Фізика та освітні технології

ВИВЧЕННЯ ФІЗИЧНИХ ПРИНЦИПІВ ВІЙСЬКОВИХ ДІЙ ЯК ЗАСІБ ФОРМУВАННЯ ЗДОРОВ'ЯЗБЕРІГАЮЧОЇ КОМПЕТЕНТНОСТІ

Василь ВЕЛИЧКО — 2024-07-11

Освіта відіграє ключову роль у розвитку суспільства. У період надзвичайних ситуацій саме освіта стає рушійною силою, що дозволяє давати адекватні відповіді на ці ситуації. Під час воєнних дій найважливішим завданням є виживання населення. Формування здоров’язберігаючої компетентності у школярів покладено на заклади освіти. Кожен педагог повинен при викладанні конкретної навчальної дисципліни приділяти максимальну увагу формуванню навичок самозбереження під час військових дій. Вивчення фізичних принципів військових дій, таких як обстріли території нашої держави, формує розуміння про траєкторію, швидкість, дальність та час польоту ворожих засобів ураження. Вивчення фізичних принципів оповіщення повітряної тривоги дозволяє розробити алгоритми адекватної поведінки під час обстрілів. Основи алгоритмічного мислення закладаються на уроках математики та інформатики ще у молодшій школі. Інформатика вивчає формування алгоритмів від повсякденних дій до програмування. Формування алгоритмів здоров’язберігаючих навичок у школярів під час воєнних дій може виступати змістовим навантаженням уроків інформатики. Авторами запропоновані методичні рекомендації з формування здоров’язберігаючої компетентності на уроках інформатики при розгляді завдань на військову тематику. Зокрема, надано рекомендації щодо проведення уроків з теми «Алгоритми» у молодшій та середній школі; запропоновано ряд компетентністних задач на військову тематику. Вивчення фізичних принципів військових дій є змістовним навантаженням уроків фізики. Авторами надано методичні рекомендації з формування здоров’язберігаючої компетентності на уроках фізики при розв’язуванні задач на військову тематику. Зокрема, пояснено принципову різницю між рухом різних типів ракет, запропоновано задачі на визначення фізичних характеристик руху ворожих засобів ураження. Надані методичні рекомендації можуть застосовуватися учителями інформатики та фізики для формування здоров’язберігаючої компетентності школярів.

ВЛАСТИВОСТІ ПЕРСПЕКТИВНИХ КОМПОЗИТІВ ДЛЯ ОПТОЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ

Оксана ЗАМУРУЄВА — 2024-07-11

Мета роботи провести аналіз властивостей перспективних композитів з шаруватою структурою для оптоелектронної техніки. Визначити особливості змін параметрів при зміні компонентів. Оцінено ширину забороненої зони. Установлено залежність зміни ширини забороненої зони від температури й компонентного вмісту досліджуваних сполук. На основі аналізу частотної залежності коефіцієнта поглинання та фотопровідності запропоновано модель оптичних переходів, яка пояснює зв’язок домішкових максимумів спектрів фотопровідності із відповідними структурними дефектами. Проаналізовано залежність ширини енергетичних щілин для прямого (H) і непрямого (Z) мінімумів зони провідності від вмісту E f x g SiSe2, GeSe2. Схематично пкзано енергетична зонна структура Tl1-xIn1-x(Si, Ge)xSe2. Отже, напівпровідникові кристали твердих розчинів ТlInSe2–DIVSe2 (DIV – Si, Ge), ширина забороненої зони яких при кімнатній температурі 1,12 ÷ 1,69 еВ, є перспективними в якості функціональних матеріалів сучасної оптоелектронної техніки, для застосування у фотоніці та фотовольтаїці. Зміна фізичних властивостей від молярного вмісту компонент x, пов’язаних з перебудовою зонної структури, значно розширює функціональні можливості кристалічних сполуках ТlInSe2–DIVSe2 (DIV – Si, Ge). В статті встановлено при температурі Т = 300 К основні фотонні параметри кристалів твердих розчинів ТlInSe2–DIVSe2 від молярного вмісту SiSe2, GeSe2, в якості використання як функціональних матеріалів для оптоелектронних пристроїв. Тому маючи добре налагодженні технології одержання кристалічних сполук можна одержувати багатофункціональні матеріали для оптоелектронних пристроїв. Зміною молярного вмісту компонент x можна прогнозовано змінювати механізми міжзонних переходів напівпровідників, що розширює практичне використання матеріалу для світло- чи фотопристроїв.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ХАЛЬКОГЕНІДНИХ НАПІВПРОВІДНИКІВ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ (ОГЛЯД)

