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Vorbestellen	Zweigstelle: 07., Urban-Loritz-Pl. 2a	Standorte: NN.P Natt / College 6a - Naturwissenschaften	Status: Entliehen	Frist: 11.10.2024	Vorbestellungen: 0

(Verlagstext)

Dieses Lehrbuch führt Sie anhand von physikalischen Fragestellungen aus der Mechanik in die Programmiersprache Python ein. Neben der reinen Simulation von physikalischen Systemen wird besonderes Augenmerk auf die Visualisierung von Ergebnissen und das Erstellen von Animationen gelegt. Mit zahlreichen Beispielen und Übungsaufgaben ermöglicht dieses Buch so den praktischen Einstieg in das wissenschaftliche Rechnen. Sie lernen Kurvenanpassungen durchzuführen sowie lineare und nicht-lineare Gleichungssysteme zu lösen, die bei der Behandlung von statischen Problemen auftreten. Auch die Lösung von Differentialgleichungen, die dynamische Systeme beschreiben, sowie Themen wie Fourier-Transformationen und Eigenwertprobleme kommen nicht zu kurz. Mithilfe der in diesem Buch vorgestellten Simulationsbeispiele vertiefen Sie darüber hinaus Ihr Verständnis der zugrundeliegenden Physik, indem Sie die physikalischen Gesetze algorithmisch umsetzen und physikalische Aufgaben simulieren, die weitaus komplexer sind als die üblichen mit Papier und Bleistift lösbaren Aufgaben. Alle im Buch vorgestellten Programme, die fertigen Animationen sowie die Lösungen zu den Übungsaufgaben werden online bereitgestellt. Die vorliegende zweite Auflage enthält zahlreiche Ergänzungen, Korrekturen und Anpassungen an die aktuellen Versionen von Python, NumPy, SciPy und Matplotlib. Darüber hinaus erwartet Sie ein zusätzliches Kapitel über objektorientierte Programmiermethoden. Ob Sie also Physik oder eine Ingenieurwissenschaft mit hohem physikalischem Anteil studieren, oder ob Sie unterrichten und Ihre Lehre durch Simulationen und Animationen anreichern möchten – dieses Buch ist dabei Ihr optimaler Begleiter! Der Autor Oliver Natt ist seit 2012 als Professor für Physik an der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm tätig. Unter anderem vertritt er im dortigen Studiengang Angewandte Mathematik und Physik neben der theoretischen Physik auch das Lehrgebiet Modellierung und Simulation mit einem Seminar, aus dem die Idee für dieses Buch hervorgegangen ist

 

 

Aus dem Inhalt:

