atrakcyjny osiągnięte rozwiązania. - - - + - - - - - - -
Skills
M_U001 Student umie wykonać różniczkowanie i całkowanie numeryczne funkcji jednej zmiennej. Student umie numerycznie rozwiązać – za pomocą opracowanego przez siebie programu komputerowego – równania ruchu dla kilku cząstek klasycznych Student potrafi rozwiązywać numerycznie typowe równania cząstkowe (falowe, adwekcji-dyfuzji, Poissona) - - - + - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Student zna podstawowe metody dynamiki molekularnej. + - - - - - - - - - -
M_W002 Student zna podstawowe metody różnicowe rozwiązywania równań ruchu mechaniki klasycznej. + - - - - - - - - - -
M_W003 Student zna podstawowe schematy numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych zwyczajnych i cząstkowych typowych dla fizyki klasycznej (falowe, dyfuzji, adwekcji) w podejściu różnic skończonych. + - - + - - - - - - -
M_W004 Student zna podstawowe metody różnicowe obliczania pochodnych i całek funkcji jednej zmiennej. + - - - - - - - - - -
Module content
Lectures:

(1) różniczkowanie numeryczne
(2) interpolacja wielomianowa
(3) rozwiązywanie algebraicznych równań nieliniowych
(3) dynamika Newtona w metodzie różnic skończonych:
(3a) schematy Eulera, trapezów, Rungego-Kutty, Adamsa
(3b) kontrola błędu i automatyczny dobór kroku czasowego, problemy sztywne
(4) dynamika Newtona dla obiektów rozciągłych
(4a) schematy Verleta, rozwiązywanie równania falowego dla struny, drgania tłumione, wymuszone, rezonanse
(4b) opis numeryczny ciała miękkiego
(5) problemy optymalizacji: (5a) metody gradientowe oraz (5b) metody Monte Carlo
algorytm Metropolisa, symulowane wygrzewanie (b) algorytmy genetyczne
(6) Całkowanie numeryczne: kwadratury Newtona, Gaussa, całkowanie Monte Carlo
(7) Model Isinga
(8) Rozwiązywanie równania Poissona (7a) dokładne i iteracyjne metody rozwiązywania układów równań liniowych (7b) metody relaksacyjne (7c) metody wielosiatkowe
(9) Problemy adwekcji i dyfuzji. Analiza von Neumanna. Kryterium CFL.
(10) Rozwiązywanie równania mechaniki płynów nieściśliwych (a) przepływ potencjalny (b) przepływ cieczy lepkiej

Project classes:

Student wykonuje w czasie semestru 7 projektów. Zajęcia projektowe odbywają się raz na dwa tygodnie. Studenci zaczynają pracować nad zadaniem w czasie zajęć. Zajęcia z n-tych zajęć muszą zostać zaliczone nie później niż na n+2 zajęciach.

Tematyka projektów
(1) dynamika Newtona dla ciała punktowego w jednym wymiarze
(2) rachunek z kontrolowanym krokiem czasowym w zastosowaniu do orbity ciała w potencjale grawitacyjnym
(3) równanie struny, drgania wymuszone, rezonanse
(4) optymalizacja gradientowa oraz Monte Carlo
(5) rozwiązywanie równania Poissona metodą nadrelaksacji
(6) przepływ potencjalny
(7) przepływ lepki

Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 119 h
Module ECTS credits 4 ECTS
Completion of a project 50 h
Realization of independently performed tasks 14 h
Participation in lectures 30 h
Preparation of a report, presentation, written work, etc. 10 h
Participation in project classes 15 h
Additional information
Method of calculating the final grade:

Student przygotowuje 7 projektów na temat zadany przez prowadzącego.

Wykonanie projektu wymaga napisania programu komputerowego rozwiązującego problem oraz
zebranie danych oraz opisanie wyników w formie sprawozdania.

Ocena końcowa jest obliczona jako średnia arytmetyczna z ocen z 6 najwyżej ocenionych projektów wykonanych przez studenta.

