Фізика та освітні технології

ЗАДАЧІ НА ВІЙСЬКОВУ ТЕМАТИКУ, ЩО РОЗКРИВАЮТЬ СУТЬ ФІЗИЧНИХ ОСНОВ ФУНКЦІОНУВАННЯ РАДІОЕЛЕКТРОННОЇ БОРОТЬБИ

2025-01-21T16:39:54+02:00

Десятилітня агресія РФ проти України є рушієм змін життя українського суспільства в цілому, і освіти зокрема. Розуміння фізичних основ сучасного озброєння, виступає не тільки засобом первинної військової підготовки молоді, а й сприяє формуванню здоров’язберігаючої компетенції. Тому актуальним є розгляд інтеграції військової тематики у шкільний курс фізики. Сучасні бойові дії називають війною дронів, отож вивчення фізичних основ засобів протидії безпілотним літаючим апаратам, а саме засобів радіоелектронної боротьби (РЕБ) є ключем до перемог. У роботі проаналізовано сучасний стан досліджень щодо використання військової тематики на уроках фізики та запропоновано методичні рекомендації для введення елементів РЕБ у навчальний процес. Обґрунтовано необхідність такого інтегрування, посилаючись на актуальність теми у контексті сучасних військових конфліктів та державну політику України щодо військово-патріотичного виховання молоді. Проаналізовано державний стандарт базової середньої освіти та чинні навчальні програми з фізики, визначено відповідні розділи, де доцільно розглядати питання РЕБ. Представлено огляд фізичних принципів, що лежать в основі функціонування засобів РЕБ, таких як радіолокація, радіозв’язок, електромагнітні перешкоди. Запропоновано ряд задач практичного змісту на військову тематику для 9-11 класів, які можуть бути використані на уроках фізики для ілюстрації теоретичного матеріалу. Умови задач складено з використанням тактико-технічних характеристик засобів радіоелектронної боротьби ворога, які систематизовані авторами у відповідну таблицю. Кожна задача містить детальний розбір фізичної ситуації та розв’язок. Вказано місце розгляду цих задач у конкретній з базових тем. Автори підкреслюють, що вивчення фізичних основ РЕБ не лише сприяє поглибленню знань учнів з фізики, але й формує в них системне мислення, розвиває вміння аналізувати реальні фізичні процеси та застосовувати отримані знання для розв’язання практичних задач.

ПРО ОДНУ ОСОБЛИВІСТЬ ПРИНЦИПУ ТЕРМОДИНАМІЧНОЇ ДВОЄДИНОСТІ ЯК ПРИЧИНИ ПОЯВИ ПРОМИСЛОВИХ ВІДХОДІВ

2025-01-21T16:48:41+02:00

Принцип термодинамічної двоєдиності в прикладному сенсі дозволяє знаходити специфічні механізми мінімізації відходів у джерелі їх виникнення, в технологічному процесі, доказ чого є метою статті. В роботі розглянуто умови перерозподілу енергії та ентропії в системах з різним рівнем нерівноважності таким чином, що дозволяє збільшить цю нерівноважність відносно максимально можливої частини сировинних матеріалів. Існує методологічна аргументація, викладена І. Пригожиним, притаманна для цієї роботи, про те, що у відкритих термодинамічних системах ентропія може мати спроможність не збільшуватися у результаті енергетичних змін в цієї системі, шляхом своєї емісії в надсистему, і таким чином, звільняючи поле для тієї частини енергії, що йде на здійснення корисної роботи в цій системі. Другий закон об'єктивно охоплює не тільки дисипативні, але і зворотні репаративні процеси концентрації енергії і речовини, задля виникнення і розвитку складних відкритих систем у живій і неживій природі шляхом запозичення енергії у надсистеми. Посилаючись на це зроблено спробу перенести такі закономірності на процеси відходоутворювання в виробничих системах. Показана поступова взаємна залежність між термодинамічними процесами, пов'язаними з технологіями виробництва готової продукції, та їх відходами, з одного боку, і дисипативно-репаративними взаємодіями як всередині системи, так і поза неї, з другого. Показано, що для створення умов для мінімізації відходів у джерелі їх виникнення – технологічному процесі, необхідно забезпечити перерозподіл ентропії між компонентами сировинної бази таким чином, щоб закладена в готовий продукт негентропія збільшувалась за рахунок зростання ентропії іншої матеріальної частини системи, і розповсюджувалась, в першу чергу, на ту частину сировини, якій приписуються властивості відходів. Це складає один з головних елементів наукової новизни в прикладному сенсі роботи. На прикладах надано опис процесів, для яких притаманні перерозподіли ентропії і протилежні їм процеси запозичення енергії з надсистеми в систему, що дозволяє забезпечити її синергізм відносно відходів.

