Projektkatalog SRP hos ScienceTalenter

Transkript

1 Projektkatalog SRP hos ScienceTalenter Katalog over udbudte studieretningsprojekter ScienceTalenter udbyder i skoleåret 2013/2014 en række studieretningsprojekter, hvori talenter tilbydes kompetent og engageret vejledning indenfor områder, hvor vi både selv er eksperter eller tilbyder adgang til et netværk af eksperter. Det giver en unik mulighed for at lave et studieretningsprojekt på højt fagligt niveau. Hvad tilbyder ScienceTalenter dig? I forbindelse med projektskrivningen vil du modtage Sparring og undervisning indenfor det relevante område fra den af ScienceTalenters ansatte som har udbudt projektet Mulighed for at bruge ScienceTalenters laboratorier i Sorø til at lave forsøg. Vi har udstyr og faciliteter som giver dig mulighed for at lave forsøg som du som regel ikke vil have mulighed for at lave på skolen Hvordan får du mulighed for at lave SRP hos ScienceTalenter? Naturligvis stiller alt dette også krav til dig. For at kunne komme i betragtning skal du for det første indstilles af din lærer. Dernæst skal du have en basal viden om det projekt du kunne tænke dig at skrive i, og du skal skrive en ansøgning, hvoraf det tydeligt fremgår, at du har sat dig ind i emnet samt at du vil lægge det arbejde i projektet som det kræver. Din ansøgning (som maks. må fylde 1 A4-side) skal underskrives af dig selv og din lærer (brug vores ansøgningsskemaet). Ansøgningen sendes elektronisk til vores sekretær Dorthe på [email protected] senest d. 28. oktober. Mailen skal have overskriften SRP. Senest d. 31. oktober får du at vide, om du er optaget. Alle naturvidenskabelige talenter, der skal arbejde med et studieretningsprojekt hos ScienceTalenter mødes på Mærsk Mc-Kinney Mølles Videncenter i Sorø onsdag d. 6. november til en fælles introdag. På de følgende sider kan du finde projektbeskrivelserne. Hvert område (f.eks. kvantemekanik) er forsynet med forslag til fagkombinationer og hvert SRP emne (f.eks. brintatomet) er forsynet med stikord med forslag til hvad du kan komme ind på samt en uddybende og forklarende tekst.

2 1. Kvantemekanikkens komplekse verdensbillede 2. Ung for evigt 3. Aerodynamik 4. Røntgenstråling og/eller gamma stråling 5. Optisk spektroskopi 6. Biodiesel 7. Medicinalkemi 8. Robotteknologi 9. Scanning, printning og 3D-teknologi 10. Triboluminescens 1. Kvantemekanikkens komplekse verdensbillede Fysik & matematik, Fysik & datalogi, Fysik & filosofi ScienceTalenter udbyder studieretningsprojekter i udvalgte emner inden for kvantemekanik. Den fysik, der beskrives af kvantemekanikken, er fascinerende og radikalt anderledes end den fysik, der beskrives af den klassiske fysik, dvs. Newtons love og den klassiske elektromagnetisme. De her beskrevne projekter er alle af teoretisk karakter og laboratorieforsøg vil ikke være en del af projekterne. Derimod kan det i høj grad komme på tale at fremstille computermodeller og simulationer samt gøre intensiv brug af matematik programmer såsom Maple eller Matlab. 1a. Tunnelering Schrödingerligningen, kvanteprikker, kvantebrønde, tunnelering, bundne tilstande, frie tilstande, matrix regning, differentialligninger. Schrödingerligningen er for kvantemekanikken, hvad Newtons anden lov er for den klassiske mekanik. Schrödingerligningen kan skrives på den umiddelbart simple måde H Ψ = iħ Ψ x hvor H kaldes Hamilton operatoren og det er her alle besværlighederne i ligningen er gemt. Hamilton operatoren er en såkaldt differentialoperator og Schrödingerligningen er en differentialligning. Funktionen Ψ kaldes bølgefunktionen og det er denne funktion man ønsker at bestemme fordi den beskriver alle egenskaber ved det system man ønsker at beskrive. I dette projekt skal vi bruge Schrödingerligningen til at se på det fænomen der hedder kvantemekanisk tunnelering. Ifølge den klassiske mekanik bør α stråling være umulig fordi α partiklerne ikke har energi nok til at undslippe kernen. At α stråling alligevel optræder, kan man forklare vha. tunnelering. Kvantemekanisk tunnelering tillader, at processer som vi ifølge klassisk mekanik anser som værende umulige, alligevel er mulige. Det kan man regne en masse på og lære en masse kvantemekanik af, og det er det vi skal gøre i dette projekt.