Андрій КЕВШИН — 2024-07-11

Халькогенідні напівпровідники (ХН) на сьогодні знаходять широке використання у сучасних пристроях мікро і наноелектроніки, що обумовлено їхніми унікальними фізико-хімічними властивостями. На сьогодні зібрано величезну кількість експериментальних даних про властивості таких напівпровідників, проте багато фундаментальних проблем ще не вирішено. Тому актуальним завданням на сьогодні є систематизувати наукову інформацію про ці матеріали, що дозволить розробляти нові концепції та ідеї стосовно поведінки ХН та їх практичного використання. У даній роботі розглядається загальна характеристика халькогенідних напівпровідників. Зокрема, акцентовано увагу на особливостях синтезу ХН як у кристалічному, так і в склоподібному станах. Такі матеріали можуть бути леговані рідкісноземельними металами (РЗМ): Er, Nd, Pr, Eu, Yb, тощо. Це розширює область їх практичного використання в оптоелектронній і лазерній техніці. Особливе місце займають халькогенідні склоподібні напівпровідники (ХСН), які характеризуються високою прозорістю в інфрачервоній ділянці спектру, високим показником заломлення, хімічною стійкістю, високою оптичною нелінійністю, що призвело до широкого їх використання в медицині, військовій техніці, космічній галузі та телекомунікаціях. При цьому найбільш стабільними ХСН є бінарні стекла, в склоутворюючу матрицю яких можна вбудувати велику різноманітність атомів, отримавши при цьому широкий композиційний діапазон сполук з різними енергіями забороненої зони і, відповідно, різними фізичними властивостями. Важливий напрямок розробки високочистих халькогенідних стекол пов'язано з використанням їх як матриці для рідкісноземельних елементів з метою створення твердотільних джерел випромінювання, волоконно-оптичних лазерів та підсилювачів випромінювання середнього ІЧ-діапазонів. Обмежуючим фактором для практичного використання таких матеріалів є необхідність їх синтезу з високою хімічною і фізичною чистотою, з низькою концентрацією або відсутністю гідроксильних, оксидних і вуглеводних груп.

ПАМ’ЯТІ ГЕОРГІЯ ЄВЛАМПІЙОВИЧА ДАВИДЮКА

Галина МИРОНЧУК — 2024-07-12

Висвітлено життєвий шлях та досягнення Георгія Євлампійовича Давидюка – відомого фахівця у галузі фізики, доктора фізико-математичних наук, професора, заслуженого діяча науки і техніки України, завідувача кафедри фізики твердого тіла, проректора з наукової роботи Волинського національного університету імені Лесі Українки. Школа, Луцький державний педагогічний інститут імені Лесі Українки (1966 р.), посада асистента кафедри фізики для кращого випускника, аспірантура Інституту ядерних досліджень Академії наук України (м. Київ), (1973 р.). Захист кандидатської дисертації, посада старшого викладача, доцента кафедри фізики рідного навчального закладу у Луцьку. Завідувач новоствореної кафедри фізики твердого тіла після реорганізації педінституту в університет (1993 р.). Успішний захист докторської дисертації в Інституті фізики напівпровідників АН України (м. Київ) без перебування в докторантурі (1995 р.) та отримання ученого звання професора (1996 р.). Міжнародний освітньо-науковий грант, фінансований фондом Сороса (США) (1998 р.). Голова спецради з захисту дисертацій зі спеціальності «01.04.10 – фізика напівпровідників та діелектриків». Георгій Євлампійович – організатор науки, керівник наукової школи «Фізика структурних дефектів у напівпровідниках». Підготував 11 кандидатів фізико-математичних наук, опублікував понад 280 наукових праць у республіканських і міжнародних фахових журналах, збірниках і виданнях, із них 10 монографій і навчальних посібників, 4 патенти на винахід. Головний редактор серії «Фізичні науки» «Наукового вісника Волинського національного університету імені Лесі Українки», член редколегії журналу «Фізика і хімія твердих тіл». Нагороди. Особисті якості людини та громадянина.