ОСНОВНІ ТЕНДЕНЦІЇ ВПРОВАДЖЕННЯ КОНЦЕПЦІЇ STEM В ОСВІТНЬОМУ ПРОЦЕСІ З ФІЗИКИ

2025-01-21T16:51:22+02:00

Концепція, що об'єднує науку, технології, інженерію та математику, набуває все більшого значення у контексті підготовки учнів і студентів до роботи в сучасних високотехнологічних галузях економіки. У статті розглядаються основні тенденції впровадження концепції STEM (наука, технології, інженерія, математика) в освітній процес у 2024 році, зокрема у контексті сучасних викликів та можливостей. Описано використання штучного інтелекту для індивідуалізації навчання, впровадження іммерсивних технологій, таких як віртуальна та доповнена реальність, для глибшого розуміння матеріалу. Аналізуються способи подолання цифрового розриву та інтеграції принципів стійкості в освітні програми. Розглянуто переваги змішаного навчання та багатомодального підходу до викладання. Автори також висвітлюють основні виклики, з якими стикаються педагоги під час впровадження цих інновацій, та пропонують рекомендації для подальшого розвитку STEM-освіти. Результати дослідження підкреслюють важливість інтеграції сучасних технологій у STEM-освіту. Використання штучного інтелекту та віртуальної реальності показало суттєві переваги в освітньому процесі, зокрема можливість персоналізації навчання та покращення розуміння складних тем. ШІ виявився корисним для адаптації навчальних матеріалів під індивідуальні потреби учнів, що особливо важливо у класах з різнорівневими групами. VR та AR зробили навчання більш захоплюючим, допомагаючи учням краще засвоювати інформацію через інтерактивні та візуальні методи. Проте дослідження також виявило існуючі виклики, які стоять на шляху до повноцінної інтеграції цих технологій. Серед них – висока вартість обладнання, недостатня технічна підготовка учителів, а також значний цифровий розрив, що ускладнює доступ до технологій для учнів у малих містах та сільській місцевості. Ці фактори створюють нерівні умови для учнів і обмежують потенціал використання новітніх технологій.

ЕЛЕКТРОННІ ТА ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПОЧЕТВЕРЕННОГО СУЛЬФІДУ Tl2HgSnS4

2025-01-21T16:54:21+02:00

Серед цих почетверених халькогенідів особливий інтерес представляє сульфід талію, ртуті, олова Tl2HgSnS4. Цей сульфід є унікальною почетверенною сполукою, яка існує в квазіпотрійній системі Tl2S-HgS-SnS2. Його нецентросиметрична тетрагональна структура (I42m) дозволяє припустити деяку перспективність використання Tl2HgSnS4 в нелінійній оптиці. Атоми ртуті та олова мають чотири атоми сірки в найближчому оточенні. У структурі Tl2HgSnS4 атоми талію займають 4c позиції Вайкофа, атоми ртуті розташовані на 2b, атоми олова заповнюють 2a, а атоми сірки розташовані на 8i позиціях. У структурі Tl2HgSnS4 для атомів Tl характерне тетрагонально-антипризматичне оточення атомами S. Крім того, атоми талію, ртуті та олова утворюють тригональні призми в найближчому оточенні атомів сірки в структурі Tl2HgSnS4. Відомо, що знання електронних і оптичних властивостей, а також особливостей природи хімічного зв’язку в твердих тілах мають велике значення, оскільки дозволяють зрозуміти і передбачити їх фізико-хімічні властивості. В даній роботі ми провели поєднане теоретичне та експериментальне дослідження електронної структури та оптичних властивостей Tl2HgSnS4. Зокрема, ми дослідили рентгенівські фотоелектронні (XP) спектри внутрішніх (core level) та валентних електронів (VB), а також рентгенівську емісійну (XE) S Kβ1,3 смугу (валентні S p стани) для кристала Tl2HgSnS4, вирощеного методом Бріджмена-Стокбаргера. Зокрема, в даному дослідженні ми розробили ефективний метод експериментального дослідження електронної структури кристалів методом рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (XPS), котрий дозволяє усувати наявність вуглеводневих домішок, що адсорбовані на поверхні кристалу. Щоб оцінити енергію забороненої зони кристалу Tl2HgSnS4, був досліджений край оптичного поглинання при кімнатній температурі. Для перевірки експериментальних результатів проведені ab initio розрахунки краю оптичного поглинання сполуки Tl2HgSnS4.

