nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding
De NLT-module Kosmische Straling -Docentenhandleiding
Inhoudsopgave 1. Inleiding Deze module geeft een inzicht in de werkwijze van modern wetenschappelijk onderzoek. Het begin van het onderzoek naar kosmische straling stamt uit het begin van de 20e eeuw. Alle grote onderzoekers uit die tijd hielden zich ermee bezig. Nadat er versnellers gebouwd konden worden raakte dit onderzoek op de achtergrond. De laatste jaren wordt er weer onderzoek naar de bron van kosmische straling gedaan en worden er nieuwe verbanden gelegd met meer alledaagse verschijnselen (bliksem, variatie in 14C, klimaat, CLOUD-experiment). Wetenschappers hopen met de kennis die opgedaan kan worden met het onderzoek naar deze hoogenergetische processen een nieuw inzicht te verkrijgen in de bouw van ons heelal. De gebruikte kennis is hoofdzakelijk VWO-stof. Nog niet behandelde onderdelen komen, indien gewenst, als verdieping of herhaling, nog een keer aan de orde, inclusief bijbehorende oefenstof. Het onderwerp is in het VWO (en zelfs ook voor veel docenten) nog onontgonnen terrein. Tegenwoordig mag het onderwerp zich in een hernieuwde belangstelling verheugen, omdat er een vanzelfsprekende samenwerking tussen wetenschappelijk onderzoek en middelbare scholen tot stand kan worden gebracht.
2. De module in één oogopslag titel
Kosmische straling
code
Nlt2-v215
status
testversie
havo/vwo
vwo (liefst met natuurkunde in het profiel)
beoogd leerjaar
5 of 6 vwo
omschrijving
Denk mee met modern wetenschappelijk onderzoek en ontdek wat er om je heen gebeurt zonder dat je het tot nu toe gemerkt hebt.
context
Onderzoek naar kleine deeltjes uit de ruimte met een grote energie (Astro-deeltjes fysica).
concepten
-microwereld verkennen met macroapparatuur -elementaire deeltjes -kracht en energie in elektrische en magnetische velden -behoudswetten bij botsing -statistische verwerking meetgegevens -het heelal leren begrijpen met metingen vanaf de aarde.
nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding vaardigheden
-Onderzoek doen -Bronnen onderzoeken -Verslag leggen -ELO
voorkennis TF
Natuurkunde: -Kracht, arbeid en energie -automatische systemen (en-poort, comparator, teller) -elektrische schakelingen -atomen, kernen en elektronen -licht opwekken (luminescentie) -de eenheid eV -Lorentzkracht en centripetale kracht (optioneel) -impuls (optioneel) Wiskunde: -statistiek (SD, Gaussverdeling, Poissonverdeling)
studielast
40 slu
structuur
Het eerste deel is lineair (kennisverwerving). Het tweede deel is parallel (onderzoek doen en verslag leggen; leren van elkaars werk)
leerlingactiviteiten
-Eigen onderzoek doen -Werken met ELO (logboek, opgaven, achtergrond, verslag)
faciliteiten
-beschikking over toegang tot ELO -toegang tot opslag gegevens universiteiten -elektronicakastje -2 losse meetplaten (meetplaat=scintillatorplaat +fotomultiplier) -indien mogelijk: vonkenkamer
toetsvormen en weging
aansluitende modules
1. 40%: Tussentoets. 2. 10%: logboek incl.huiswerk 3. 50% Eindverslag. -geen
3. Leerdoelen Een belangrijke doelstelling van het HiSPARC project is om te proberen een verbinding te leggen tussen huidig wetenschappelijk onderzoek en de middelbare scholen. De doelstelling van het project is om moderne wetenschap dichter bij de leerlingen te brengen in de hoop hen op deze wijze een gefundeerde keuze te kunnen laten maken over een exacte vervolgstudie. De leerdoelen per onderdeel zijn: -vertrouwd raken met subatomaire natuurkunde, in het bijzonder de elementaire deeltjes (elektronen, muonen) en hun interactie -een onderzoeksdoel kunnen omzetten in een experiment of theoretisch onderzoek -het kunnen opzetten van experimenten in verband met Kosmische Stralen -verslag leggen van experimenteel/theoretisch werk -specialistische kennis, opgedaan door onderzoek, overdragen aan anderen
nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding
4. Contexten In deze module wordt het onderzoek naar de herkomst van hoogenergetische kosmische stralen (Engels: Ultra High-Energetic Cosmic Rays; UHECR) gebruikt om de leerlingen te introduceren bij een modern wetenschappelijk onderzoek. Volgens de huidige natuurkundige kennis kunnen deze UHECR niet bestaan. Toch meten we ze. Misschien is er iets goed mis in ons begrip van het heelal. Dit is een hot-item in de hedendaagse sterrenkunde. Een groot aantal professionele groepen doen onderzoek naar dit probleem en een aantal van hen gebruiken leerlingen van middelbare scholen om metingen te verrichten aan deze UHECR. Meer informatie op http://www.hisparc.nl/ en http://hisparc.hef.kun.nl/
5. Concepten -microwereld verkennen met macroapparatuur. -elementaire deeltjes -de invloed van elektrische en magnetische velden op de beweging van elementaire deeltjes -de interactie tussen elementaire deeltjes onderling -subatomaire verschijnselen kun je meetbaar maken -met behulp van statistiek kun je meer informatie halen uit meetgegevens -metingen van subatomaire verschijnselen kunnen ons informatie geven over het heelal
6. Vaardigheden -Werken met een ELO Een ELO biedt andere mogelijkheden om leerlingen kennis te laten vergaren dan met een traditioneel leerboek. Het snelle bereik van de juiste bronnen, het gemak waarmee de docent de bronnen kan aanpassen en de mogelijkheid tot communicatie zijn enkele voorbeelden daarvan. -Onderzoek doen Het gaat hier vooral om instrumentele vaardigheden (met name omgaan met elektronische meetapparatuur) en de vaardigheid in het opzoeken van informatie. Daarnaast leert de leerling hoe door samenwerking met andere ‘wetenschappers’ kennis kan worden verworven. -Verslag leggen en van elkaar leren Een aantal onderzoeken in deze module zijn zeer geschikt om op een andere manier verslag te leggen dan een schriftelijk verslag. Omdat veelal in groepen aan verschillende thema’s wordt gewerkt, nodigt deze module uit om het resultaat met andere groepen te delen door een mondelinge presentatie, poster, film, website, …… -Bronnen onderzoeken. Niet alleen het eigen onderzoek is van belang, maar ook hoe dit past binnen wat al bekend is.
7. Voorkennis De basistekst is bedoeld om met onderstaande voorkennis het hele verhaal te kunnen vertellen. De benodigde achtergrondinformatie wordt niet bekend verondersteld. Deze stukken zijn in de tekst te herkennen aan de omkaderde stukken aan de linkerkant van de pagina. Deze tekst is in principe bedoeld om de geïnteresseerde leerling meer achtergrondinformatie te geven. Als docent kunt u ervoor kiezen om sommige delen in de basisstof op te nemen. Een bijzonder voorbeeld is de lorentzkracht. Afhankelijk van wanneer deze module wordt gegeven is dit onderdeel misschien nog niet behandeld bij de natuurkundelessen. U kunt ervoor kiezen dit onderwerp alleen aan te bieden zoals inde basisstof staat en het overlaten aan de geïnteresseerde leerling om dit zelf proberen te begrijpen met behulp van de omkaderde tekst. Maar dit onderdeel kan ook apart
nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding behandeld worden bij de extra stof (zie bijbehorende powerpointpresentatie en opgaven). Ook zal niet iedere leerling statistiek gehad hebben. Dit is standaard in het basisprogramma opgenomen, vooral het rekenen in excel. Leerlingen die dit al beheersen kunnen in die tijd aan inhaalstof of extra stof werken. In de bijlage is aangegeven bij welke onderdelen van andere vakken er raakvlakken zijn met deze module. vak voorkennis tf-programma ll-instructie natuurkunde -Kracht, arbeid en energie verwijzing naar het -automatische systemen (enprogramma van de beide poort, comparator, teller) vakken waar de leerling die -elektrische schakelingen voorkennis heeft opgedaan -atomen, kernen en elektronen -licht opwekken (luminescentie) -de elektronVolt wiskunde -statistiek: standaarddeviatie (σ en SD) Gaussverdeling Poissonverdeling
