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計算物理学

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令和元年度以前入学者 計算物理学
教員名 水野伸夫
単位数    2 学年    3 開講区分 文理学部
科目群 物理学科
学期 前期 履修区分 選択必修
授業の形態 オンデマンド型の遠隔授業と課題研究を組み合わせる。遠隔授業に対応できない学生のため一部対面型授業を取り入れる。
授業概要 物理学の様々な問題に対し、C言語を用いて数値解析を行うためのプログラミングを学ぶ。解析的に解くことが困難な方程式を数値的に解き可視化することにより、複雑な物理現象の理解を深める。
授業のねらい・到達目標 物理学の基礎方程式を解き、現象の理解と予測を行うための数値計算の基礎的な手法を習得する。物理学に関する数値シミュレーションによる解法を身に付け可視化を行うことで現象の理解を深め、独自にシミュレーションプログラムの作成能力を身に付ける。
新しい問題に取り組む意識を持ち、そのために必要な情報を収集することができる。(A-5-2)
この科目は文理学部（学士（理学）のDP5及びCP5に対応しています。
授業の方法 授業の形式：【実習】
Blackboardを通して教材を提供し、課題を提出する。コンピュータで数値計算を行う環境にない学生や遠隔授業に対応できない学生は、コンピュータ教室のPCを用いて行うことも可能である。
本授業の事前・事後学習は、各2時間の学習を目安とします。
授業計画
1 ガイダンス（授業の進め方や成績評価方法についての説明）とC言語のプログラムの復習
【事前学習】シラバスを事前にかくにんすること。C言語の基礎事項をみなおしておく。 （2時間）
【事後学習】課題プログラムを考える。C言語の関数や命令を見直しておく。 （2時間）
2 数値積分の計算
【事前学習】数値積分の台形公式とシンプソンの公式を復習する。 （2時間）
【事後学習】課題プログラムを考え、積分法と誤差について検討する。 （2時間）
3 常微分方程式の計算
【事前学習】常微分方程式を解くためのオイラー法とルンゲクッタ法を復習する。 （2時間）
【事後学習】課題プログラムを考え、それぞれの方法と誤差について検討する。 （2時間）
4 力学の問題（１）－物体の運動とグラフの作成
【事前学習】力学の運動の法則を復習する。 （2時間）
【事後学習】課題プログラムを考え、グラフの作成方法を復習する。 （2時間）
5 力学の問題（２）－運動方程式による放物運動の計算
【事前学習】質点の放物運動の運動方程式とその解について復習する。 （2時間）
【事後学習】課題プログラムを考え、質点の軌道をグラフで表す。 （2時間）
6 力学の問題（３）－単振動、減衰振動、強制振動の計算
【事前学習】バネによる単振動、減衰振動、強制振動の運動方程式とその解について調べる。 （2時間）
【事後学習】課題プログラムを考え、振動の様子をグラフで表す。 （2時間）
7 力学の問題（４）－単振子の運動の計算
【事前学習】単振子の運動方程式と微小振動のときの近似解を調べる。 （2時間）
【事後学習】課題プログラムを考え、数値解と近似解との差について調べる。 （2時間）
8 電磁気学の問題（１）－電磁場中の荷電粒子の運動
【事前学習】ローレンツ力と一様磁場中の荷電粒子の運動について復習する。 （2時間）
【事後学習】課題プログラムを考え、電場が加わった場合の荷電粒子の運動を調べる。 （2時間）
9 電磁気学の問題（２）－電場・磁場の計算
【事前学習】電場・磁場の基礎事項を復習する。 （2時間）
【事後学習】課題プログラムを考え、電場・磁場を計算し図示する。 （2時間）
10 量子力学の問題-シュレディンガー方程式の計算
【事前学習】シュレディンガー方程式のその解を復習する。 （2時間）
【事後学習】課題プログラムを考え、シュレディンガー方程式の解をグラフで示す。 （2時間）
11 熱伝導の問題-偏微分方程式の計算
【事前学習】熱伝導方程式（拡散方程式）の変数分離法による解法の復習。 （2時間）
【事後学習】課題プログラムを考え、差分法で求めた解と解析解を比較する。 （2時間）
12 レポート課題（１）
【事前学習】力学で扱った問題を復習する。 （2時間）
【事後学習】レポート課題問題１を考え、結果をまとめる。 （2時間）
13 レポート課題（２）
【事前学習】電磁気学で扱った問題を復習する。 （2時間）
【事後学習】レポート課題問題２を考え、結果をまとめる。 （2時間）
14 レポート課題（２）
【事前学習】偏微分方程式の解き方を復習する。 （2時間）
【事後学習】レポート課題問題３を考え、結果をまとめる。 （2時間）
15 まとめとレポート提出（これまでの復習・解説を行い講義の理解を深める）。
【事前学習】レポート課題問題の考察とプログラムをまとめる。 （2時間）
【事後学習】レポートの内容を確認する。 （2時間）
その他
教科書 使用しない
参考書 杉江日出澄・鈴木淳子 『C言語と数値計算法』 培風館 2001年 第1版
成績評価の方法及び基準 レポート(50%)、授業参画度:毎回の課題プログラムの提出状況での評価(30%)、課題プログラムの評価(20%)
オフィスアワー Blackboardを通して対応する。

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