Naturvetenskapliga fakulteten ÄFYC01, Kvantfysik med didaktik, 30 högskolepoäng Quantum Physics with didactics, 30 credits Grundnivå / First Cycle Fastställande Kursplanen är preliminär men ännu ej fastställd. Allmänna uppgifter Kursen är en obligatorisk kurs i Ämneslärarutbildningen för fysik Undervisningsspråk: engelska Huvudområde Fysik Fördjupning G2F, Grundnivå, har minst 60 hp kurs/er på grundnivå som förkunskapskrav Kursens mål Kursen består av fem delkurser: 1) Atom- ochmolekylfysik 2) Kärn- och reaktorfysik 3) Fasta tillståndets fysik 4) Partikelfysik, kosmologi och acceleratorfysik 5) Didaktik Kunskap och förståelse förklara de kvantmekaniska koncepten som behövs för att beskriva den moderna atom- och molekylfysiken. beskriva några grundläggande experiment från atom- och molekylfysikens historia beskriva ljusemission och -absorption i atomer.
Beskriva och använda den grundläggande moderna kärnfysik. Beskriva reaktorers funktion och användning. förklara grundläggande begrepp och identifiera centrala områden inom fasta tillståndets fysik såsom kristallstruktur, gittersvängningar, bandstruktur och frielektronmodellen, ledare, halvledare och isolatorer. exemplifiera och beskriva den aktuella forskningen inom ett begränsat område av fasta tillståndets fysik. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Beskriva materiens uppbyggnad av kvarkar och leptoner i standardmodellen. Beskriva de fundamentala växelverkningarna i standardmodellen Redogöra för grundelementen i teorierna för stark, elektromagnetisk och svag växelverkan Redogöra för de grundläggande observationerna som lett till standardmodellen Vara orienterad om förutspådda fenomen bortom standardmodellen och den aktuella forskningsfronten i högenergifysik Redogöra för universums utveckling, framför allt ur partikelfysikperspektiv Redogöra för olika partiklars växelverkan med materia, speciellt detektormaterial Redogöra för hur man identifierar partiklar och bestämmer deras rörelsemängd. Redogöra för sekundära strålar av neutroner, myoner, pioner och fotoner vid t.ex. ESS och MAX. Vara orienterad om acceleratorers användning för materialstudier och medicinska tillämpningar 2/ 5 Färdighet och förmåga Översiktligt kunna exemplifiera och beskriva den aktuella forskningen inom kärnfysik Planera, genomföra och redovisa kärnfysikaliska experiment 5. 6. 7. 8. 9. kunna använda grundläggande kvantmekaniska koncept och tillämpa dem på atom- och molekylfysikaliska frågeställningar, kunna planera, genomföra och redovisa experiment, kunna analysera enkla atom- och molekylspektra, översiktligt kunna exemplifiera och beskriva aktuell forskning inom atomfysik och synkrotronljusfysik lösa enklare räkneuppgifter relaterade till de fysikaliska modellerna som presenteras under kursen. med hjälp av datorsimuleringar analysera och visualisera grundläggande egenskaper hos de fysikaliska modellerna. genomföra samt skriftligt redovisa och analysera experimentella laborationer inom centrala områden av fasta tillståndet fysik. självständigt eller i mindre grupp inhämta kunskaper inom ett fält av fasta tillståndets fysik och redovisa detta skriftligt såväl som muntligt. Åskådliggöra reaktioner och söderfall med Feynmandiagram Göra kvantitativa beräkningar på reaktioner och sönderfall med relativistisk kinematik Använda metoden med fyrmomentum för kvantitativa kinematiska beräkningar Tillämpa bevaringsregler på reaktioner och sönderfall
