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Hochschullehrbuch für Studierende und Lehrende der Physik mit einer Einführung in die Programmiersprache Python, die sich gut für Simulationen und Visualisierungen physikalischer Probleme eignet und hier auf Fragestellungen aus der Mechanik angewendet wird.

 

 

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 10 / 2.4 Installation einer Entwicklungsumgebung 10 / 2.5 Starten einer interaktiven Python-Sitzung 10 / 2.6 Python als Taschenrechner 12 / 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 Formatierte Strings 30 / 2.14 Vergleiche und boolesche Ausdrücke 31 / 2.15 Erstellen von Python-Programmen 33 / 2.16 Funktionen 35 / 2.17 Ablaufsteuerung 37 / 2.18 Numerische Berechnungen mit NumPy 43 / 2.19 Grafische Ausgaben mit Matplotlib 57 / 2.20 Animationen mit Matplotlib 60 / 2.21 Positionierung von Grafikelementen 64 / Zusammenfassung 66 / Aufgaben 67 / Literatur 68 // 3 Physikalische Größen und Messungen 71 / 3.1 Darstellung physikalischer Größen 71 / 3.2 Statistische Messfehler 73 / 3.3 Simulation der Gauß-Verteilung 80 / 3.4 Kurvenanpassung an Messdaten 82 / Zusammenfassung 87 / Aufgaben 88 / Literatur 89 // 4 Kinematik des Massenpunkts 91 / 4.1 Schiefer Wurf 92 / 4.2 Radiodromen 95 / 4.3 Gleichförmige Kreisbewegung 104 / 4.4 Bewegung entlang einer Schraubenlinie 107 / Zusammenfassung 110 / Aufgaben 110 / Literatur 112 // 5 Statik von Massenpunkten 113 / 5.1 Starre Stabwerke 115 / 5.2 Elastische Stabwerke 124 / 5.3 Linearisierung kleiner Deformationen 132 / 5.4 Darstellung der Kräfte über eine Farbtabelle 137 / 5.5 Dreidimensionale Stabwerke 139 / 5.6 Unterbestimmte Stabwerke 139 / Zusammenfassung 140 / Aufgaben 141 / Literatur 142 // 6 Dynamik des Massenpunkts 143 / 6.1 Eindimensionale Bewegungen 144 / 6.2 Reduktion der Ordnung 147 / 6.3 Runge-Kutta-Verfahren 149 / 6.4 Freier Fall mit Luftreibung 152 / 6.5 Interpolation von Messwerten für Simulationen 156 / 6.6 Mehrdimensionale Bewegungen 159 / 6.7 Schiefer Wurf mit Luftreibung 159 / 6.8 Schiefer Wurf mit Coriolis-Kraft 162 / 6.9 Planetenbahnen 166 / Zusammenfassung 170 / Aufgaben 171 / Literatur 172 // 7 Mehrteilchensysteme und Erhaltungssätze 173 / 7.1 Erhaltungssätze 173 / 7.2 Bewegungen mehrerer Massen 175 / 7.3 Doppelsternsysteme 176 / 7.4 Sonnensystem 180 / 7.5 Elastische Stoßprozesse 187 / 7.6 Stoß zweier harter Kugeln 190 / 7.7 Stoß vieler harter Kugeln 197 / 7.8 Modell eines Gases 206 / 7.9 Gleich Verteilungssatz der statistischen Physik 209 / 7.10 Brownsche Bewegung 212 / Zusammenfassung 213 / Aufgaben 214 / Literatur 216 // 8 Zwangsbedingungen 217 / 8.1 Verallgemeinerte Koordinaten 218 / 8.2 Pendel mit Zwangskraft 220 / 8.3 Baumgarte-Stabilisierung 224 / 8.4 Verallgemeinerung der Zwangsbedingungen 227 / 8.5 Chaotische Mehrfachpendel 232 / 8.6 Zwangsbedingungen mit Ungleichungen 239 / 8.7 Zeitabhängige Zwangsbedingungen 250 / Zusammenfassung 251 / Aufgaben 252 / Literatur 254 // 9 Schwingungen 255 / 9.1 Theorie des linearen Federpendels 256 / 9.2 Darstellung von Resonanzkurven 257 / 9.3 Visualisierung einer Feder 259 / 9.4 Simulation des Federpendels 264 / 9.5 Hörbarmachen von Schwingungen 267 / 9.6 Nichtlineare Schwingungen 270 / 9.7 Fourier-Analysen 273 / 9.8 Spektralanalyse von Audiosignalen 279 / 9.9 Amplituden und Frequenzmodulation 283 / 9.10 Resonanzkurven nichtlinearer Systeme 286 / 9.11 Gekoppelte Schwingungen und Eigenmoden 290 / Zusammenfassung 299 / Aufgaben 300 / Literatur 302 // 10 Wellen 303 / 10.1 Transversal-und Longitudinal wellen 305 / 10.2 Masse-Feder-Kette 308 / 10.3 Stehende Wellen 313 / 10.4 Interferenz 315 / 10.5 Komplexe Amplituden 318 / 10.6 Huygenssches Prinzip: Beugung am Spalt 321 / 10.7 Brechung 323 / 10.8 Doppler-Effekt und machscher Kegel 327 / 10.9 Hörbarmachen des Doppler-Effekts 330 / 10.10 Dispersion und Gruppengeschwindigkeit 335 / Zusammenfassung 341 / Aufgaben 342 / Literatur 344 // 11 Grafische Benutzeroberflächen 345 / 11.1 Objektorientierte Programmierung 346 / 11.2 Definition von Klassen 348 / 11.3 Vererbung 349 / 11.4 Überschreiben von Methoden 351 / 11.5 Design einer Benutzeroberfläche 351 / 11.6 Erzeugen einer GUI mit PyQt 355 / 11.7 Implementierung der Benutzeroberfläche 356 / 11.8 Animationen in GUIs 362 / 11.9 Generatoren 363 / Zusammenfassung 364 / Literatur 365 // 12 Ausblick 367 / Literatur 368 // Index 369