ОПТИЧНІ ТА НЕЛІНІЙНО-ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ СТЕКОЛ СИСТЕМИ GeS2-As2S3-Er2S3

2025-01-22T07:59:26+02:00

Халькогенідні стекла, леговані рідкоземельними іонами, привернули значну увагу дослідників завдяки їх широкому використанню в оптоелектроніці, зокрема в лазерах, які працюють в середньому інфрачервоному діапазоні. При цьому, є можливість змінювати параметри таких лазерів шляхом зміни хімічного складу вихідного матеріалу. Однією з найбільш перспективних домішок в халькогенідних стеклах є Ербій, що пов’язано з його властивістю ефективно випромінювати кванти електромагнітних хвиль на стандартній телекомунікаційній довжині хвилі 1540 нм. Передбачити властивості стекол з використанням тільки теорії процесів поглинання та випромінювання світла практично неможливо, тому дослідження впливу домішок Er3+ на оптичні властивості халькогенідних стекол лежить у експериментальній площині. Область застосувань досліджуваних матеріалів в оптоелектроніці пов’язана з шириною забороненої зони. Для оцінки оптичної ширини забороненої зони було проведено дослідження спектрального розподілу коефіцієнта поглинання в області краю смуги власного поглинання. Оцінено ширину забороненої зони. Встановлено, що у міру збільшення молярної частки As2S3 в досліджуваних стеклах системи GeS2 – As2S3 – Er2S3 край поглинання зміщується в довгохвильову область, що відображає зменшення оптичної щілини. Зменшення ширини забороненої зони при збільшенні молярної частки As2S3 пояснюється тим, що As2S3 має ширину забороненої зони меншу, ніж склоподібний дисульфід германію. Проведено дослідження генерації другої та третьої гармоніки. Досягнуті параметри нелінійно-оптичних ефектів третього порядку, дають змогу прогнозувати широке застосування досліджуваних стекол як матеріалів для нелінійно-оптичного перетворення ІЧ лазерних променів, що має вирішальне значення для інфрачервоних лідарних систем (світлові далекоміри). Співіснування фотоіндукованої генерації другої гармоніки та генерації третьої гармоніки (отриманої без лазерної стимуляції) відкриває можливість для застосування досліджуваних стекол в оптоелектронних пристроях, які працюють одночасно на подвоєних та потроєних частотних сигналах.