ЕЛЕКТРОННА БУДОВА І ОПТИЧНІ СПЕКТРИ КРИСТАЛА AG3SBS3 У МОНОКЛІННІЙ ФАЗІ

Мирон РУДИШ — 2024-07-11

Робота присвячена теоретичному дослідженню особливостей структури, електронних станів та оптичних властивостей потрійного халькогенідного напівпровідника Ag3SbS3, що має кристалічну структуру з просторовою групою симетрії P21/с. Дослідження проводились з використанням методики з перших принципів. Розрахунки здійснювались у рамках теорії функціоналу густини (DFT) та формалізму Кона-Шема з використанням наближення локальної густини та узагальненого градієнтного наближення для опису обмінно-кореляційної взаємодії між електронами. З метою знаходження рівноважних параметрів ґратки та координат атомів, перед розрахунками властивостей кристала проведено геометричну оптимізацію кристалічної структури з використанням алгоритму Бройдена-Флетчера-Голдфарба-Шенно. Показано добре узгодження теоретично отриманих структурних параметрів кристала з експериментальними даними. Вперше проведено досліджено зонно-енергетичної структуру кристала Ag3SbS3 у моноклінній фазі. З’ясовано, що зонна структура E(k) характеризується відносно слабкою дисперсією рівнів зони провідності та валентної зони. Вершина валентної зони сформована широкою смугою від 0 до –5 еВ. Заборонена зона є непрямого типу. Розрахункові значення ширини забороненої зони Eg становлять 1,1 еВ для LDA та 1,4 еВ для GGA функціоналів. З розрахунків повної та парціальної густини станів кристала проаналізовано структуру електронних рівнів досліджуваної сполуки. З’ясовано, що вершина валентної зони утворена p-станами атомів сірки та сурми. Дно зони провідності формують рівні s-стани срібла та p-стани Sb. Показано значну подібність електронної структури кристала в моноклінній фазі з тетрагональною фазою. Проведено розрахунок зарядів Міллікена та заселеності зв’язків, що підтвердило їхній іонно-ковалентний характер. Розраховано та проаналізовано оптичні спектри кристала Ag3SbS3 у моноклінній фазі.

ПЕРШОПРИНЦИПНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОННОЇ БУДОВИ КРИСТАЛА TlSbSe2

Мирон РУДИШ — 2024-07-11

У роботі проведено дослідження електронної структури кристала TlSbSe2 у моноклінній фазі з перших принципів. Дослідження структури електронних рівнів у даному кристалі раніше не проводились, тому такі дослідження є важливими та актуальними з огляду на можливість його потенційного практичного застосування. Для моделювання властивостей кристала використано програму CASTEP, що базується теорії Кона-Шема. В якості наближення, для опису обмінно-кореляційної взаємодії використано узагальнене градієнтне наближення з параметризацією Пердю-Бурке-Ернзергофа. Енергія плоских хвиль обмежувалась значенням 450 еВ. З метою отримання структури в основному стані попередньо проводилась геометрична оптимізація кристалічної ґратки з використанням методу Бройдена-Флетчера-Голдфарба-Шенно. Вперше проведено геометричну оптимізацію кристалічної структури та з’ясовано, що найкраще узгодження з експериментальними результатами дає параметр ґратки а (відхилення δа = 0,6%). Максимальне відхилення оптимізованого параметра ґратки від експериментального значення отримане для параметра с і становить 4,8%. З аналізу кристалічної ґратки показано також збільшення кута β на 30' при застосуванні GGA функціоналу. Вперше розраховано зонно-енергетичну структура кристала TlSbSe2 у структурі моноклінної симетрії. З її аналізу показано, що зона провідності та вершина валентної зони кристала утворені широкими смугами. Дно зони провідності знаходиться на сегменті Г → Y першої зони Бріллюена. Вершина валентної зони розташована в точці Z утворюючи заборонену зону не прямого типу. Розраховане значення Eg становить 0,99 eВ. З’ясовано, що зона провідності утворена s- та p-станів атомів Tl, Sb та Se а вершина валентної зони формується s-станами сурми та p-станами селену. Найінтенсивніший пік у спектрах DOS/PDOS відповідає локалізованим d-станам атомів Tl.

