VORLESUNG

P. Knoll

Computerorientierte Physik

und Übungen


Vorlesung:
 
Zeit: jeweils Mo. 9.40 – 11.10 Uhr

Ort: Hörsaal 5.01, Institut für Experimentalphysik, Universitätsplatz 5, A-8010 Graz
 
 

 Übungen:  
Zeit: jeweils Mo. 11.10 – 11.55 Uhr

Ort: Hörsaal 5.01, Institut für Experimentalphysik, Universitätsplatz 5, A-8010 Graz

bzw. nach freier Vereinbarung (Projektgruppen)

 Der Computer ist aus der alltäglichen Forschungsarbeit nicht mehr wegzudenken. Vom Experiment angefangen, bis zu mathematisch komplexen Modellentwicklungen reicht dabei das Spektrum der Anwendungen. Die Vorlesung soll eine Einführung in die wichtigsten Möglichkeiten des Computereinsatzes in der Physik geben und auch die grundlegenden Kenntnisse vermitteln um selbst verschiedenste physikalische Problemstellungen mit Hilfe des Computers lösen zu können. Zielgruppe: Pflichtlehrveranstaltung des 2.Studienabschnittes des neuen Studienplanes Physik Diplom (4.Semester), Studenten jeglicher naturwissenschaftlicher und technischer Studienrichtung ab frühestens dem 2.Semester.

Voraussetzungen: allgemeine Mathematik und Physik Kenntnisse entsprechend einer guten Mittelschulausbildung, allgemeine praktische Erfahrung im Umgang mit dem Computer empfehlenswert.

  Aus dem Inhalt: Datenerfassung mit dem Computer (Schnittstellen, real-time, etc.)
                            Datenfilterung und Datenreduktion (digitale Filter, FFT, statistische Methoden, Fit und Spline, etc.)
                            physikalische Modellentwicklung (numerische Methoden)

mögliche praktische Übungsaufgaben:     Bewegungsanalyse mit Hilfe der Satellitennavigation,
                                                                    Spektralanalyse von akustischen Signalen,
                                                                    Leistungs- und Drehmomentverlauf eines Otto-Motors mit Hilfe eines Notebooks,
                                                                    Steuern und Regeln eines Messaufbaues

  INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung * 1.1 einige Beispiele *

1.1.1 Das Notebook als NF-Messplatz *

1.1.2 Bewegungsanalyse mit GPS *

1.1.3 Messablaufkontrolle übers Internet *

1.1.4 Simulation eines Kfz *

1.2 Grundlagen *

1.2.1 Wichtige Hardwaregruppen und ihre Kommunikation *

1.2.2 Softwarekonzepte *
 

 2 Computerunterstützte Datenerfassung *  
2.1 Digitalisierung und Abtasttheorem *

2.2 Schnittstellen *

2.2.1 Parallele Schnittstellen (LPT, IEEE, etc.) *

2.2.2 Serielle Schnittstellen (RS232, USB, etc.) *

2.2.3 Spezielle Schnittstellen (IDE, SCSI, etc.) *

2.3 Real-time Verfahren *
 

 3 Datenfilterung und Datenreduktion *   4 Darstellung von physikalischen Daten (Visualisierung) *   5 Steuern und Regeln *   6 Simulation und Modellierung *  
 
 
  1. Einleitung (Unterlagen)

    2.  

     
     
     
     

    1. einige Beispiele

      2.  

       

      1. Das Notebook als NF-Messplatz
      2. Bewegungsanalyse mit GPS
      3. Messablaufkontrolle übers Internet
      4. Simulation eines Kfz

       
       
    2. Grundlagen

      3.  

       

      1. Wichtige Hardwaregruppen und ihre Kommunikation

        2.  

         

        Prozessor (CPU, Signalprozessoren, RISC, timing-Diagramme, Kompatibilität), Befehlssatz, Memory, MMU, Adressierungsarten, Timer, PIA´s, Interruptcontroller, DMA, Bussysteme (syncron, asyncron), Adress-, Daten- und Controlbus, Memory mapped und separates I/O,
         

      2. Softwarekonzepte


    3-Schalenmodell eines Betriebssystem, Programmiersprachen, Hardware- Interfaces, Software-Interrupts, time-sharing, Queues, reentrance, multi-tasking, multi-user, Handler- und Treiber,
     
     

  2. Computerunterstützte Datenerfassung (Unterlagen)

    3.  

     
     
     
     

    1. Digitalisierung und Abtasttheorem

      2.  

       

      Genauigkeit der linearen Digitalisierung, D/A- und A/D-Wandler, Geschwindigkeit und Abtasttheorem,
       
       

    2. Schnittstellen

      3.  

       

      1. Parallele Schnittstellen (LPT, IEEE, etc.)


        2. Unidirektionale Druckerschnittstelle (8bit), bidirektionale Druckerschnittstellen, IEEE, Adressierung, 16bit Datenbreite, Kontrollstrukturen,
         

      2. Serielle Schnittstellen (RS232, USB, etc.)


        3. Hard- Software Handshake, Baudrate, Parity, FullDuplex, Modems, Ethernet, ISDN, ADSL, Coax, Twisted Pair,
         

      3. Spezielle Schnittstellen (IDE, SCSI, etc.)

       
    3. Real-time Verfahren


    Gesicherte Antwortzeiten, Periphere Prozessoren,
     
     

  3. Datenfilterung und Datenreduktion (Unterlagen)

    4.  

     
     
     
     
     

  4. Darstellung von physikalischen Daten (Visualisierung)

    5.  

     
     

    Least-square und spline, autoscaling, logarithmische Massstäbe, 3-D-Darstellungen (Axiometrie),
     
     

  5. Steuern und Regeln

    6.  

     

    Regelschleifen, Software-schleifen, PID-Regler,
     
     

  6. Simulation und Modellierung (Unterlagen)

    1. Etwas numerische Mathematik
Integrieren, Differenzieren, Nullstellen von Polynomen, Random-Zahlen, Monte-Carlo, least-square-Fit, Entropie-Methoden, Finite-Elemente, Innere Produkte und Kreuz-Korrelationen
  Simulationen: Siehe Beispiele aus den Übungen