Kursguide - Course Syllabus

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
Fördjupning
Fysik
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
Delkurs 1:
1. förklara de kvantmekaniska koncepten som behövs för att beskriva den moderna
atom- och molekylfysiken.
2. beskriva några grundläggande experiment från atom- och molekylfysikens
historia
3. beskriva ljusemission och -absorption i atomer.
Delkurs 2:
2/ 5
1. Beskriva och använda den grundläggande moderna kärnfysik.
2. Beskriva reaktorers funktion och användning.
Delkurs 3:
1. förklara grundläggande begrepp och identifiera centrala områden inom fasta
tillståndets fysik såsom kristallstruktur, gittersvängningar, bandstruktur och
frielektronmodellen, ledare, halvledare och isolatorer.
2. exemplifiera och beskriva den aktuella forskningen inom ett begränsat område
av fasta tillståndets fysik.
Delkurs 4:
1. Beskriva materiens uppbyggnad av kvarkar och leptoner i standardmodellen.
2. Beskriva de fundamentala växelverkningarna i standardmodellen
3. Redogöra för grundelementen i teorierna för stark, elektromagnetisk och svag
växelverkan
4. Redogöra för de grundläggande observationerna som lett till standardmodellen
5. Vara orienterad om förutspådda fenomen bortom standardmodellen och den
aktuella forskningsfronten i högenergifysik
6. Redogöra för universums utveckling, framför allt ur partikelfysikperspektiv
7. Redogöra för olika partiklars växelverkan med materia, speciellt
detektormaterial
8. Redogöra för hur man identifierar partiklar och bestämmer deras rörelsemängd.
9. Redogöra för sekundära strålar av neutroner, myoner, pioner och fotoner vid
t.ex. ESS och MAX.
10. Vara orienterad om acceleratorers användning för materialstudier och
medicinska tillämpningar
Färdighet och förmåga
Delkurs 1:
1. kunna använda grundläggande kvantmekaniska koncept och tillämpa dem på
atom- och molekylfysikaliska frågeställningar,
2. kunna planera, genomföra och redovisa experiment,
3. kunna analysera enkla atom- och molekylspektra,
4. översiktligt kunna exemplifiera och beskriva aktuell forskning inom atomfysik och
synkrotronljusfysik
Delkurs 2:
1. Översiktligt kunna exemplifiera och beskriva den aktuella forskningen inom
kärnfysik
2. Planera, genomföra och redovisa kärnfysikaliska experiment
Delkurs 3:
1. lösa enklare räkneuppgifter relaterade till de fysikaliska modellerna som
presenteras under kursen.
2. med hjälp av datorsimuleringar analysera och visualisera grundläggande
egenskaper hos de fysikaliska modellerna.
3. genomföra samt skriftligt redovisa och analysera experimentella laborationer
inom centrala områden av fasta tillståndet fysik.
4. självständigt eller i mindre grupp inhämta kunskaper inom ett fält av fasta
tillståndets fysik och redovisa detta skriftligt såväl som muntligt.
5. Delkurs 4:
6. Åskådliggöra reaktioner och söderfall med Feynmandiagram
7. Göra kvantitativa beräkningar på reaktioner och sönderfall med relativistisk
kinematik
8. Använda metoden med fyrmomentum för kvantitativa kinematiska beräkningar
9. 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.
11. Beräkna laddade partiklars rörelse i elektriska och magnetiska fält
Delkurs 4:
1. Kunna utveckla och kritiskt granska undervisningsmaterial och -sekvenser för
gymnasieskolan kring aktuell fysik
Värderingsförmåga och förhållningssätt
1. kunna värdera experimentella resultat visa en förmåga att bedöma fysikaliska
modellers tillämpbarhet och begränsningar,
2. självständigt kunna inhämta nya kunskaper och redovisa dessa i muntlig och
skriftlig form
3. visa förståelse av fysikens roll i samhället. Värdera experimentella resultat.
4. 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
Delkurs 1:
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
Delkurs 2:
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
4/ 5
användningsområden. Reaktorer som energikällor, ur ett miljö- och
samhällsperspektiv.
Delkurs 3:
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
Delkurs 4:
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.
5/ 5
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.
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 FYSC14.
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)