8. Leerplan beschrijving In de beschrijving van het leerplan is uitgegaan van een rooster met lessen van 50 minuten. Met 3 lessen per week kan de module dan in 7 weken gegeven worden. De eerste 3 weken worden gekenmerkt door klassikale theorielessen afgewisseld door groepswerk of individueel werk waarin d.m.v. opdrachten de theorie wordt verwerkt. Ook start hier de groepsvorming en het nadenken over het kiezen van de verdiepingsopdracht. Daarna volgen ongeveer 3 weken waarin veel aandacht is voor het opzetten en uitvoeren van een onderzoek. De laatste week zijn de leerlingen voornamelijk bezig met het verzorgen, uitvoeren en beoordelen van hun presentaties. Elke theorieles wordt ondersteund door een diaserie die door de docent naar believen kan worden aangepast. Leerlingen vinden de bijbehorende stof in het leerlingenboek. Hierin is een indeling gemaakt in basisstof en achtergrondinformatie. Deze laatste staan in omkaderde stukken aan de linkerkant van de pagina. De docent bepaalt zelf welk deel van de extra stof of de achtergrondinformatie hij bij de toetsstof wil laten horen. Dit kan onder andere afhankelijk zijn van de voorkennis van de leerlingen (bijv.: wel of geen natuurkunde in het pakket) en de speciale interesse van de docent. Bij uitbreiding moet de docent er wel aan denken om aan te geven welke stof in de leerlingenteksten bekend wordt verondersteld. Bij de toetsen is een voorbeeldtoets meegeleverd voor het geval er extra stof bekend wordt verondersteld. (zie 13) Er is bij de opzet uitgegaan van het gebruik van een ELO. Onder andere de achtergrondteksten zijn uitgebreid voorzien van hyperlinks. Soms om een formelere achtergrond te geven, soms om te enthousiasmeren. Hierdoor kunnen ze ook goed gebruikt worden bij zelfstudie, bijv. na een ziekte. De 3 weken waarin leerlingen bezig zijn met onderzoek wordt het FORUM in de ELO gebruikt worden om het proces te begeleiden (naast het logboek). De leerlingen posten hun eindbijdrage onder studentenpublicaties zodat de anderen dit kunnen inzien
nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding De herhaalstof en de extra stof is niet in het basisboek opgenomen. Deze stof wordt alleen gepresenteerd via de ELO. Zo kan een enkeling zelfstandig werken en als de groep die deze stof gaat doen groter is kan er ook een presentatie gegeven worden.
differentiatie In het eerste deel is rekening gehouden met de mogelijkheid dat niet iedere leerling natuurkunde in het pakket heeft. De basisversie is voor hen bedoeld. De docent mag zelf weten in hoeverre lorentzkracht, centripetale kracht en impuls worden behandeld. In de tekst is uitgegaan van het kwalitatief kunnen omgaan met deze begrippen. Leerlingen die deze onderdelen al beheersen worden uitgedaagd om wat dieper in de stof te duiken met als onderwerp impulsverandering bij botsingen en energieverlies, of desgewenst een extra praktische opdracht. Differentiatiemogelijkheden in de tweede helft van de module zijn verwerkt in de keuze van de opdrachten. Hierbij kan de leerling op grond van eigen interesse en eigen niveau het thema van zijn eindopdracht kiezen. Bij de basisstof is experiment D bedoeld voor de leerlingen die sneller zijn. Daardoor worden bij het eigen onderzoek ook moeilijkere (instrumentele) onderzoeken voor hen een mogelijkheid. Leerlingen kunnen kiezen voor een experimenteel of een theoretisch onderzoek.
nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding
Achtergronden bij de 5 lessen in ppt. vooraf:-Hoofdstuk 0: De ruimte in. In het geval de leerlingen groep geen of nauwelijks kennis hebben van de bouw van het heelal dan is hoofdstuk 0 met bijbehorende tekstboek een uitkomst. Hierin wordt stap voor stap de bouw van het zonnestelsel, de Melkweg en de sterrenstelsels verteld. Deze diaserie is ontstaan nadat gebleken was dat soms veel van wat er in de onderbouw over het heelal is verteld en ook wat er bij ANW in klas 4 was behandeld niet was blijven hangen. In dat geval is dit hoofdstuk een prima overzicht. De hele diaserie kost dan rond de 60 minuten. In dat geval kan hoofdstuk 2 met gemak worden ingekort tot 20 minuten. -Hoofdstuk 1: Het raadsel van de elektroscoop. Deze diareeks is prima op te starten met de vonkenkamer. Zowel op de universiteit in Nijmegen als in Amsterdam is er een vonkenkamer beschikbaar die men op school kan lenen voor deze lessen. Vanuit dit verschijnsel is het een korte stap naar de atmosfeer en naar andere detectoren. Vanaf de ontdekking van de nieuwe soort straling tot aan de vaststelling wat voor soort straling er uit de ruimte komt Intermezzo over Lorentz-kracht en centripetale kracht om metingen aan het aardoppervlak beter te kunnen begrijpen. Duur: vonkenkamer: 10 minuten; diaserie 30 minuten. -Hoofdstuk 2: Straling vanuit de ruimte. Over de onwaarschijnlijk hoge energie van kosmische straling. Wat kan de oorzaak zijn van deze heftige processen? Zwaartepunt hierin vormen de (mogelijke) bronnen van kosmische straling: zon (sterren), Melkweg (sterrenstelsels): novae, supernovae, zwarte gaten. Verder aandacht voor de invloed van magnetische velden en de afscherming. Duur: diaserie 35min. -Hoofdstuk 3: De dampkring als detector. Over de interactie tussen primaire kosmische straling en moleculen in de dampkring en wat er daarna gebeurt in een shower. Over het voorkomoen van elementaire deeltjes en de interactie tussen geladen deeltjes. Duur: 25 min. -Hoofdstuk 4: De detector op school. Over de bouw en werking van de detector zoals we die op school kennen. Duur diaserie: 25 minuten. Aansluitend practicum uitleggen. -Hoofdstuk 5: Betrouwbare metingen. Achtergrond over kansrekening. Onderzoek naar herhaalbaarheid door middel van controleren Gausskromme en Poissonverdeling. (Aansluitend is er een werkopdracht met excel. Hierbij kunnen de leerlingen zich vertrouwd maken met het verwerken van statistische gegevens in excel. Dit krijgt een vervolg bij een van de eindopdrachten over het verwerken van weergegevens in de uitkomsten van de metingen zoals die op school worden uitgevoerd. Bij deze opdracht is dankbaar gebruik gemaakt van het werk van dhr Morel voor de HAVO_module “Maak het verschil”. De bijbehorende filmpjes staan op de site van het LOP) Duur 40 min. Computerles: 50 min.
nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding -Extra stof: Interactie met geladen deeltjes. Beschrijving van impulsoverdracht en energieoverdracht bij botsingen tussen elementaire deeltjes. Dit deel heeft een behoorlijke diepgang en is zeker interessant voor de betere leerling. Verder is de grote lijn goed te volgen voor de gemiddelde groep. Duur: 45 min -Herhaalstof/bijwerken: Lorentzkracht, centripetale kracht en impulsverandering Hierbij worden de ontbrekende stukken natuurkundestof in het kort behandeld. Doel is leerlingen een handvat te geven om bovenstaande lessen te kunnen volgen. duur afhankelijk van hoeveelheid stof.)
overzicht week les
1
1
tijd/ slu (min) 10
activiteit leerling
1.introductie module 2.ppt H1 Het raadsel van de elektroscoop.
40
2
3
activiteit docent
4
5
ppt H2. Straling vanuit de ruimte.