Prerequisites and additional requirements:

• Znajomość podstaw rachunku różniczkowego
• Znajomość podstaw teorii równań różniczkowych zwyczajnych i cząstkowych
• Znajomość praw ruchu mechaniki klasycznej

Recommended literature and teaching resources:

1. J. Adamowski, „Metody obliczeniowe fizyki i techniki I”, www.fis.agh.edu.pl/~adamowski/dydaktyka
2. D. Potter „Metody obliczeniowe fizyki” (PWN, Warszawa, 1977)
3. D.W. Heermann „Podstawy symulacji komputerowych w fizyce” (WN-T, Warszawa, 1997)
4. Tao Pang „Metody obliczeniowe w fizyce” (PWN, Warszawa, 2001)
5. S.E. Koonin, D. Meredith „Computational Physics” (Addison-Wesley, Reading, 1990)

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

1.
Nanodevice for High Precision Readout of Electron Spin
By: Szumniak, P.; Bednarek, S.; Szafran, B.; et al.
Conference: 39th Conference on the Physics of Semiconductors Location: Jaszowied Int Sch, Krynica-Zdroj, POLAND Date: JUN 19-24, 2010
Sponsor(s): Inst Phys Polish Acad Sci; Univ Warsaw, Fac Phys; Inst High Pressure Phys Polish Acad Sci
ACTA PHYSICA POLONICA A Volume: 119 Issue: 5 Pages: 651-653 Published: MAY 2011

2.
Spin accumulation and spin read out without magnetic field
By: Bednarek, S.; Szumniak, P.; Szafran, B.
PHYSICAL REVIEW B Volume: 82 Issue: 23 Article Number: 235319 Published: DEC 16 2010

3.
Selective suppression of Dresselhaus or Rashba spin-orbit coupling effects by the Zeeman interaction in quantum dots
By: Szafran, B.; Nowak, M. P.; Bednarek, S.; et al.
PHYSICAL REVIEW B Volume: 79 Issue: 23 Article Number: 235303 Published: JUN 2009

4.
Magnetic-Field Asymmetry of Electron Wave Packet Transmission in Bent Channels Capacitively Coupled to a Metal Gate
By: Kalina, R.; Szafran, B.; Bednarek, S.; et al.
PHYSICAL REVIEW LETTERS Volume: 102 Issue: 6 Article Number: 066807 Published: FEB 13 2009

5.
Gated combo nanodevice for sequential operations on single electron spin
By: Bednarek, S.; Szafran, B.
NANOTECHNOLOGY Volume: 20 Issue: 6 Article Number: 065402 Published: FEB 11 2009

6.
Spin Rotations Induced by an Electron Running in Closed Trajectories in Gated Semiconductor Nanodevices
By: Bednarek, S.; Szafran, B.
PHYSICAL REVIEW LETTERS Volume: 101 Issue: 21 Article Number: 216805 Published: NOV 21 2008

7.
Induced quantum dots and wires: Electron storage and delivery
By: Bednarek, S.; Szafran, B.; Dudek, R. J.; et al.
PHYSICAL REVIEW LETTERS Volume: 100 Issue: 12 Article Number: 126805 Published: MAR 28 2008

8.
Quantum dot defined in a two-dimensional electron gas at a n-AlGaAs/GaAs heterojunction: Simulation of electrostatic potential and charging properties
By: Bednarek, S.; Lis, K.; Szafran, B.
PHYSICAL REVIEW B Volume: 77 Issue: 11 Article Number: 115320 Published: MAR 2008

9.
Exciton spectra in vertical stacks of triple and quadruple quantum dots in an electric field
By: Szafran, B.; Barczyk, E.; Peeters, F. M.; et al.
PHYSICAL REVIEW B Volume: 77 Issue: 11 Article Number: 115441 Published: MAR 2008

10.
Electron correlations in charge coupled vertically stacked quantum rings
By: Szafran, B.; Bednarek, S.; Dudziak, M.
PHYSICAL REVIEW B Volume: 75 Issue: 23 Article Number: 235323 Published: JUN 2007

Additional information:

Sposób i tryb wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach

Projekt: Nieobecność na zajęciach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału. Student, który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż 3 zajęcia i jego cząstkowe wyniki w nauce były negatywne może zostać pozbawiony przez prowadzącego zajęcia możliwości wyrównania zaległości.
Obecność na wykładzie: zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.

Zasady zaliczania zajęć
Projekt: Podstawowym terminem uzyskania zaliczenia jest koniec zajęć w danym semestrze.