ТЕМПЕРАТУРНІ ЗАЛЕЖНОСТІ УСЕРЕДНЕНИХ ГРУПОВИХ ШВИДКОСТЕЙ АКУСТИЧНИХ ФОНОНІВ У ПЛОСКИХ НАНОПЛІВКАХ ДИЙОДИДУ СВИНЦЮ

2025-01-22T08:08:23+02:00

Унікальні властивості квазідвовимірних структур на основі шаруватого напівпровідника – дийодиду свинцю – роблять їх привабливими для створення новітніх пристроїв наноелектроніки. На даний час розроблено низку технологій отримання квазідвовимірних структур на основі дийодиду свинцю та накопичено великий обсяг результатів експериментального дослідження їхніх властивостей. Проте, робіт, присвячених теоретичному опису явищ і процесів, що мають місце у таких структурах, досить мало. Зокрема, мало вивченим залишається питання ролі акустичних фононів у формуванні характерних властивостей названих структур. Мета даної роботи полягала в теоретичному дослідженні температурних залежностей середніх групових швидкостей акустичних фононів у наноплівках дийодиду свинцю різної товщини. Методами класичної динаміки атомів кристалічної ґратки в наближенні пружного континууму розраховані значення частот і групових швидкостей акустичних фононів у гексагональній квазідвовимірній кристалічній структурі – наноплівці дийодиду свинцю (політип 2H-PbI2). Обчислення проведені з використанням раніше вста- новлених нами аналітичних залежності законів дисперсії цих величин для кожної з мод акустичних фононів усіх можливих поляризації: зсуву (shear), згину (flexural) та розтягу (dilatational) . Подальше усереднення групових швидкостей виконане методами квантової статистики з використанням функції розподілу фононних станів за частотами у 2D-структурі та розподілу Бозе-Ейнштейна. Таким чином уперше виконано дослідження температурних залежностей середніх швидкостей фононів кожної з указаних поляризацій для різних наборів значень параметра N – кількості шарових пакетів 2H-PbI2 у нано-плівці, який визначає її товщину. Показано, що зміною температури та товщини наноплівки можна суттєво змінювати швидкість поширення в ній фононів кожної з поляризацій. Зокрема, зменшенням товщини наноплівки дийодиду свинцю можна досягти зменшення групової швидкості фононів shear-поляризації – у рази, а SA- та AS-поляризацій – в десятки разів. Температурні зміни швидкостей поширення фононів нелінійні – в області низьких температур (нижче 150, 90 і 50 K для фононів SA-, AS- та shear-поляризації, відповідно) їх значення стрімко зростають при збільшення температури, а при більш високих – практично не залежать від неї. Результати даного дослідження можуть бути використані для створення термоелектричних пристроїв на основі наноплівок 2H-PbI2 з бажаними властивостями, оскільки швидкість теплових потоків, що визначається швидкістю поширення акустичних фононів, регулюється відповідним підбором їх товщини.

ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КРИСТАЛІВ AgGaGe3Se8 ЛЕГОВАНИХ Dy

2025-01-22T08:11:39+02:00

У роботі проведено аналіз впливу легування кристалів AgGaGe3Se8 атомами Dy на оптичні властивості. Для досліджуваних кристалів був проведений контроль фази та визначення хімічних композицій. Встановлено, що кристал має однофазну морфологію, хоча всіх об’єктах дослідження є видимі темні плями, більш світлі та темні ділянки, що виникають унаслідок неоднорідної шорсткості поверхні, викликаної різанням і шліфуванням. Вміст компонентів добре узгоджується з початковим складом синтезованого зразка, що підтверджує якісну оцінку елементного складу та однорідність зразків у масштабах вибраної області сканування. Для оцінки ширини забороненої зони проведено дослідження спектрального розподілу коефіцієнта поглинання в області краю фундаментального поглинання. Встановлено, що досліджуваний кристал є непрямозонним. Оцінена ширина забороненої в діапазоні температур 100-300 К становить 2,23 еВ при Т=300 К, та 2,41 еВ при Т=100 К. Визначено, що введення рідкоземельного елементу (Dy) до AgGaGe3Se8 сприяє збільшенню ширини забороненої зони. Встановлено, що робочою областю досліджуваного кристалу можна вважати діапазон від 0,6 мкм до 15 – 16 мкм. Визначено температурний коефіцієнт зміни ширини забороненої зони, який становить ( β ): -9*10-4 еВ/К, що корелює зі значенням β для AgGaGe3Se8 (-8,5*10-4 еВ/К). Отримані результати дозволяють зробити висновок про єдиний механізм теплової зміни ширини забороненої зони для досліджених зразків, оскільки коефіцієнти, що описують цю зміну, мають однаковий порядок. Визначено температурний коефіцієнт зміни ширини забороненої зони, який становить ( β ): -9*10-4 еВ/К, що корелює зі значенням β для AgGaGe3Se8 (-8,5*10-4 еВ/К). Отримані результати дозволяють зробити висновок про єдиний механізм теплової зміни ширини забороненої зони для всіх досліджених зразків, оскільки коефіцієнти, що описують цю зміну, мають однаковий порядок.