K
15
introductie ELO (o.a. logboek)
K
Begeleiden en nakijken opgaven
I
40
maken opgaven H2
keuze mogelijkheden
opmerkingen
Lorentzkracht en centripetale kracht (evt. volgende les)
demo vonkenvat (indien beschikbaar) Huiswerk: Opgaven H1 huiswerk: leerlingen melden zich aan en snuffelen in de ELO
eventueel verschuiven naar volgende les
ruimte om bij te werken.
K
10 25
samenvatten ppt.: H3 De dampkring als detector.
K K
25
ppt : H4 De detector op school. Introductie meetkastjes
K
Begeleiden
G
Begeleiden
G
Huiswerk: verslag exp.
Introductie eindopdracht
K
begin maken met partners zoeken en onderwerp bepalen
20
30
6
K
35
werken met ELO (o.a. logboek) 2
indiv./ groep/ klassik. K
35
15
praktische opdrachten A,B,C en D praktische opdrachten (vervolg)
huiswerk: opgaven H3 + opgavren H4
K/G
3
7
40
8
10 50
9
35
ppt: H5. Betrouwbare metingen
5
6
7
I I
Opgaven H5 Opdracht H5: statistiek in excel Keuze uit: -bijwerken door lln -herhaalstof (Fl en Fmpz) -extra stof (energie en impuls bij KS) -verder werken aan experimenten
15
4
K
Keuzes opgeven kan ook als huiswerk en via ELO
10
50
tussentoets
11
50
inlezen in gekozen opdracht
eventueel: aanleveren teksten gekozen opdracht
G
12 13 14 15 16 17 18
50 50 50 50 50 50 50
onderzoeksopdracht uitvoeren
feedback geven, niveau in de gaten houden en begeleiden
G
19
50
20 21
50 50
presenteren presenteren
In pc-ruimte
extra stof: leerlingen vinden dit moeilijk, veel formules.
introduceren eindopdracht en overzicht onderwerpen uitdelen
starten verslaglegging verslaglegging afronden
nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding Huiswerk: opdr. 1 en 2 van H5
I
Huiswerk: elke groep levert vraagstelling, hypothese en opzet van eindopdracht in. practicumlokaal en toaassistentie regelen.
G G
K K
Vooraf controleren hoeveel lessen er nodig zijn voor presentatie.
nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding
9. Toelichting bij leerling-opdrachten huiswerk De opdrachten die de leerlingen na elke doceerles moeten maken staan ook op de ELO. Na de deadline komen de uitwerkingen van het hoofdstuk op de ELO (zichtbaar voor leerlingen).
experimentele opdrachten Voor het experimenteel onderzoek staan de experimenten in het boek en/of op de ELO beschreven in de map Experimentele opdrachten. In het tweede deel worden leerlingen uitgenodigd om als het mogelijk is zelf een onderzoek te verrichten. Eventueel kan dit later uitmonden in een PWS of een eigenonderzoek voor het schoolexamen van Na of Wi. De extra informatie die leerlingen nodig hebben bij de uitvoering van een bepaald experiment kunnen zij vinden in bijgeleverde infobladen. Het verdient aanbeveling deze infobladen als huiswerk voor de desbetreffende opdrachten op te geven.
theoretische opdrachten De beschrijving van de opdrachten voor het literatuuronderzoek staat in de ELO in de map Theoretische opdrachten. Vervolgonderzoek is mogelijk met eigen schoolgegevens. In Amsterdam zijn al veel schoolgegevens beschikbaar voor de scholen.