3 1b. Brintatomet Schrödingerligningen, bundne tilstande, frie tilstande, orbitaler, periodisk system, partikel-bølge dualitet, sfæriske koordinater, differentialligninger, kvantetal, atomare skaller. Schrödingerligningen kan kun løses eksakt i ganske få tilfælde, og når det kommer til atomer, kan Schrödingerligningen faktisk kun løses eksakt for det simpleste atom, nemlig brintatomet. Det betyder at Schrödingerligningen ikke har nogle løsninger for andre atomer end brintatomet. Det kan måske virke mærkeligt at den mest fundamentale ligning i kvantemekanik kun kan løses for et enkelt atom; man får nemt den tanke at kvantemekanik så kun kan bruges på brint atomet. Men sådan forholder det sig ikke, man kan også løse Schrödinger ligningen for alle de andre atomer, bare ikke eksakt, og disse løsninger bygges op af løsningerne til brintatomet. Derfor indtager løsningerne til brintatomet en meget central rolle, og forståelse for disse løsninger er nøglen til forståelse for inddelingen i atomare skaller i det periodiske system. I dette projekt vil vi se på hvordan Schrödinger ligningen kan løses for brintatomet. Det medfører at vi skal løse en differentialligning af typen 2m 2 e2 1 ψ = Eψ 4πε 0 r ħ2 hvor 2 er den såkaldte Laplace operator, som egentligt bare er en tredimensionel udgave af den andenordens afledte d2 f så dx 2 2 = d2 f + d2 f + d2 f dx 2 dy 2 dz2. For at gøre dette anvender vi metoden separation af de variable som du måske har hørt om i forbindelse med differentialligninger. Dermed ender vi med to differentialligninger, en som kaldes den radiære Schrödingerligning og en som kaldes den angulære (vinkelafhængige) Schrödingerligning. Løsning af disse to ligninger vil give et fortræffeligt indblik i kvantemekanikkens verden. 2. Ung for evigt Tvilligestudier, telemerteori, DNA reperationsmekanismer, hormesis den positive effekt af stress, progeria og førtidige aldringssyndromer. Biologi, Bioteknologi, Idræt, Matematik, Samfundsfag Vi bliver ældre og ældre og vores livsvilkår samt evner til at bekæmpe sygdomme bliver fortsat bedre. Men er der en grænse for, hvor gammel mennesket kan blive? Hvad er arv og genetik? Og hvad er miljø? Hvad er mekanismerne/teorierne bag aldring? Hvordan kan vi biologisk og teknologisk manipulere med den grænse? Hvilken indvirkning har vores lange levetid på vores samfundsstruktur og samfundsøkonomi? Der er som udgangspunkt tale om et teoretisk projekt. Hent inspiration i Viden Om-programmet: Stress gør ung og livet langt : mmerne/2009/01/ htm

