Projekt fondu rozvoje vysokých škol 1809/2007 "Příprava kurzu - Simulace jednoduchých fyzikálních dějů"

Transkript

1 Cíle projektu: Projekt fondu rozvoje vysokých škol 1809/2007 "Příprava kurzu - Simulace jednoduchých fyzikálních dějů" Cílem projektu bylo vytvoření nového předmětu (výběrové kurzy Simulace jednoduchých fyzikálních dějů A,B a jejich následné zapojení do výuky), v rámci kterého by studenti simulovali jednoduché a snadno experimentálně realizovatelné fyzikální děje a získané výsledky porovnali s experimentem. Záměrem bylo, aby studenti prošli všemi fázemi počítačového modelování včetně porovnání s experimentem a vlastní prezentací výsledků. Důvodem ke vzniku nového předmětu byl fakt, že během studia se student seznámí s řadou nástrojů (programátorské jazyky, matematické metody, simulační metody, fyzikální teorie, ), které slouží k samotným simulacím fyzikálních dějů. V žádném kurzu však není dostatek prostoru na komplexní proces simulace fyzikálních jevů - analýza modelovaného děje, sestavení fyzikálních rovnic, sestavení a odladění programu, testování programu a jeho porovnání s experimentem, tvorba závěrů a následná prezentace. Jako kontrolní mechanismy plnění cílů byly určeny: vytvoření sylabu pro předmět na oba semestry vytvoření podkladů pro jednotlivá témata navrhovaná v sylabu vypracování závěrečné zprávy, která bude veřejně dostupná na stránkách katedry fyziky ve formátu PDF po dobu minimálně jednoho roku po ukončení projektu. Řešitelský kolektiv: Mgr. Dalibor Sedlák, Mgr. Zdeněk Strýhal Finanční plán a čerpání finančních prostředků: Částka (tis. Kč) Popis Dotace z FRVŠ Příspěvek VŠ Přiděleno Čerpáno Odměny za řešení projektu Stipendia Ostatní osobní náklady Služby Cestovné zahraniční Ostatní Běžné náklady celkem

2 Konkrétní obsah jednotlivých položek čerpání (cena zaokrouhlena na tis. Kč) Odměny za řešení projektu: Ostatní: vyplaceny v souladu s projektem (17) - přenosný počítač - v souladu s projektem byl zakoupen Toshiba Satellite Pro U200, který překračuje požadované specifikace (36) - dataprojektor - v souladu s projektem byl zakoupen dataprojektor Acer PD527W, který překračuje požadované specifikace (24) - PC (server) - v souladu s projektem byl zakoupen server, který překračuje HW požadavky (AMD64X2 4000, RAM 2GB, 2x HDD 250GB). (31) - záloha dat - v souladu s projektem byly zakoupeny 2 kusy USB externích disků s kapacitou 160GB (6) - monitor - v souladu s projektem byl zakoupen LCD monitor Hyundai IQ W240D, který překračuje požadované specifikace (15) - kamera - v souladu s projektem byla zakoupena kamera Sony HDR-HC7E (+ příslušenství), která splňuje požadované specifikace (HDV 1080i, rychlé zpracování obrazu snímků za sekundu) (45) - drobný materiál - v souladu s projektem byl zakoupen materiál a nástroje pro experimenty, které umožňují realizaci mnoha experimentů (9) - literatura - v souladu s projektem byly zakoupeny 2 ks Computational Methods in Physics, Chemistry and Biology: An Introduction; ISBN: (4) - sociální a zdravotní pojištění - bylo využito na pojistné k odměnám (6) Projekt nebyl současně dotován z jiných programů financovaných ze státního rozpočtu z kapitoly MŠMT ani z jiných finančních zdrojů. Plnění cílů projektu V průběhu řešení projektu, jehož cílem byla příprava kurzu, byl pro verifikaci předpokladů vypsán výběrový kurz Praktikum počítačových simulací fyzikálních dějů. Tento kurz byl realizován celkem dvakrát a byl navštěvován studenty převážně z oboru počítačového modelování (tento kurz je primárně určen právě pro tyto studenty PřF). Ze zkušeností z těchto kurzů pak došlo k vytvoření konečné koncepce tohoto předmětu. Původní předpoklad realizace minimálně dvou odlišných témat během každého semestru se ukázal jako nerealizovatelný v předpokládané kvalitě vytvoření realistického modelu a jeho srovnání s experimentem. Spojení experimentu a modelování se ukázalo jako velmi žádoucí, neboť studenti počítačového modelovaní během studia nemají žádnou zkušenost s fyzikálním experimentem. Díky absenci předmětu, který by se blíže věnoval metodám počítačové grafiky a zpracování obrazového materiálu (tento předmět se vyučuje až v posledním ročníku navazujícího magisterského studia), se studenti budou podílet na kompletní realizaci experimentu včetně samotného zpracování obrazových dat (tato data tedy nebudou předem připravena). K tomuto účelu je na zakoupeném serveru nainstalován potřebný software pro tvorbu modelů a zpracování obrazových dat, který je neomezeně určen pro všechny studenty navštěvující tento kurz. Předmět bude zakončen závěrečnou prací, kterou student sám vytvoří ve formě www stránek pomocí informačního wiki systému, který je nainstalován na zakoupeném serveru. Tyto dokumenty budou k dispozici nejen registrovaným studentům aktuálního kurzu, ale také všem

