Témata pro SOČ

Katedra fyziky Přírodovědecké fakulty Univerzity J. E. Purkyně v Ústí nad Labem nabízí studentům středních škol témata, kterým se mohou věnovat v rámci středoškolské odborné činnosti (SOČ). Po odborné stránce studenty povedou pracovníci katedry fyziky. V případě zájmu o některé téma, zprostředkování kontaktu s vedoucím SOČ nebo o další informace se prosím obraťte na níže uvedený kontakt:

RNDr. Eva Hejnová, Ph.D.
Katedra fyziky
Přírodovědecká fakulty Univerzita J. E. Purkyně
E-mail: eva.hejnova@ujep.cz
Tel. 475 286 621

Nabízená témata

Magnetronová depozice vrstev oxidů kovů na flexibilní substráty s uplatněním v oblasti flexibilní elektroniky

Vedoucí SOČ: doc. Ing. Martin Kormunda, Ph.D.

Flexibilní elektronika je dnes velmi rozšířený obor, který místo tradičních rigidních substrátů (křemík, sklo) využívá flexibilní polymery nebo kovové fólie. Použití flexibilních substrátů přináší významné výhody, jako je jejich cena, schopnost přizpůsobit se různým tvarům, nízká hmotnost, možnost připravit tenké struktury ale také možnost integrovat je do roll-to-roll procesů a zvýšit tak efektivitu výroby. V rámci flexibilní elektroniky se často vyrábějí různé komponenty, jako jsou tranzistory, diody, senzory, displeje, paměti, baterie a další. Základem těchto součástek jsou pak různé polovodičové či kovové multivrstevnaté struktury, které se na zvolený substrát nanáší. Oxidy kovů, jako jsou ZnO, TiO₂, SnO₂, VO₂ a další, jsou krystalické polovodiče se zajímavými optickými vlastnostmi, které se používají při výrobě optoelektronických součástek. Existuje několik metod, jak tyto vrstvy připravit, například sol-gel proces, spray pyrolýza, chemická depozice, avšak tyto metody obvykle poskytují méně kvalitní krystalické vrstvy, což je klíčové pro dosažení požadovaných vlastností těchto oxidů. Magnetronové naprašování je vhodnou technikou pro výrobu tenkých, homogenních vrstev, jejichž strukturu lze ovlivnit správným nastavením parametrů naprašování. Nicméně možnosti přípravy vrstev oxidů kovů na flexibilních substrátech pomocí magnetronového naprašování nebyly doposud dostatečně prozkoumány. V rámci této práce bude žák studovat možnosti využití magnetronového naprašování pro přípravu vrstev oxidů kovů na flexibilních substrátech a charakterizovat jejich vlastností s cílem uplatnit je v oblasti flexibilní elektroniky.

Využití umělých neuronových sítí k analýze obrazu a 1D signálů (téma je obsazeno)

Vedoucí SOČ: doc. RNDr. Marek Malý, Ph.D.

Umělé neuronové sítě jsou hlavním pilířem tzv. umělé inteligence, která je díky technologiím, jež bežně používáme, již delší dobu nedílnou součástí našich životů. Původní motivací, stojící za vývojem umělých neuronových sítí, bylo vytvořit jakýsi umělý model mozku resp. skutečnou umělou inteligenci, která bude k nerozeznání od té lidské. Vývoj nakonec vedl ke vzniku rozličných typů matematických modelů, které jsou schopny napodobit některé funkce mozku (např. učení, zobecňování, a na základě toho i schopnost nejrůznějších analýz/automatizace procesů). Jestliže donedávna byly „nejviditelnější“ tzv. konvoluční neuronové sítě, které způsobily malou revoluci v oblasti počítačového vidění, jehož jednou z nejznámějších aplikací je autonomní řízení automobilů, tak v prvním kvartálu roku 2023 daly o sobě umělé neuronové sítě, přesněji tzv. velké jazykové modely, opět dosti hlasitě vědět a to v podobě chatovacích aplikací chatGPT od společnosti OpenAI či BARD od společnosti Google, které byly poskytnuty široké veřejnosti. V rámci této práce bude student obeznámen s umělými dopřednými vícevrstvími neuronovými sítěmi, včetně konvolučních neuronových sítí a s jejich praktickou implementací v rámci prostředí TensorFlow resp. vysokoúrovňové knihovny Keras. Student se následně naučí aplikovat tyto neuronové sítě v oblasti rozpoznávání obrazu či analýzy 1D signálů a to primárně v medicínské oblasti, kde výstupem takové analýzy je typicky diagnóza příslušného onemocnění či anomálie.

