comput2

Computerorientierte Physik
VORLESUNG
• Zeit:
jeweils Mo. 9.40 - 11.10 Uhr
Ort:
Hörsaal 5.01, Institut für
Experimentalphysik, Universitätsplatz 5,
A-8010 Graz
INHALTSVERZEICHNIS
1 Einleitung
1.1
einige Beispiele
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.4
1.2
Das Notebook als NF-Messplatz
Bewegungsanalyse mit GPS
Messablaufkontrolle übers Internet
Simulation eines Kfz
Grundlagen
1.2.1
1.2.2
Wichtige Hardwaregruppen und ihre Kommunikation
Softwarekonzepte
2 Computerunterstützte Datenerfassung
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
2.1
Digitalisierung und Abtasttheorem
3
2.2
Schnittstellen
4
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.3
Parallele Schnittstellen (LPT, IEEE, etc.)
Serielle Schnittstellen (RS232, USB, etc.)
Spezielle Schnittstellen (IDE, SCSI, etc.)
Real-time Verfahren
4
4
4
4
3 Datenfilterung und Datenreduktion
4
4 Darstellung von physikalischen Daten (Visualisierung)
4
5 Steuern und Regeln
4
6 Simulation und Modellierung
4
6.1
Etwas numerische Mathematik
4
6.2
Simulation von Bewegungsvorgängen (Mechanik)
5
6.3
Simulation quantenmechanischer Vorgänge
5
6.4
Simulation statistischer Vorgänge
5
Einleitung:
einige Beispiele für Physik und
Computer
• Notebook als NF-Messplatz
(Funktionsgenerator, Oszi , Spektrumanalyser)
• Bewegungsaufzeichnung mit GPS
• Überwachung von Messvorgängen
übers Internet.
• Simulation von Messvorgängen
Simulation eines Kfz
Motor
Drehmoment D()
Masse M
Trägheitsmoment I
Reibung und
Luftwiderstand F(v)
Simulation
Getriebeübersetzung,
Raddurchmesser r
Wirkungsgrad,
Brennwert Benzin
Ergebnisse:
v(t), s(t), b(v), v(s),
Benzinverbrauch, Überholvorgang
1000
2000
Umdrehungen pro Minute
3000
4000
5000
6000
7000
600
600
550
500
500
Drehmoment [Nm]
450
400
400
350
300
300
250
200
200
150
100
100
50
0
0
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750
-1
Kreisfrequenz  [s ]
Getriebeschaubild
80
v=0,10382
75
v6
v5
v4
v3
v2
v1
70
Geschwindigkeit [m/s]
65
60
55
50
45
40
v =0,08898 
v =0,07306 
v =0,05682 
35
30
v =0,041 
25
20
15
v =0,02499 
10
5
0
0
100
200
300
400
500
600
-1
Kreisfrequenz  [s ]
700
800
3200
3000
2800
2600
2400
Reibung [N]
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Geschwindigkeit [km/h]
[mph]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
30
28
24
22
20
18
16
[mpg]
Benzinverbrauch [l/100km]
26
14
12
1. Gang 968
2. Gang 968
3. Gang 968
4. Gang 968
5. Gang 968
6. Gang 968
10
8
6
4
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
2
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Geschwindigkeit [km/h]
0
10
20
30
40
50
260
240
220
180
gemessen an 968
sim. 968
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Zeit [sec]
40
45
50
55
60
[mph]
Geschwindigkeit [km/h]
200
60
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100
95
Geschwindigkeit [km/h]
90
85
2. Gang (3,35sec, 76m, 0,042l)
3. Gang (3,93sec, 86m, 0,034l)
2. Gang (3,28sec, 75m, 0,048l)
3. Gang (3,89sec, 85m, 0,036l)
80
75
70
65
60
55
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Weg [km]
0.06
0.07
0.08
0.09
Simulation
v
D
(


)
I 

r  F (v )
F   M  2 v 
r 
r

D(v )r  r F (v )
dv 
dt
2
r M I
2
v0
t0
D ( v0 ) r  r 2 F ( v0 )
v1  v0 
t
2
r M I
t1  t0  t
Einleitung: Grundlagen
Hardwaregruppen und ihre Kommunikation
Peripherie
Memory
Clock
CPU
Interrupt
DMA
Daten Bus
Control Bus
Adress Bus
PIA
SIA
Computerorientierte Physik
Übungen
• Zeit:
Ort:
jeweils Mo. 11.10 - 11.55 Uhr
bzw. freie Zeitvereinbarung
(Projekte)
Hörsaal 5.01, Institut für
Experimentalphysik,
Universitätsplatz 5, A-8010 Graz
Beispiele
• Berechnung und Simulation optischer
Geräte
(A.Leitner)
• Bewegungsanalyse der Handschrift
• Fourier-Spektroskopie (FTIR) (H.Krenn)
• Analyse von Bewegungsvorgängen mit
GPS
• Drehmoment- und Leistungskurve
eines Ottomotors
• Simulation (Berechnung) von
physikalischen Vorgängen