3/ 5 10. Koppla upp en elektronisk detektion av myoner från den kosmiska strålningen och mätning av tiden till sönderfall. Med hjälp av MATLAB bestämma myonens livstid från de uppmätta värdena samt att generalisera livstidsmätningar på tidskalor för svaga sönderfall. 1 Beräkna laddade partiklars rörelse i elektriska och magnetiska fält Kunna utveckla och kritiskt granska undervisningsmaterial och -sekvenser för gymnasieskolan kring aktuell fysik Värderingsförmåga och förhållningssätt kunna värdera experimentella resultat visa en förmåga att bedöma fysikaliska modellers tillämpbarhet och begränsningar, självständigt kunna inhämta nya kunskaper och redovisa dessa i muntlig och skriftlig form visa förståelse av fysikens roll i samhället. Värdera experimentella resultat. Visa en förmåga att bedöma fysikaliska modellers tillämpbarhet och begränsningar. 5. Självständigt kunna inhämta nya kunskaper och redovisa dessa i muntligt och skriftligt. 6. Översiktligt kunna exemplifiera och beskriva den aktuella forskningen. 7. reflektera över, diskutera och problematisera en tillämpning av modern fysik och dess potentiella effekter inom ett visst samhällsområde 8. Värdera naturvetenskapens bild av materiens uppbyggnad baserat på experiment, modellbildning och teorier. 9. Värdera naturvetenskapens bild av universums uppbyggnad och utveckling baserat på observationer, modellbildning och teorier. Kursens innehåll Introduktion till kvantmekaniska koncept. Rörelsemängdsmoment: elektronens spinn och banrörelsemängdsmoment. Teoretisk behandling av elementär atomär struktur: kvantmekanisk behandling av väteatomen, finstruktur, heliumatomen, spinnvågfunktioner, Pauliprincipien, LS- approximationen i atomer med två valenselektroner, centralfältsapproximationen. Experimentella observationer av effekter kopplade till dessa fenomen. Elektriska dipolapproximationen, strålningsövergångar i väteatomen. Grundläggande teoretisk behandling av flerelektronatomer. Röntgenstrålning, röntgenspektra, röntgenspektroskopi, Moseleys lag. Augereffekt, Augerspektroskopi. Ljusemission och -absorption. Växelverkan med yttre fält samt hyperfin- och isotopstruktur. Två- och fleratomiga molekyler. LCAOmetoden. Molekylorbitaler. Rotationer. Vibrationer. Laser och tillämpningar inom laserfysik. Synkrotronljus och tillämpningar inom synkrotronljusfysik. Tillämpningar inom astrofysik. Plasmor i termisk jämvikt: fördelningslagar, strålningstransport, linjeprofiler. Atomfysikens historia. Grundläggande experiment i atomfysikens historia, t ex Stern-Gerlach- experimentet, Lambs och Rutherfords experiment som ledde till upptäckten av Lambskiftet, Rydbergsspektral experiment Atomkärnors egenskaper. Tvånukleonsystem. Excitation och sönderfall av kärnor: betasönderfall genom svag växelverkan, elektromagnetiska övergångar, alfasönderfall. Kärnstrukturmodeller: skalmodellen för sfäriska och deformerade system, kollektiva modeller. Kärnreaktioner: tvärsnitt och reaktionsmekanismer, reaktioner genom stark och elektromagnetisk växelverkan, fission och fusion, acceleratorer och detektorer. Tillämpad kärnfysik Reaktorfysik Fissionsreaktorer av olika slag, deras uppbyggnad och
användningsområden. Reaktorer som energikällor, ur ett miljö- och samhällsperspektiv. 4/ 5 Kristallstruktur diffraktion och reciprokt gitter kristallbindning fononer: gittervibrationer och termiska egenskaper frielektrongas elektronisk bandstruktur halvledare fermiytor och metaller supraledning magnetism dielektricitet ferroelektricitet ytstrukturer samt nanostrukturer En översikt över elementarpartiklar och deras växelverkan. Leptoner, kvarkar och sammansatta partiklar diskuteras, samt den elektromagnetiska, svaga och starka kraften och dess kraftförmedlare. Reaktioner och sönderfall representeras med Feynmandiagram. Speciellt införs partikelfysikens standardmodell med den elektrosvaga växelverkan och kvantkromodynamik. Higgs-mekanismen introduceras och möjliga teorier bortom standard-modellen diskuteras tillsammans med en orientering om forskningsfronten i högenergifysik. Universums expansion och utveckling och kosmologins relation till partikelfysiken diskuteras. De viktigaste obesvarade frågorna i kosmologin, som mörk materia och asymmetrin mellan materia och