Ptolemaiův způsob popisu pohybu planet a kreslení pomocí Fourierových řad (téma je obsazeno)

Vedoucí SOČ: RNDr. Jan Dočkal, Ph.D.

Ptolemaiův princip popisu planet byl založen na skládání několika rovnoměrných kruhových pohybů s různým poloměrem a periodou. Tímto způsobem Ptolemaios (100-170) vytvořil geometrický popis sluneční soustavy, který zůstal nepřekonaný až do poloviny 16. století. Cílem práce je zdokonalit tento geocentrický model sluneční soustavy přidáním dostatečného množství rovnoměrných kruhových pohybů a doplnit ho o imaginární planetu, která by obíhala po trajektorii ve tvaru domečku, autíčka, či oblíbené komiksové postavy. Student se blíže seznámí s elegancí komplexních čísel při popisu kruhových pohybů, Fourierovými řadami, DFT a prací v programu MATLAB.

Vliv iontové implantace na mechanické a optické vlastnosti pevných látek

Vedoucí SOČ: RNDr. Adéla Jagerová. Ph.D.

Implantace urychlených nabitých částic (iontů) je zajímavý způsob, jak měnit vlastnosti pevných látek. Urychlené ionty pronikají do pevného materiálu a postupně ztrácí svou rychlost, dokud se nezastaví. Během svého pohybu materiálem narušují jeho strukturu a vytváří různé poruchy a pnutí, které vedou ke změně mechanických vlastností (například změna tvrdosti). Současně ionty, které se zabudují do struktury, mohou vytvářet různá optická centra vedoucí ke změně v absorpci záření daného materiálu nebo jeho zabarvení. Cílem práce je seznámení studenta s interakcí urychlených iontů s pevnými látkami a studium vlivu iontové implantace na mechanické a optické vlastnosti pevných látek (zejména krystalů).  

Dynamika hoření palivové směsi lihové rakety

Vedoucí SOČ: Mgr. Robert Seifert

Cílem práce je podrobněji prozkoumat děje probíhající při hoření směsi lihových par a vzduchu v tzv. “lihové raketě”. Samo hoření je pro lidské oko příliš rychlé, ale s použitím sběru dat a videozáznamu je možno sledovat, co se při hoření odehrává. V rámci práce bude student experimentálně určovat vliv tvaru lahve, velikosti otvoru a bohatosti směsi na celkový průběh hoření. Katedra může zapůjčit měřicí systém Vernier (nástroj pro analýzu dat), pro pořízení videozáznamu bude student potřebovat vlastní prostředek (ideálně iPhon).

Vzdálené fyzikální experimenty s Arduinem (téma je obsazeno)

Vedoucí SOČ: doc. RNDr. František Lustig, CSc.

Vzdálené experimenty jsou experimenty, které se dají ovládat přes standardní internetový prohlížeč. Existují již více než 20 let, prošly dlouhým vývojem. Některé středoškolské laboratorní úlohy s profesionálním měřicím systéme ISES nalezneme na https://www.ises.info/index.php/cs/laboratory. V současné době je vytvořená softwarová stavebnice Remduino Lab SDK pro platformu Arduina, volně stažitelná na https://www.ises.info/index.php/cs/news, která umožňuje rychlou a efektivní vlastní tvorbu vzdálených experimentů s běžně dostupným Arduinem. Jsou zde i ukázkové vzdálené experimenty, které si můžete vyzkoušet doma. Cílem SOČ je vytvořit další podobné vzdálené úlohy se softwarovou stavebnicí Remduino Lab SDK z fyziky, ale mohly by to být vzdálené úlohy i z přírodovědy, chemie, z automatizace domácnosti aj. Nám se osvědčila tvorba vzdálených experimentů na rozšiřitelných shield deskách (prázdné tištěné spoje, kde se sestaví, naletuje vzdálený experiment). Tvůrce vzdálených experimentů nemusí být programátor, stačí pouze „slepovat“ dohromady jednotlivé softwarové moduly pro vstup, výstup, zobrazení, záznam a export dat. Stavebnice vzdáleného experimentu samozřejmě poskytuje živý kamerový pohled. Inspiraci lze najít v publikaci https://www.ises.info/old-site/clanky_pdf/Vyukovy_kurz_prispevek.pdf. Pokud bude řešitel zdatným programátorem, můžeme se pokusit softwarovou stavebnici Remduino Lab SDK rozšířit, zmodernizovat aj.