ВПЛИВ ГІДРОСТАТИЧНОГО ТИСКУ НА ЕЛЕКТРОННУ СТРУКТУРУ КРИСТАЛА CuAlTe2

2025-01-22T08:15:09+02:00

У цій роботі вперше проведено теоретичне дослідження структурних та фізичних властивостей кристала CuAlTe2 під дією зовнішніх гідростатичних тисків. Для цього здійснено комплекс комп’ютерних обрахунків, що включає розрахунок кристалічної структури та властивостей досліджуваного матеріалу. Структура кристала визначалась використовуючи метод Бройдена-Флетчера-Голдфарба-Шенно, за допомогою якого отримувались оптимізовані параметри гратки та координат атомів. Дослідження електронних властивостей кристала і їх трансформації за дії гідростатичних тисків здійснювались шляхом моделювання з перших принципів. Для цього в рамках теорії функціоналу густини (DFT) проведено розрахунки зонно-енергетичної структури кристала E(k). Обмінно-кореляційна взаємодія описувалась за допомогою узагальненого градієнтного наближення. Основна увага приділена вивченню зміни кристалографічних параметрів під тиском, що дозволяє зрозуміти особливості поведінки цього матеріалу в умовах високих тисків. У роботі застосовувались гідростатичні тиски в межах 0–5 ГПа. Результати показують, що під впливом гідростатичного тиску відбувається поступове зменшення об’єму елементарної комірки, що добре узгоджується з теоретичними передбаченнями та описується рівнянням стану Мурнагана. На основі цього рівняння визначено об'ємний модуль пружності B та його першу похідну по тиску B’, що характеризують стійкість кристала до деформацій. Зясовано, що прикладання тиску зумовлює значну тетраедричну деформацію кристалічної ґратки CuAlTe2, що може впливати на його фізичні властивості, зокрема на електронну структуру. Важливо, що зростання тиску призводить до збільшення ширини забороненої зони Eg, що може бути корисним для потенційних застосувань матеріалу у напівпровідникових технологіях. Розрахунки показали, що зміна значення Eg при підвищенні тиску відповідає квадратичній залежності, що дозволяє точно описати поведінку ширини забороненої зони у діапазоні застосованих тисків. Отримані результати можуть бути корисними для подальшого застосування CuAlTe2 у високотехнологічних приладах, де необхідні матеріали з можливістю регулювання ширини забороненої зони під впливом зовнішніх умов.

ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГІЧНІ ОСНОВИ РАДІАЦІЙНОЇ ОСВІТИ В ЗАКЛАДАХ ВИЩОЇ ОСВІТИ

2025-01-22T09:02:21+02:00

В статті досліджено актуальність радіаційної освіти в умовах підвищення ядерної загрози через військову агресію та зростання використання атомної енергії в мирних цілях. Наголошено на необхідності підвищення рівня радіаційної грамотності населення, особливо у вищих навчальних закладах, щоб підготувати фахівців до можливих радіаційних загроз. Аналіз міжнародних досліджень підтверджує важливість розвитку радіаційної освіти, яка охоплює наукове розуміння природи радіації, оцінку ризиків та практичні навички з превенції та профілактики. Більшість сучасних досліджень зосереджена на розробці методик навчання та створенні навчальних програм. Виявлено дефіцит досліджень, присвячених розробці комплексних підходів до радіаційної освіти, особливо в контексті пост аварійних ситуацій. Представлене дослідження аналізує існуючі дослідження та підкреслює необхідність розробки інтегрованих програм, що включають як формальні, так і неформальні методи навчання, з використанням сучасних цифрових технологій. Мета статті полягає в обґрунтуванні теоретико-методологічних основ радіаційної освіти в закладах вищої освіти. Обґрунтовано й доведено, основними дидактичними принципами цієї освіти є науковість, доступність, системність, наступність, проблемність, свідомість та активність. В якості оптимізаційних підходів до радіаційної освіти розкрито потенціал міждисциплінарного й трансдисциплінарного підходів, які сприяють якісному обґрунтуванні змісту навчання, відбору ефективних форм, методів та засобів. Запропоновано методичні підходи, які можуть бути адаптовані до конкретних навчальних цілей та аудиторії. Вибір оптимального методу вимагає врахування таких факторів, як рівень підготовки студентів, наявність матеріально-технічної бази та специфіка навчальної програми. Подальші дослідження радіаційної освіти вбачаються в системному обґрунтуванні змістового наповнення навчальних дисциплін.

