Ambasadoři přírodovědných a technických oborů

Centrum projektové podpory – VŠB-TU Ostrava Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK)

Ambasadoři přírodovědných a technických oborů Jak oţivit výuku fyziky aneb aplikovaná fyzika (s ukázkou moţných příkladů z aplikované fyziky) Garant kurzu: prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D.

Ostrava, 16.4.2014

Program: 14:00 Zahájení a úvodní přednáška „Aplikovaná fyzika“ 14:25 Zajímavosti na Webu – jak na to 14:40 Pár ukázek na interaktivní tabuli 15:00 Obrazová prezentace praktických ukázek pro lepší orientaci 15:20 Přestávka s občerstvením 15:40 Přesun na budovu G 15:50 Prezentace laboratoří G410 a G428 16:20 Přesun na G331 16:25 Prezentace laboratoře G331 16:55 Přesun na F213 17:00 Prezentace mobilní laboratoře a zajímavých pokusů na F213 17:40 Závěrečný test (D113) 18:00 Závěr

Dr. Gembalová

Dr. Janurová

doc. Hlaváčová

INSTITUT FYZIKY, HGF, VŠB-TU OSTRAVA

OBOR

APLIKOVANÁ FYZIKA včetně některých jednoduchých úloh v jednotlivých specializacích řešitelných středoškolskými poznatky garanti prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D. (Bc., NMgr.) prof. Dr. RNDr. Jiří Luňáček (Ph.D.)

NYNĚJŠÍ NÁZEV OBORU: APLIKOVANÁ POD PROGRAMEM „FYZIKA“

FYZIKA JE

PŘI VÝUCE STUDENTŮ PRO PRAXI JSOU VYUŢITI ODBORNÍCI INSTITUTU FYZIKY V OBLASTI JADERNÉ FYZIKY, PŘÍPRAVY NOVÝCH MATERIÁLŮ, DEFEKTOSKOPII, VÝVOJI MODERNÍCH DEZINTEGRAČNÍCH TECHNOLOGIÍ, MODELOVÁNÍ PROUDĚNÍ

ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKY 1. Rozšíření nabídky specializací v rámci oboru studentům, kteří se již identifikují s některou problematikou a zachování širokého rozhledu pro studenty, kteří budou vybírat ze spektra nabídek podle jejich lukrativnosti v praxi. 2. Zapojení odborníků z Institutu fyziky v oblastech jejich excelence do specializací podle jejich vědeckovýzkumného zaměření. 3. Orientace oboru na aplikace fyzikálních metod a postupů v praxi. 4. Otevřená koncepce - možnost doplnění a modifikace zaměření na základě vývoje situace ve společnosti i vývoje pedagogického sboru na Institutu fyziky. 5. Přednostní rozvíjení oblastí s přímou aplikací absolventů v praxi.

Koncepce oboru Na základě vědeckovýzkumné činnosti a personálního zabezpečení bylo v oboru identifikováno pět dílčích specializací pro bakalářské (Bc) a navazující magisterské (NMgr) studium:

• Aplikovaná jaderná fyzika (doc. Alexa) • Defektoskopie a diagnostika materiálů (doc. Lesňák)

• Optická diagnostika (doc. Hlubina) • Progresivní technologie porušování materiálů (prof. Hlaváč)

• Speciální materiály (doc. Dvorský)

Koncepce oboru v doktorském (Ph.D.) studiu • Aplikovaná jaderná fyzika (doc. Alexa) • Defektoskopie a diagnostika materiálů (doc. Lesňák)

• Optická diagnostika (doc. Hlubina) • Progresivní technologie porušování materiálů (prof. Hlaváč) • Speciální materiály (doc. Dvorský) • Optická spektroskopie (doc. Postava)

• Fyzikálně mechanické a povrchové vlastnosti materiálů (doc. Valíček)

Pohledy do některých VV laboratoří - jaderná fyzika

další zařízení jsou nyní připravována k provozu

Neutronový generátor MP320 firmy Thermo Scientific je unikátním zařízením, které generuje neutrony při fúzi deuteria a tritia a umoţňuje práci v pulzním i kontinuálním reţimu. Jde o první fúzní neutronový generátor v České republice a první typ MP320 v Evropě. Vyuţití má v nedestruktivní prvkové analýze materiálů, hornin i ţivých organismů. Díky vysoké energii neutronů (14 MeV) umoţňuje detekovat i prvky jako je uhlík, kyslík a dusík.