Vorwort v / / 1 Einleitung 1 / 1.1 An wen richtet sich dieses Buch? 1 / 1.2 Was ist eine Simulation? 2 / 1.3 Die Wahl der Programmiersprache 3 / 1.4 Aufbau des Buches 4 / 1.5 Nomenklatur 5 / Literatur 6 / / 2 Einführung in Python 7 / 2.1 Installation einer Python-Distribution 8 / 2.2 Installation von Python unter Linux 9 / 2.3 Installation eines Texteditors 9 / 2.4 Installation einer Entwicklungsumgebung 10 / 2.5 Starten einer interaktiven Python-Sitzung 10 / 2.6 Python als Taschenrechner 11 / 2.7 Importieren von Modulen 15 / 2.8 Variablen 16 / 2.9 Datentypen und Klassen 18 / 2.10 Arithmetische Zuweisungsoperatoren 28 / 2.11 Mehrfache Zuweisungen (Unpacking) 28 / 2.12 Indizierung von Ausschnitten (Slices) 29 / 2.13 FormatierteStrings 30 / 2.14 Vergleiche und boolesche Ausdrücke 31 / 2.15 Erstellen von Python-Programmen 33 / 2.16 Kontrollstrukturen 35 / 2.17 Funktionen 36 / 2.18 Funktionen mit optionalen Argumenten 38 / 2.19 Bedingte Ausführung von Anweisungen 39 / 2.20 Bedingte Wiederholung von Anweisungen 39 / 2.21 Schleifen über eine Aufzählung von Elementen 41 / 2.22 Schleifen mit zip und enumerate 43 / 2.23 Styleguide PEP 8 44 / Zusammenfassung 46 / Aufgaben 46 / Literatur 48 / / 3 NumPy und Matplotlib 49 / 3.1 Eindimensionale Arrays 50 / 3.2 Mehrdimensionale Arrays 51 / 3.3 Datentypen in NumPy 52 / 3.4 Rechnen mit Arrays 54 / 3.5 Erzeugen von Arrays 55 / 3.6 Indizierung von Array-Ausschnitten (Array-Slices) 56 / 3.7 Indizierung mit ganzzahligen Arrays 58 / 3.8 Indizierung mit booleschen Arrays 58 / 3.9 Ausgelassene Indizes 59 / 3.10 Logische Operationen auf Arrays 60 / 3.11 Mehrfache Zuweisungen mit Arrays (Unpacking) 61 / 3.12 Broadcasting 62 / 3.13 Matrixmultiplikationen mit @ 63 / 3.14 Lösen von linearen Gleichungssystemen 65 / 3.15 Änderung der Form von Arrays 66 / 3.16 Grafische Ausgaben mit Matplotlib 67 / 3.17 Animationen mit Matplotlib 70 / 3.18 Positionierung von Grafikelementen 74 / Zusammenfassung 77 / Aufgaben 78 / Literatur 80 / / 4 Physikalische Größen und Messungen 81 / 4.1 Darstellung physikalischer Größen 81 / 4.2 Statistische Messfehler 83 / 4.3 Simulation der Gauß-Verteilung 90 / 4.4 Grafische Darstellung von Messdaten 92 / 4.5 Kurvenanpassung an Messdaten 94 / Zusammenfassung 96 / Aufgaben 97 / Literatur 98 / / 5 Kinematik des Massenpunkts 99 / 5.1 Schiefer Wurf 100 / 5.2 Radiodromen 103 / 5.3 Gleichförmige Kreisbewegung 112 / 5.4 Bewegung entlang einer Schraubenlinie 115 / Zusammenfassung 117 / Aufgaben 117 / Literatur 120 / / 6 Statik von Massenpunkten 121 / 6.1 StarreStabwerke 123 / 6.2 Elastische Stabwerke 132 / 6.3 Linearisierung kleiner Deformationen 140 / 6.4 Darstellung der Kräfte über eine Farbtabelle 146 / 6.5 Dreidimensionale Stabwerke 148 / 6.6 Unterbestimmte Stabwerke 148 / Zusammenfassung 148 / Aufgaben 149 / Literatur 150 / / 7 Dynamik des Massenpunkts 151 / 7.1 Eindimensionale Bewegungen 152 / 7.2 Reduktion der Ordnung 155 / 7.3 Runge-Kutta-Verfahren 156 / 7.4 Freier Fall mit Luftreibung 160 / 7.5 Interpolation von Messwerten für Simulationen 163 / 7.6 Mehrdimensionale Bewegungen 166 / 7.7 Schiefer Wurf mit Luftreibung 167 / 7.8 Schiefer Wurf mit