ОСОБЛИВОСТІ МЕТОДИКИ ФОРМУВАННЯ ВІРТУАЛЬНИХ ДОСЛІДІВ ІЗ НАВЧАННЯ РОЗПОДІЛУ МОЛЕКУЛ ЗА ШВИДКОСТЯМИ

Микола САДОВИЙ — 2024-07-11

Стаття присвячена мало дослідженій в методиці навчання проблемі – навчання газових явищ. Розкрито один із варіантів методики та її особливостей у формуванні віртуальних дослідів із навчання розподілу молекул за швидкостями. Акцент не робиться на можливості постановки експериментального завдання з підтвердження висновків Дж. Максвелла, та яка роль при цьому відводиться фізичним величинам: маса частинок, температура газу, швидкостям та ін. Не розглядаються можливі методи дослідження, зокрема віртуальні в середовищі просторового розподілу різношвидкісних частинок. Виокремлено, що при виводі рівняння ідеального газу розглядається постійна, однакова за величиною швидкість всіх молекул і відповідно не розглядається настільки відхиляються одержані результати у формулах від тих, що розглядає Дж. Максвелл, Р. Клаузіс. Пропонується цю плутаницю розв'язати. Запропоновано один з віртуальних експериментальних методів просторового поділу частинок за швидкостями заснований на впливі сили тяжіння на дальність польоту молекул, що вилетіли, наприклад, із посудини. Реалізація ідеї віртуального експерименту ґрунтується на відомих теоретичних та практичних висновках: маємо ідеальний газ; відомі експериментальні результати значень середньоарифметичної, середньоквадратичної та ймовірнісної швидкостей; реальним є створення постійної концентрації газу в посудині; рух молекул у посудині є рівноймовірним. Аналіз одержаних у віртуальному досліді даних показує досить виокремлені три частини: ліворуч осідають молекул із середньоарифметичною швидкістю, в середній частині – найбільш ймовірнісною і праворуч – середньоквадратичною швидкістю, що якісно підтверджує математичну модель розподілу молекул Максвелла. У подальшому дослідження доцільно проводити в напрямку модернізації такого виду дослідів та з’ясування фізичної суті понять імпульсу, тиску кінетичної енергії молекул газу.

ОСНОВНІ ПРОБЛЕМИ РОЗВИТКУ КОМП’ЮТЕРНИХ НАУК ТА НЕОБХІДНІСТЬ ВКЛЮЧЕННЯ ФІЗИЧНИХ ПРОЦЕСІВ

Петро ТРОХИМЧУК — 2024-07-11

Аналізуються проблеми еволюції кібернетики та інформатики. Подано короткий історичний аналіз цієї проблеми. Сюди входить грецька рахівниця, перуанська система підрахунку вузлів. Відзначається роль Блеза Паскаля і Вільгельма Ляйбніца у створенні основ інформатики. Наступним етапом у розвитку інформатики стали дослідження Чарльза Беббіджа та леді Ади Лавлейс. Саме Ада Лавлейс ініціювала процедуру створення програмування. Поняття кібернетики як управління кораблями виникло в Греції. У 19 столітті вона була сформульована як наука про управління Дж. Ампером і Б. Трентовським. Його завершив Н. Вінер, згідно з яким, кібернетика – це наука про управління живим і неживим світом. Пізніше кібернетика стала основою обчислювальної техніки. В її надрах було розширено теорію автоматичного регулювання та сформульовано основи сучасної теорії інформації. Як показав Ф. Джордж, кібернетика є синтетичною наукою, яка включає ряд наук, необхідних для розв’язання відповідної проблеми. Проведено дослідження щодо розвитку апаратної бази сучасної кібернетики та інформатики: від камінчиків, вузликів і кісток до сучасних оптоелектронних систем. Сучасна інформатика має дещо ширше значення за визначенням Н. Вінера. Основним завданням сучасної інформатики є формалізація тези канадського філософа Л. Холла «Все, що йде від голови, є розумним». При цьому поряд з елементарною базою значний розвиток отримало програмування. Поряд з вузькопрофільними мовами програмування (Fоrtran, Pascal) були створені мови системного програмування Cб С++ і міжієрархічного програмування (Python). Значно змінилась і структура комп’ютерних наук. Подальший розвиток комп’ютерних систем, очевидно, пов’язаний зі скороченням часу та спрощенням процедури отримання необхідної інформації і включення реальних фізичних процесів у процедуру обчислення. Також обговорюються можливі шляхи її реалізації.