ZADÁNÍ: Při havárii jaderného reaktoru v Černobylu 26.4.1986 se do životního prostředí uvolnilo velké množství radioaktivních izotopů cesia 134Cs a 137Cs. Poločas přeměny izotopu 134Cs je 2,065 roku, poločas přeměny 137Cs je 30,07 roku. Poměr uvolněného počtu izotopů 134Cs a 137Cs v okamžiku výbuchu byl 0,55. Spočtěte jaký poměr počtu izotopů 134Cs a 137Cs by měl být ve vzorku kontaminované půdy, který byl odebrán 30.11.2013.

ŘEŠENÍ: 1 rok je 365,243 dnů, v roce 1986 bylo do 30.11. ještě 218 dnů a dále pak 27 roků; po přepočtení a zaokrouhlení je to 27,6 roků ln 2 134

134

134



T (134 Cs )

t

N o ( Cs) N ( Cs) N o ( Cs) e  0,55   ln 2 137 137 t N o ( Cs) N ( Cs) N o (137 Cs)  T (137 Cs ) e 

ln 2 27,6 2,065

N (134 Cs) e 5  0,55  9,85  10 ln 2  27,6 N (137 Cs) 30,07 e Dne 30.11.2013 byl poměr izotopů cesia z Černobylu přibližně 9,85.10-5

Pohledy do některých VV laboratoří - defektoskopie a diagnostika Magnetický defektoskop

Měření magneticky měkkých materiálů Měření permanentních magnetů

Vibrační magnetometr

ZADÁNÍ: Vychylování pohybujících se elektronů magnetickým polem se používá jak v obrazovkách starých televizorů, monitorů či měřicích přístrojů, tak u elektronových mikroskopů nebo v urychlovačích. Základem je získání volných elektronů a jejich urychlení potenciálovým rozdílem a potom použití magnetického pole s indukcí, která obecně svírá s rychlostí nějaký úhel z oboru hodnot . Úhel ovlivňuje typ trajektorie, kterou může být přímka, uzavřená křivka v rovině nebo prostorová křivka. Uvedený příklad se týká tohoto problému.

V elektronovém děle je nastaveno urychlovací napětí 1 000 V. Elektrony opouštějí dělo v bodě T a pohybují se směrem k bodu T´. Ve vzdálenosti d = 5 cm od bodu T se nachází v bodě M terčík. Úhel α má velikost 60°. Určete velikost magnetické indukce homogenního magnetického pole, jejíž vektor je a) kolmý na rovinu určenou body T, T´, M, b) rovnoběžný s úsečkou TM tak, aby magnetické pole přivedlo elektronový svazek do terčíku. Velikost magnetické indukce nemá překročit hodnotu 0,03 T. Trajektorie pohybu nemusí ležet v rovině určené body. Určete také jaký bude typ trajektorie elektronu v jednotlivých zkoumaných případech.

ŘEŠENÍ: V případě ad a) je pohyb elektronu vyvolán magnetickým polem kolmým k rovině určené body TT´M. V tom případě je úsečka TM tětivou kružnice, po které se elektron pohybuje. Označíme-li poloměr kružnice R a délku tětivy TM d, platí d 2me eU 2sin  mv v2 2eU 2 sin    me  evB  B  e  v   B    600 R R eR me ed Po dosazení je možno určit magnetickou indukci 2  9,11031 1, 602 1019 1000 2.sin 600 3 B  3, 6923  10 T 19 1, 602 10  0, 05

V případě ad a) (vektor mg. indukce je kolmý k vektoru rychlosti elektronu) bude potřeba indukce velikosti B=3,7·10-3 T, což je méně než stanovená limitní hodnota.

