Комп'ютерне моделювання фізичних процесів, частина 1
Спеціальність: Прикладна фізика та наноматеріали
Код дисципліни: 6.105.01.E.046
Кількість кредитів: 5.00
Кафедра: Прикладна фізика і наноматеріалознавство
Лектор: професор, докт. фіз.-мат. наук Брик Тарас Михайлович
Семестр: 7 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у здобувачів освіти компетентностей:
ІНТ. Здатність розв’язувати складні спеціалізовані задачі та практичні проблеми прикладної фізики та наноматеріалів, що передбачає застосування теорій та методів фізики, математики та інженерії й характеризується комплексністю та невизначеністю умов.
загальні компетентності:
ЗК 5. Навички використання інформаційних і комунікаційних технологій;
ЗК 6. Здатність до проведення досліджень на відповідному рівні;
ЗК 7. Здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел;
ЗК 9. Здатність працювати автономно;
ЗК 10. Навички здійснення безпечної діяльності
ЗК 12. Здатність зберігати та примножувати моральні, культурні, наукові цінності і досягнення суспільства на основі розуміння історії та закономірностей розвитку предметної області, її місця у загальній системі знань про природу і суспільство та у розвитку суспільства, техніки і технологій, використовувати різні види та форми рухової активності для активного відпочинку та ведення здорового способу життя.
………
фахові компетентності:
ФК 1. Здатність брати участь у плануванні та виконанні наукових та науково-технічних проектів;
ФК 3. Здатність брати участь у виготовленні експериментальних зразків, інших об'єктів дослідження;
ФК 5. Здатність до постійного розвитку компетентностей у сфері прикладної фізики, інженерії та комп’ютерних технологій.
………
фахові компетентності професійного спрямування:
ФКС 1.1. Здатність проводити комплексні дослідження, яка включає розуміння і знання відомих фізичних властивостей об’єкта дослідження та фізико-хімічних явищ в технологічних процесах;
ФКС 1.2. Здатність побудувати фізико-математичні моделі явищ і процесів у мезо- та наносистемах, енергогенеруючих та енергоперетворюючих пристроях;
ФКС 2.1. Здатність побудувати фізико-математичні моделі явищ і процесів у пристроях наноелектроніки та спінтроніки.
Результати навчання: - знати математичні основи методів Монте-Карло та молекулярної динаміки;
- знати методи врахування далекодії у моделюванні;
- знати методи розв’язання складних задач за допомогою моделювання, оцінювання окремих параметрів та характеристик структури та динаміки фізичної системи в цілому;
вміти застосовувати методи комп’ютерного моделюванн до опису структури, термодинаміки та динамічних властивостей реальних фізичних систем;
вміти розв’язувати задачі моделювання на комп’ютерах, створювати комп'ютерні програми для аналізу результатів моделювання.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: - пререквізити: квантова механіка, статистична фізика, основи програмування;
- кореквізити: фізика рідкого стану.
Короткий зміст навчальної програми: Ансамблі в комп’ютерному моделюванні. Періодичні граничні умови. Основи молекулярної динаміки. Алгоритми молекулярної динаміки. Алгоритми для ізотермічного та ізобаричного ансамблів. Поняття термостату та баростату. Молекулярна динаміка з накладеними звязками. Розрахунок статичних та динамічних властивостей у методі молекулярної динаміки. Автокореляційна функція швидкостей. Середньоквадратичні зміщення. Розрахунки дифузії та в’язкості за допомогою формул Гріна-Кубо. Алгоритм методу Монте-Карло. Застосування методу Монте-Карло для дослідження критичних явищ. Ізотермічний та ізобаричні ансамблі у методі Монте-Карло.
Опис: Методи комп’ютерного моделювання. Алгоритми молекулярної динаміки.
Розрахунок статичних та динамічних властивостей у методі молекулярної динаміки. Метод Монте-Карло
Методи та критерії оцінювання: Екзамен, захист лабораторних робіт, контрольна робота, захист індивідуального науково-дослідного завдання;
- поточний контроль (20 %): опитування на лабораторних заняттях, захист звітів (20%);
- підсумковий контроль (80%): іспит – письмова компонента (50%), усна компонента (30%).
Критерії оцінювання результатів навчання: Під час контрольних заходів (проміжний контроль, екзамен) відповіді студента оцінюються за такими критеріями:
Питання 1 і 2 рівня носять тестовий характер, вимагають від студента вибору однієї правильної відповіді серед 4-5 ймовірних варіантів та оцінюються за принципом "все або нічого":
мкб (максимальна кількість балів) - правильна відповідь,
0 балів - неправильна відповідь.
Теоретичні питання 3 рівня:
Мають на меті перевірку навичок студентів щодо розуміння теоретичного матеріалу. Відповідь по-можливості має бути повною та аргументованою.
Максимальну кількість балів (мкб) за питання отримує студент, що повністю висвітлив питання.
70-90 % від мкб – питання в цілому висвітлене, але є незначні неточності або інші недоліки.
50-70 % від мкб – відповідь на питання дано не в повному обсязі і/або є суттєві помилки .
30-50 % від мкб– зроблена спроба відповісти на питання, але зроблено грубі помилки і/або питання в цілому не висвітлене. Такої ж оцінки заслуговуватиме студент, якщо він робить неправильні висновки на основі логічних припущень, що містять правильні міркування.
10-30 % від мкб– зроблена невдала спроба відповісти на питання, лише окремі міркування і /або формули є вірними.
0 балів – жодна з записаних формул не має стосунку до даного питання, всі міркування є помилковими, або цілковито відсутні.
Задачі 3 рівня складності:
Мають на меті перевірку навичок студентів у практичному розв’язуванні фізичних задач. Задачі потрібно розв’язати з максимально можливим поясненням і, якщо в цьому є потреба, з рисунком.
Максимальну кількість балів (мкб) за ці питання отримує студент, що повністю розв’язав задачу.
70-90 % від мкб виставляється за розв’язану задачу, в якій є незначні неточності.
50-70 % від мкб – при розв’язанні допущено помилку(и), що вплинуло на результат, але підхід до розв’язання був правильним.
30-50 % від мкб – зроблена спроба розв’язати задачу, але зроблено грубі помилки і результат невірний.
10-30 % від мкб – зроблена невдала спроба розв’язати задачу і записано одна або кілька правильних формул, що мають відношення до даної задачі.
0 балів – жодна з записаних формул не має відношення до даної задачі, або студент навіть не зробив спроби розв’язати запропоновану задачу.
У підсумку виставляються оцінки за 100-бальною шкалою за наступним принципом:
Відмінно – 88 … 100 балів.
Добре – 71 … 87 балів.
Задовільно – 50 … 70 балів.
Незадовільно – 0 … 49 балів.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. D.Frenkel, B.Smit. Understanding Molecular Simulation. Academic Press. SanDiego,1996.
2. M.Allen, D.Tildesley. Computer simulation of liquids. Oxford Press, London, 1988.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).