10. Bronnen bij leerling-materiaal url's leerlingmateriaal De homesite van HiSPARC: www.hisparc.nl Op deze site vindt u meer achtergrondinformatie en informatie over lopende zaken. Voor leerlingen die toe zijn aan een niveau hoger: Koos Kortland: Kosmische straling (Bronnen en detectie) http://www.phys.uu.nl/~kortland/hisparc/ Radboud Universiteit Nijmegen: Diverse artikelen http://hisparc.hef.kun.nl/ Mooie foto’s en (veel) meer: http://www.nasa.gov/
nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding
11. Toetsing Er is halverwege een toets om de verwerking van de stof vast te kunnen stellen. Het cijfer hiervoor bepaalt voor 40% het eindcijfer. De module wordt afgesloten met een presentatie van de eindopdracht. In die eindopdracht heeft men samen met een groep medeleerlingen een experimenteel onderzoek uitgevoerd of een literatuuronderzoek of een combinatie hiervan. Zij presenteren het resultaat van dat onderzoek aan andere groepen leerlingen in de vorm van een PowerPoint of een poster (kan ook digitaal zijn). De beoordeling van de presentatie gebeurt door de docent. Het cijfer voor de presentatie bepaalt voor 50% het eindcijfer. Om een actieve houding te stimuleren en een kritische luisterhouding te bevorderen verdient het de aanbeveling de leerlingen bij iedere presentatie aan het eind een of meer vragen te laten opschrijven. Hiermee laten ze zien hoe goed ze de stof verwerkt hebben. De leerlingen die de presentatie gehouden hebben krijgen aansluitend aan hun presentatie of later thuis de kans deze vragen te beantwoorden. Het stellen van vragen aan anderen en de beantwoording van de vragen over het eigen onderwerp telt mee voor het eindcijfer van de presentatie (10%). Daarnaast telt het logboek en het reflectieverslag mee in de eindbeoordeling. Het cijfer hiervoor bepaalt voor 10% het eindcijfer. Op de ELO kunnen leerlingen extra informatie vinden over de manier waarop de toetsing en beoordeling plaatsvindt. Tevens worden suggesties gegeven om zich hierop voor te bereiden.
12. Suggesties en extra opdrachten Voor de docent is achtergrondinformatie via de site www.hisparc.nl beschikbaar. Dat geldt ook voor extra materiaal.
13. Practicummateriaal Er zijn 6 HiSPARC centra in Nederland. Op ieder centrum zijn practicumopstellingen te leen. Neem daarvoor contact op met het dichtstbijzijnde centrum. De practicumspullen zijn gemaakt op de Radboud Universiteit Nijmegen. Alle ELO-materialen worden beschikbaar gesteld op DVD. De inhoud hiervan komt overeen met het boek, maar is dan beschikbaar in handzamer vorm. Alle hoofdstukken en andere documenten (ook extra stof) staan er apart op. De basistekst desgewenst in html. Een vonkenkamer is alleen beschikbaar in Amsterdam en Nijmegen. Statistisch materiaal is beschikbaar via Amsterdam.
nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding Bijlage: HiSPARC-gebieden
nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding
Indeling HiSPARC-module “Kosmische Straling” Colofon Inhoudsopgave Inleiding Toetsing en afsluiting module Eerste deel: de stof. Basisstof
Extra stof
H1. Het raadsel van de elektroscoop par 1.1 Spontane ontladingen par 1.2 Hoogtestraling meten op hoogte Wulf en Hess Par 1.3 Kosmische straling Breedtegraadseffect Oost-West asymmetrie Samengevat Centripetale kracht Lorentzkracht Opdrachten bij H1 H2. Straling uit de ruimte par.2.1 de zon zonnewind de Van Allen-gordel zonnevlekken opbouw van de zon par 2.2 verder weg sterrenstelsels par 2.3 Nog hogere energie levensloop van sterren grens GZK-limiet par 2.4 hoeveel straling komt er aan op aarde Samengevat Big Bang Opdrachten bij H2 H3. De dampkring als detector par 3.1 botsingen in de atmosfeer par 3.2 elementaire deeltjes par 3.3 een shower interactie par 3.4 energieafgifte energieverlies van een muon Samengevat Opdrachten bij H3 4. De detector op school par 4.1 een schoolopstelling ruis coïncidenties
nlt2-v215 Kosmische Straling docentenhandleiding par 4.2 de HISPARC-detector van afgegeven muonenergie naar een elektrische puls par 4.3 de practicumopstelling Samengevat Opdrachten bij H4
H5. Betrouwbare metingen par 5.1 betrouwbaarheid hoe bepaal je of metingen betrouwbaar zijn? Gaussverdeling Poissonverdeling Opdrachten bij H5 Tweede deel: het onderzoek Infobladen Experimenten Theorieopdrachten.