V případě ad b) se pohybuje elektron po šroubovici se stoupáním ve směru úsečky TM (s touto úsečkou je také rovnoběžný vektor magnetické indukce, která způsobuje v kolmém směru rotaci elektronu – tedy v rovině kolmé k úsečce TM). Pokud je vzdálenost TM označená d celým násobkem stoupání šroubovice, dorazí elektron do bodu M, přitom platí

d  v cos  nT  n

m v sin  2 nmev sin  2 r d tg  r  B e  B sin  tg 2 n er ed cos 

doplníme-li výpočet rychlosti z urychlovacího napětí, dostaneme

B

2 n 2me eU cos  ed

 B

2 n 2  9,11031 1, 602 1019 1000 1, 602 1019  0, 05

1 2  n  6, 6971103 T

Podmínka

B  0,03 T je splněna pro n rovné 1, 2, 3 a 4. V případě ad b) (mg. pole svírá s vektorem rychlosti elektronu úhel a) budou zadanou podmínku splňovat první čtyři násobky indukce velikosti B=6,7·10-3 T (kromě uvedené hodnoty tedy ještě B=13,4·10-3 T, B=20,1·10-3 T a B=26,8·10-3 T). Poznámka: Výsledné hodnoty byly zaokrouhleny.

Pohledy do některých VV laboratoří - optika Elipsometr

Michelsonův interferometr Mach-Zenderův interferometr

generace superkontinua

ZADÁNÍ: Duhové zbarvení povrchu křídel motýlů z rodu Morpho je důsledkem konstruktivní interference světla, odraženého na tenkých terasovitě uspořádaných stupních průsvitných kutikul (buněčných blan) na povrchu křídel. Ty jsou rovnoběžné s povrchem křídel. Řez středovou částí a terasovitými stupni ukazuje snímek z elektronového mikroskopu na obrázku. Stupně mají index lomu n = 1, 53 a tloušťku ht = 63,5 nm a jsou odděleny mezerou vzduchu o tloušťky ha = 127 nm. Světlo na ně dopadá kolmo. Pro jakou vlnovou délku viditelného světla vzniká při odrazu interferenční maximum? Uvažujte interferenci dvojice vln (a) r1, r2, (b) r1, r3.

ŘEŠENÍ:

n 1 Nejprve určíme R - R  n 1

2

2

0,53  R  0, 044  4, 4% 2,53

Případ a) odraz od opticky hustšího prostředí, následně od opticky řidšího prostředí + dva průchody a z toho plynoucí rozdíl fáze 

Matematický zápis

Podmínka pro maxima



  2m

2



2ht n  

Řešení vlnové délky

4

4ht n ht n    2m  4ht n  (2m  1)     (2m  1) 4  63,5 1,53   388, 62 nm a liché podíly (129,54 nm; 77, 724 nm ...) 1 Případ b) - podobné řešení

2

2ht n  2ha   2ht n  2ha   2m     m 2  63,5 1,53  2 127   448,31 nm a celočíselné podíly (224,16 nm;149, 44 nm ...) 1

Ve viditelné oblasti by měly ležet obě základní stanovené vlnové délky, tedy 388,62 nm a 448,31 nm.