Coriolis-Kraft 170 / 7.9 Planetenbahnen 173 / Zusammenfassung 177 / Aufgaben 179 / Literatur 180 / / 8 Mehrteilchensysteme und Erhaltungssätze 181 / 8.1 Erhaltungssätze 181 / 8.2 Bewegungen mehrerer Massen 183 / 8.3 Doppelsternsysteme 184 / 8.4 Sonnensystem 189 / 8.5 Elastische Stoßprozesse 195 / 8.6 Stoß zweier harter Kugeln 199 / 8.7 Stoß vieler harter Kugeln 206 / 8.8 Modell eines Gases 217 / 8.9 Gleich Verteilungssatz der statistischen Physik 219 / 8.10 Brownsche Bewegung 221 / Zusammenfassung 222 / Aufgaben 223 / Literatur 224 / / 9 Zwangsbedingungen 225 / 9.1 Verallgemeinerte Koordinaten 226 / 9.2 Pendel mit Zwangskraft 228 / 9.3 Baumgarte-Stabilisierung 232 / 9.4 Verallgemeinerung der Zwangsbedingungen 235 / 9.5 Chaotische Mehrfachpendel 240 / 9.6 Zwangsbedingungen mit Ungleichungen 247 / 9.7 Zeitabhängige Zwangsbedingungen 257 / Zusammenfassung 258 / Aufgaben 259 / Literatur 262 / / 10 Schwingungen 263 / 10.1 Theorie des linearen Federpendels 264 / 10.2 Darstellung von Resonanzkurven 265 / 10.3 Visualisierung einer Feder 267 / 10.4 Simulation des Federpendels 271 / 10.5 Hörbarmachen von Schwingungen 275 / 10.6 Nichtlineare Schwingungen 278 / 10.7 Fourier-Analysen 281 / 10.8 Spektralanalyse von Audiosignalen 287 / 10.9 Amplituden und Frequenzmodulation 291 / 10.10 Resonanzkurven nichtlinearer Systeme 294 / 10.11 Gekoppelte Schwingungen und Eigenmoden 298 / Zusammenfassung 307 / Aufgaben 308 / Literatur 310 / / 11 Wellen 311 / 11.1 Transversal- und Longitudinal wellen 313 / 11.2 Masse-Feder-Kette 316 / 11.3 Stehende Wellen 321 / 11.4 Interferenz 323 / 11.5 Komplexe Amplituden 326 / 11.6 Huygenssches Prinzip: Beugung am Spalt 328 / 11.7 Brechung 331 / 11.8 Doppler-Effekt und machscher Kegel 335 / 11.9 Hörbarmachen des Doppler-Effekts 338 / 11.10 Dispersion und Gruppengeschwindigkeit 343 / 11.11 Zerfließen eines Wellenpakets 346 / Zusammenfassung 349 / Aufgaben 350 / Literatur 352 / / 12 Grafische Benutzeroberflächen 353 / 12.1 Objektorientierte Programmierung 354 / 12.2 Definition von Klassen 356 / 12.3 Vererbung 358 / 12.4 Überschreiben von Methoden 359 / 12.5 Erzeugen einer Benutzeroberfläche mit PyQt 360 / 12.6 Design einer Benutzeroberfläche 361 / 12.7 Implementierung der Benutzeroberfläche 363 / 12.8 Direkte Verwendung einer ui-Datei mit PyQt 366 / 12.9 Vorteile von pyuic gegenüber loadUiType 366 / 12.10 Benutzeroberfläche für den schiefen Wurf 367 / 12.11 Implementierung der Benutzeroberfläche 370 / 12.12 Generatoren 376 / 12.13 Animationen in GUIs 377 / Zusammenfassung 379 / Literatur 380 / / 13 Objektorientierte Simulationen 381 / 13.1 Dekoratoren 382 / 13.2 Properties 384 / 13.3 Entpacken von Funktionsargumenten 385 / 13.4 Funktionen mit variabler Anzahl von Argumenten 386 / 13.5 Problemanalyse der Stabwerke 387 / 13.6 Das Paket Stabwerke 389 / 13.7 Die Klasse Stabwerk 390 / 13.8 Die Klasse StabwerkStarr 395 / 13.9 Die Klasse StabwerkElastisch 396 / 13.10 Die Klasse 398 / 13.11 Die Klasse PlotStabwerk 403 / 13.12 Die Klasse AnimationEigenmode 404 / 13.13 AnwendungendesPakets 405 / Zusammenfassung 410 / Aufgaben 410 / Literatur 412 / / 14 Ausblick 413 / Literatur 414 / / Index 415