antimateria uppmärksammas. Acceleratorfysik Metoder att bestämma identitet och rörelsemängd av partiklar gås igenom samt principen för högenergifysikexperiment. Experimentella studier av subatomära system kräver partikelstrålar med hög energi. Partikelacceleratorer används numer även i samhället i stort, t.ex. för medicinska tillämpningar och för materialstudier i fysik, farmakologi, biologi, kemi etc. Principerna för acceleration, främst synkrotron- och linjäraccelerator, och lagring av partikelstrålar gås igenom. Exempel tas från den subatomära fysikens frontlinje, LHC vid CERN, samt de för materialstudier aktuella MAX och ESS i Lund. För dessa studeras även hur sekundära strålar av fotoner och neutroner skapas för användning för olika tillämpningar. Delkurs 5: Undervisning kring aktuell fysikforskning i skolan, elevers föreställningar om i kursen behandlade områden, naturvetenskapernas karaktär, simulering och modellering i fysikundervisningen och skolexperiment. Kursens genomförande Delkurs 1-4: Aom- och Molekylfysik Undervisningen består av lektioner, gruppundervisning, handledning i samband med laborationer, datorövningar och seminarier, samt studiebesök. Lektionsundervisningen ägnas huvudsakligen åt genomgång av avsnitt ur teorikursen samt problemlösning. Forskningsinformation, som är ett viktigt inslag i kursen, ges också på lektionstid, ofta i anslutning till en visning av den aktuella verksamheten. Laboratoriearbetet utgörs i huvudsak av laborationer och datorövningar samt genomgångar i samband härmed. Alla moment som hör till laboratoriearbetet är obligatoriska. Laborationsmomenten på kursen ges ett sammanlagt poängvärde och laborationsprestationerna betygssätts. Det är en väsentlig del av kursen att de studerande inför gruppen redovisar givna uppgifter. Deltagande i studiebesök är obligatoriskt. Studiebesök kan vara förenat med kostnader men kan ersättas med självstudieuppgift.
Delkurs 5: Seminarier anordnas där fysikinnehållet diskuteras med fokus på studentens kvalitativa förståelse, den historiska utvecklingen av begrepp och modeller som behandlas i kursen, samt deras betydelse idag. Undervisningen på den fysikdidaktiska delen av kursen består av lektioner, seminarier, skolexperiment och handledning av projektarbete. I projektarbetet studeras något aktuellt forskningsområde, en eller flera forskare intervjuas, en text skrivs om forskningsområdet som kan vara lämplig för gymnasieskolan och en undervisningssekvens planeras (innefattande en modellerings eller simuleringsövning). En tillhörande lärarhandledning utformas där relevanta perspektiv kring naturvetenskapernas karaktär, forskning om elevers lärande på området, förslag på elevuppgifter, diskussionsuppgifter tas upp. 5/ 5 Kursens examination Delkurs 1-4: Examinationsformerna innehåller både inlämningsuppgifter och en muntlig eller skriftlig tentamen. Normalt ges tre tentamenstillfällen per läsår och delkurs. Extra tentamenstillfällen kan ges efter överenskommelse med kursledare och studierektor. Prov/moment för denna delkurs finns i en bilaga till kursplanen för FYSC11, FYSC12, FYSC13 och FYSC1 Delkurs 5: Fysikdidaktiken examineras genom skriftlig och muntlig redovisning av projektarbete samt genomförande och redovisning av skolexperiment. Betyg Betygskalan omfattar betygsgraderna Underkänd, Godkänd, Väl godkänd. Betygskalan omfattar betygsgraderna Underkänd, Godkänd, Väl godkänd. För godkänt betyg på hela kursen krävs godkänd muntlig tentamen, godkända inlämningsuppgifter, godkänd laboration med rapport, redovisning av studiebesök samt deltagande i alla obligatoriska moment. För att erhålla betyget VG ska materialet vara inlämnat inom angiven tidsram Slutbetyget avgörs genom en sammanvägning av resultaten på de moment som ingår i examinationen. Förkunskapskrav ÄFYA11, ÄFYA22, ÄFYB11 (FYSB11 och BYSB12)