Pohledy do některých VV laboratoří - progresivní technologie porušování materiálů Řezání kapalinovým paprskem

Čerpadlo pro objemovou destrukci

Přetlaková komora

Optická analýza obrobených povrchů

ZADÁNÍ: Při směšování abrazivního materiálu s vodním paprskem dochází ke střetu zrn abraziva s proudem vody, jehož zjednodušené podmínky je možno zadat takto: Vodní paprsek se pohybuje rychlostí vo, abrazivo se pohybuje rychlostí va tak, že vektor rychlosti va svírá s vektorem vo úhel a z oboru hodnot <0,90>°. Určete výsledný směr rychlosti pohybu abrazivní částice po prvním střetu s vodním paprskem za předpokladu, že se jedná o kompaktní homogenní kouli, jejíž součinitel odporu v kapalném prostředí je 0,25. Průměr vodního paprsku předpokládáme totožný s průměrem vodní trysky (0,25 mm), průměr zrna abraziva je 0,2 mm. Tlak vody 380 MPa, hustota vody 998 kg/m3, hustota abraziva 4100 kg/m3, součinitel odporu abraziva v proudu kapaliny Cd = 0,2, úhel vstupu abraziva  je buď 45° nebo 90°, vstupní rychlost abraziva 100 m/s, interakční čas je určen rozdílem mezi rozměrem paprsku a abraziva a rychlostí mechanických vln v materiálu abraziva (c = 5000 m.s-1), ztrátový součinitel trysky m je 0,55. (Poznámka: Pro výpočet zrychlení částice počítejte efektivní plochy a efektivní síly, abyste nemuseli používat integrální počet – Smax/ 2, Fmax/ 2.)

ŘEŠENÍ: Nejprve provedeme rozklad vstupní rychlosti abraziva, určení odporových sil ve směru příčném i rovnoběžném vzhledem ke směru pohybu paprsku a příslušných zrychlení a z nich vyplývajících vztahů pro rychlost abraziva v podélném i kolmém směru k ose paprsku.

vao  vao sin  Fef  

vao  vao cos 

2 21 Cd Sef k  vo  vao  2 2

S

a

2 o

4

Sef 

2 a 2 4

2 o

ma  a

a

3 o

6

a 

3Cd k  vo  vao  8a ao

2

2  ao2  ao2 21 2 Fef   Cd Sef k vao  S  Sef  2 2 4 2 4 2 3Cd k  vo  vao cos   va  vao cos   t 8a ao va 

ma  a

 ao3 6

2 3Cd k vao  a  8a ao

2 3Cd k vao sin 2   vao sin   t 8a ao

Obecně je podíl kolmé a rovnoběžné rychlosti abrazivní částice hodnotou roven tgd, tedy úhlu, který bude svírat vektor rychlosti abraziva po prvním střetu s vodním paprskem s vektorem jeho vstupní rychlosti. Lze použít také určitá zjednodušení. Například pro   0  sin   0 , cos   1 Částice se bude pouze urychlovat ve směru paprsku, pokud se do něj nějakým mechanismem dostane, protože vletět do něj nemůže, neboť kolmá složka vstupní rychlosti abraziva je nulová. Pokud bude   900  sin   1, cos   0 Částice se bude v příčném směru brzdit maximálním možným způsobem a ve směru pohybu paprsku bude na počátku rozdíl rychlostí roven rychlosti vodního paprsku. Dále můžeme zavést zjednodušující předpoklad, že pokud se při brzdění v proudu kapaliny v příčném směru částice zastaví, bude vytlačována zpět a opustí kapalinu stejnou rychlostí (pouze opačného směru), pokud projde, bude situace obdobná, protože při průchodu paprskem nejprve došlo k brzdění, ale pak k urychlování díky vytlačování odporovou silou k okraji paprsku. Zjednodušení nám umožní tento přibližný výpočet.

va  vao

2vao 3Cd k vo2 2vao 8a ao 2vo2   vao  vao  at  t   va   2 a 8a ao 3Cd k vao vao

Protože

va   vao

platí

va va 

2 vo2 vao

2 2vo2 vao   2  tg  nebo tgd  2 vao vao 2vo

kde  resp. d jsou úhly protilehlé k odvěsnám v resp. va rychlostí paprsku a abraziva. Rychlost vo určíme z Bernoulliho rovnice