ДО ПИТАННЯ ПРО УНІФІКАЦІЮ ОСНОВНИХ ЗАКОНІВ ФІЗИКИ ТА ТЕОРІЇ ІНФОРМАЦІЇ

Петро ТРОХИМЧУК — 2024-07-11

Обговорюються основні проблеми уніфікації основних законів фізики та теорії інформації. Аналізуються наступні аспекти цієї проблеми: закони, константи та системи. Досліджується еволюція основних універсальних фізичних законів від оптичного принципу Ферма до принципу дії в їх історичній ретроспективі. Повторно наведено основні термодинамічні принципи, такі як теорема Карно, принцип Пригожина-Гленсдорфа. Відзначається роль фізичних констант у створенні універсальних теорій. Проаналізовано систему фундаментальних фізичних констант Стоуні і Планка та її місце в сучасній теорії. Показано вплив розвитку фізичних теорій на виникнення та розвиток теорії систем. Згідно з Е. Б. де Кондильяком, будь-яка сукупність зв'язаних елементів є системою. Більш того, частина цих елементів є принципами, за якими була створена відповідна система. При цьому кількість принципів має бути мінімальною, а краще – однією. Теорія інформації аналізується на основі її універсального принципу – теореми Шеннона. Показано зв'язок фізики з теорією інформації. Для цього була використана теорія інформаційно-фізичних структур. Більш універсальну уніфікацію отримало узагальнення з формули Л. де Бройля про еквівалентність кількості впорядкованої та невпорядкованої інформації. Показано, що на основі безрозмірної величини, яку можна інтерпретувати як безрозмірну дію, так і як безрозмірну ентропію, можна як частковий випадок отримати основні універсальні закони фізики та теорії інформації. У цьому випадку аналогія між термодинамічною та інформаційною ентропією стає більш очевидною наглядною. Проаналізовано та обговорено подальші перспективи розвитку та застосування запропонованих методів уніфікації в різних галузях сучасної науки, включаючи вербальні та невербальні системи знань. Також висловлюється ідея про можливість створення єдиної системи знань.

ЧИСЛОВИЙ РОЗРАХУНОК ЗАДАЧІ ПЛЕЯД У СЕРЕДОВИЩІ CAS MAXIMA

Дмитро ШВАЛІКОВСЬКИЙ — 2024-07-11

Модельні задачі небесної механіки описуються за допомогою диференціальних рівнянь або їх систем. Добре відомо, що задача багатьох тіл в аналітичному вигляді є нерозв’язною, тому для симуляції руху зірок або їх скупчень необхідно послуговуватись числовими методами. Для гравітаційно зв’язаних об’єктів виникають завдання, що складно моделюються навіть за допомогою комп’ютера, оскільки часто розглядувана модель є жорсткою, тобто є значна залежність еволюції розв’язку від початкових умов. В роботі запропонована схема розрахунку задачі семи тіл зоряного кластеру Плеяд. Розрахунки провадяться у відкритій системі комп’ютерної алгебри Maxima, котра надає всі необхідні інструменти як для безпосередніх обчислень, так і для візуалізації отриманих результатів. Використано метод розв’язання диференціальних рівнянь Рунге-Кутта-Фельберга 5-го порядку, побудовані графіки зоряних траєкторій та залежності їх видимих координат на небесній сфері від часу.