ПРОБЛЕМИ МОДЕЛЮВАННЯ КРИТИЧНИХ ТЕРМОЯДЕРНИХ ПРОЦЕСІВ

2025-01-22T09:05:18+02:00

Подано короткий аналіз проблеми моделювання критичних термоядерних процесів. Акцентується увага на двох типах процесів. Перший визначається умовами виникнення та генерації термоядерних реакцій в стаціонарному режимі. Ця проблема є основною для створення термоядерних реакторів і має земне значення. Другий пов'язаний з часом життя стаціонарної фази термоядерного котла. Ця проблема є основною для життя зірок і має вселенське значення. Перша відноситься до проблеми порогу виникнення та генерації термоядерних реакцій і пов’язана з побудовою термоядерних реакторів. Проаналізовано критерій Лоусона та показано його значення в проблемі створення термоядерних реакторів. Виділено та проаналізовано дейтерій-дейтерієву та дейтерій-тритієву реакції. Обговорюються різні механізми моделювання генерації та реалізації цих реакцій, у тому числі за допомогою магнітних полів. Дано основні поняття мюонного каталізу та його роль у виникненні термоядерних реакцій. Проаналізовано питання про вплив форми та симетрії ядер дейтерію та тритію на поріг генерації термоядерних реакцій і внесок у критерій Лоусона. Друга частина відноситься до астрофізики. Сформульовано критерій Шенберга-Чандрасекара. Проаналізовано теорію Шенберга-Чандрасекара про час перебування зірки на головній послідовності діаграми Герцшпрунга-Ресселя, яка є загальною для всіх зірок головної послідовності діаграми. Проаналізовано межу Шенберга-Чандрасекара та її залежність від природи зірок. Показано розширення теорії Шонберга-Чандрасекара на політропні процеси та неоднорідні системи. Розглянуто проблеми однорідності та неоднорідності зірок та її вплив на межу Шенберга-Чандрасекара. Показано його роль у розвитку сучасної астрофізики. Також обговорюються перспективи використання межі Шенберга-Чандрасекара для ядер, відмінних від водню та гелію.

МОДЕЛЮВАННЯ ВПЛИВУ НАНОВОЛОКОН CdS НА ВЛАСТИВОСТІ ФОТОЕЛЕКТРИЧНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА II ПОКОЛІННЯ

2025-01-22T09:08:10+02:00

Робота присвячена дослідженню впливу нановолокон CdS на характеристики тонкоплівкових фотоелектричних перетворювачів другого покоління з гетероструктурою ITO/SnO₂/nw-CdS/CdTe. Проведено моделювання за допомогою програмного забезпечення SCAPS, що дозволило визначити оптимальні параметри структури для досягнення максимальної ефективності. Розглянуто використання шару нановолокон CdS як буферного (віконного) шару, що забезпечує покращені оптичні властивості та підвищує коефіцієнт заповнення й ефективність перетворення. Моделювання показало, що оптимальна товщина поглинаючого шару CdTe складає 3 мкм, буферного шару CdS – 120 нм, а верхнього провідного шару SnO₂ – 40 нм. Для цих параметрів ефективність фотоелектричного перетворювача досягає 13,33%, а фактор заповнення становить 77,39%. Застосування нановолокон CdS сприяє зменшенню рекомбінації носіїв заряду на межі розділу шарів, зменшенню втрат світла через відбиття, а також поліпшенню транспортування носіїв заряду. Внаслідок цього вдалося покращити спектральну реакцію квантової ефективності та знизити вплив дефектів на продуктивність пристрою. Досліджено вплив густини дефектних станів на інтерфейсі nw-CdS/CdTe. Результати показують, що збільшення густини дефектів понад 1012 см-2 призводить до значного зниження напруги холостого ходу, струму короткого замикання та, відповідно, ефективності. Було встановлено, що дефектні стани мають значний вплив на параметри пристрою, тому їх контроль є важливим для підвищення продуктивності. Отримані результати демонструють переваги впровадження нановолокон CdS у тонкоплівкові сонячні елементи на основі гетеропереходу CdS/CdTe. Такий підхід дозволяє досягти високої ефективності та стабільності роботи сонячних елементів, що робить їх перспективними для масштабного виробництва.