1 2 2  0,55  380000000  vo   po  vo   647m  s 1 2 998

t

do  ao 0,05  t  105 s c 5000

Vypočtené hodnoty pro vstup s úhlem 45°

va  378 m  s 1

va   66 m  s 1

Vypočtené hodnoty pro vstup s úhlem 90°

va  482 m  s 1

va   95 m  s 1

 = 80,07 ° resp. d = 9,93 °  = 78,80 ° resp. d = 11,20 °

Pohledy do některých VV laboratoří - speciální materiály DLS analyzátor

Nanodesintegrátor Water Jet Mill Měření rezistivity

Lyofilizátor

ZADÁNÍ:

Měrný povrch   m2 kg-1  kompaktního látkového tělesa je definován jako podíl   celkové plochy jeho povrchu a jeho hmotnosti S  . m Tato veličina hraje roli zejména u nanostrukturních materiálů. Nanostruktury označené 0D odpovídají nanočásticím - žádný z rozměrů není v makroskopickém měřítku. Nanostruktury označené 1D odpovídají nanovláknům, které mají jeden makroskopický rozměr (mnohem větší než zbylé dva). Nanostruktury označené 2D odpovídají nanolamelám, které mají dva makroskopické rozměry. Mějme kompaktní materiál o hustotě ρ ve formě 0D stejných kulových částic o průměru D, 1D stejných válcových vláken o průměru d a 2D stejných lamelárních částic o tloušťce h. Jaký musí být poměr charakteristických rozměrů D : d : h , aby měrné povrchy všech tří nanostruktur byly shodné?

ŘEŠENÍ: Řešení problému je uvedeno na dalším snímku.

D

   D 2   4      2 1S 1 1 6       V  4  D 3 D        1 6         D     3 2          D  d        2   L 1 4       d     D :d :h  3:2:1 1S 1 2 14   d     d     2   V  d  d    1 2         L   h    2             h    1S 1 2s 1 2 h     V  sh h    D  d  h   

Poměr rozměrů nanostruktur je pro bod, vlákno a plochu pro dosažení stejného měrného povrchu 3 : 2 : 1.

Uplatnění absolventů Absolventi nalézají uplatnění (kromě vysokých škol a ústavů Akademie věd) také ve výzkumných a vývojových pracovištích firem, dále ve zkušebnách, metrologických laboratořích a také přímo v řídících složkách výroby nebo kontrolních útvarech kvality apod. (ČEZ a.s., TEVA Czech Industries s.r.o., Visteon - Autopal s.r.o., PBS Velká Bíteš – Divize letecké techniky, PTS Solnař s.r.o., ON Semiconductor Czech Republic). Při výchově studentů je uplatňována spolupráce s vysokými školami, vědeckovýzkumnými pracovišti (VUT v Brně, ČVUT v Praze, UP Olomouc, KU Praha, MU Brno, TU Košice, Politechnico Milano, University of Warsaw, University of Nottingham, INSA Toulouse, ústavy AVČR, SAV) a firmami (NET spol. s r.o., PTV spol. s r.o., ON Semiconductors Czech Republic, VLN Technologies, Ltd., Watting s.r.o.,), a to v tuzemsku i zahraničí. Studenti tak získávají předpoklady pro snadné uplatnění i mimo naši republiku.

Závěrečné poznámky Koncepce oboru umožňuje rozšířit výzkum v dalších směrech podle potřeb a požadavků průmyslu v oblasti měření, analýzy dějů, vývoje materiálů a technologií, diagnostiky, defektoskopie, modelování, atd.

Student si může vybrat některé předměty rozvíjející jeho preferovanou specializaci nebo mix předmětů v případě, že má zájem o kombinaci dvou či více zaměření. Volbu předmětů ovlivňují a určují doporučení, která dává studentovi vedoucí diplomové práce, případně garant oboru. Garanti specializací a vedoucí diplomových prací dbají na to, aby řešená témata byla orientována do praxe.

Studenti středních škol se mohou podílet na VV práci (i za úplatu).

DĚKUJI ZA POZORNOST