3 studentům pro pozdější studium. Součástí informačního systému jsou všechny potřebné podklady k tomuto předmětu: návody pro práci se serverem (vzdálený přístup, tvorba skriptů, syntaxe pro editaci www stránek, překlad zdrojových kódů, ) návody pro práci s programy (zpracování videa, export dat do grafické podoby,...) teorii počítačového modelování (molekulární dynamika, numerické metody, ) fyzikální teorie k modelovaným experimentům Zvolený informační systém umožňuje pohodlnou a efektivní aktualizaci a rozšiřování výše uvedených materiálů. Tento předmět bude dále pravidelně vypisován. Z již uvedených důvodů bude celý semestr věnován pouze jednomu tématu. V případě modernizace studijních programů by bylo vhodné tento kurz koncipovat jako navazující, kde první semestr by kladl důraz na vytvoření realistického modelu. Ladění modelu pro realizovaný experiment, včetně zpracování videa a grafického výstupu z modelu, by bylo obsahem druhého semestru. Přínos projektu: Je vytvořen předmět, v rámci kterého je prostor na realizaci modelu od formulace problému až po porovnání s reálným experimentem. Realizované modely lze využít i při výuce jiných předmětů, například při výuce předmětu - Úvod do fyziky, který je určen pro studenty prvních ročníků mnoha oborů na Přírodovědecké fakultě. Výsledky z kurzů budou pravidelně používány při akcích pořádaných katedrou fyziky jako prezentace vlastní práce studentů. Modely z verifikačních kurzů již byly použity, např. při akcích Týden vědy a Den otevřených dveří v roce Vznik nových témat závěrečných bakalářských prací. V souladu s projektem bylo zakoupeno požadované vybavení, které umožní kompletní realizaci tohoto předmětu (není závislý na vybavení učeben a laboratoří).

4 Simulace jednoduchých fyzikálních dějů A,B Kódy: KFY/ Výběrový kurz Studijní program: B1701 Fyzika Studijní obory: Počítačové modelování ve fyzice a technice, Počítačové modelování ve vědě a technice, Doporučený ročník: 2.,3. Semestr: letní,zimní Hodinová dotace a způsob zakončení: 0/2 Z Předpoklady: základní znalost programování a fyziky Přednášející/Garant: Mgr. Dalibor Sedlák, Mgr. Zdeněk Strýhal Anotace: Simulace jednoduchých a snadno reálně pozorovatelných fyzikálních dějů, příprava a realizace experimentu, zpracování obrazových dat, simulace experimentu a jeho následná visualizace, prezentace a diskuze získaných výsledků. Sylabus: (uvedené okruhy nepředstavují jednotlivé hodiny) Úvod do problematiky předmětu Problematika vzdáleného přístupu na server a jeho softwarove vybaveni. Prezentace navrhovaných témat. Fyzikální teorie k navrhovaným tématům. Příprava a realizace experimentu Příprava a realizace zvoleného experimentu v nejjednodušším provedení. Záznam experimentu. Zpracování obrazových dat Problematika počítačové grafiky. Software pro zpracování videa. Úprava záznamu. Fyzikální teorie Potřebná fyzikální teorie k vybranému experimentu. Sestavení pohybových rovnic. Problematika volby vhodného potenciálu. Základní principy počítačového modelování Úvod do problematiky molekulární dynamiky. Způsob řešení pohybových rovnic. Základní metody numerické matematiky (metody pro výpočet diferenciálních rovnic, problematika šíření chyb) Vytvoření počítačového modelu Seznámení s prostředky na realizaci modelu. Vytvoření základního modelu. Problematika vizualizace simulačních dat. Ladění modelu Ladění experimentu na základě porovnání s pozorovaným dějem. Vizualizace simulačních dat. Pokračování experimentu Realizace experimentu v modifikacích navržených studenty s ohledem na vytvořený model. Prezentace problému Tvorba závěrečné zprávy v informačním wiki systému. Prezentace a diskuze získaných výsledků. Doporučená literatura: HRACH R. Počítačová fyzika I, opory PF UJEP, Ústí nad Labem., HRACH R. Počítačová fyzika II, opory PF UJEP, Ústí nad Labem., ŽÁRA J., BENEŠ B., FELKEL P. Moderní počítačová grafika, Computer Press, Brno HLAVÁČ V., ŠONKA M. Počítačové vidění, Grada, Praha., VICHER M. Fortran, opory PF UJEP, Ústí nad Labem., 2003 KRÁLÍK J., Úvod do fyziky, opory PF UJEP, Ústí nad Labem., 2003 KRÁLÍK J., Mechanika, opory PF UJEP, Ústí nad Labem., 2003 HEROUT P., Učebnice jazyka C, Kopp, 1995 HARRISON P., Computational Methods in Physics, Chemistry and Biology: An Introduction,Wiley., 2001

5 Navrhovaná témata: 1. Problematika reálných kyvadel: tuhý závěs (tyč, tyč se závažím, bez prostředí, s odporem prostředí) pružný závěs se závažím (bez prostředí, s odporem prostředí) závěs s pohyblivým uchycením závěs s proměnnou délkou závěs narážející do překážek 2. Problematika tekutin: prudění z nádob náraz proudu na překážky obtékání těles nárazy těles do tekutin 3. Deformace těles nárazem náraz telesa na tuhou podložku náraz tuhého tělesa do měkkého tělesa 4. Pružná tělesa průvěs pružného vodorovného lanka (bez zátěže, se zátěží, s podpěrou, ) nafukování balónku v omezeném prostoru