4 3. Aerodynamik Aerodynamik, flyvning, vind, vindhastighed, opdrift, luftmodstand, stallvinkel, Bernoulli ligning, vindmølle, møllevinger, vingeprofil, drag, lift Fysik, Evt. matematik Undersøg hvorfor et fly løfter sig fra startbanen og hvilke parametre der spiller ind i flyvningen. Lav eksperimenter i en vindkanal med flyvinger, undersøg forskellige vingeprofiler eksperimentelt. Eller overvej hvordan du vil opbygge en vindmølle som udnytter vindenergien på bedst mulige måde. Ovenstående problemstillinger kan du behandle med aerodynamik. Aspekter og problemstillinger som er vigtige for både flyvningen og for energiproduktion ved hjælp af vindmøller kan undersøges både teoretisk og eksperimentelt ved hjælp af eksperimenter i en vindkanal. På ScienceTalenter forefindes der tre vindkanaler samt udstyr til undersøgelser af aerodynamiske problemstillinger. 4. Røntgenstråling og/eller gamma stråling Røntgen, X-ray, medicinsk fysik, stråling, ioniserende stråling, diagnosemetode, strålingsterapi, accelerator, kemisk analyse, mineraler, Røntgenspektroskopi, Røntgendiffraktion, bremsestråling, Røntgenlinjer, strålingsenergi, stofidentifikation, gamma stråling, gamma spektroskopi, materialefysik Fysik, Kemi Røntgenstråling er en form for elektromagnetisk stråling. Det samme er gamma stråling. Begge strålingstyper har stor energi og er potentielt farlige. Man bruger både Røntgen og gamma stråling bl.a. i undersøgelser af materialer når man vil finde ud af om et stof er rent eller forurenet. Røntgen spektroskopi og gamma spektroskopi er to teknologisk vigtige metoder som anvendes til kemisk analyse af materialer, metallegeringer, mineraler, osv. når man vil undersøge deres kemiske sammensætning. Endelig er Røntgendiffraktion en vigtig metode til at få detaljerede oplysninger om molekylstruktur. På ScienceTalenter i Sorø rådes der over både et Røntgenspektrometer og et gamma spektrometer til karakterisering energiindholdet af strålingen. En studieretningsopgave vil gå ud på at karakterisere Røntgenstråling dels teoretisk og dels eksperimentelt ved forsøg med ScienceTalenters Røntgenspektrometer eller at anvende et gamma spektrometer til undersøgelse af radioaktive stoffer og mineraler som udsender gamma stråling.

5 5. Optisk spektroskopi Absorption, emission, spektroskopi, Bohrs atommodel, molekylsvingninger, FTIR, Raman, kemisk analyse, optisk spektroskopi, energiniveau, atom, molekylstruktur, stofidentifikation Fysik, Kemi, Evt. biologi Vil du vide hvilket farvestof din sodavand indeholder? Eller om den hovedpinepille som du lige har syntetiseret er tilstrækkelig ren? Vil du måle hvor mange sprøjtegifte der er i madvarer? Så skal du bruge en form for spektroskopi som en analytisk kemisk metode. Oftest vil det være en form for optisk spektroskopi. Du vil f.eks. kunne bruge elektronisk spektroskopi, hvor absorption og emission af lys i det synlige og ultraviolette spektralområde anvendes til undersøgelser af f.eks. stofblandinger og/eller vibrationsspektroskopi, hvor interne svingninger mellem atomerne i molekyler undersøges dels ved hjælp af absorption af infrarød stråling (Fourier Transform InfraRød, FTIR-spektroskopi) og dels ved inelastisk lysspredning (Ramanspektroskopi). På ScienceTalenter rådes der dels over optiske multikanal spektrometre til elektronisk spektroskopi, dels over et instrument til FTIR spektroskopi og dels et instrument til Raman spektroskopi. En studieretningsopgave vil således kunne fokusere på en eller flere af disse metoder som analytisk værktøj til f.eks. analyse af farvestoffer i væsker, stofsammensætning i stofblandinger, mm. Der vil indgå både en teoretisk behandling af de anvendte metoder og eksperimentelle undersøgelser. Projektet berører både kemiske og fysiske problemstillinger. 6. Biodiesel Biodiesel, bioethanol, brændstof fra biomasse, klimaændringer, fremtidens energiforsyning Bioteknologi Kemi Naturgeografi Samfundsfag Biodiesel fremstillet ud fra spiseolie. Princippet er, at man taget et triglycerid og behandler det med metanol og en katalysator. Derved dannes glycerol og fedtsyremetylester. Du kan undersøge flere former for vegetabilske olier for at sammenligne udbytter og renhed. Det er ikke nyt, at man kan lave triglycerider om til glycerol og fedtsyreestre, men i den syntest, som ScienceTalenter bruger, anvendes en helt ny metode udviklet af firmaet Bayer, hvor det hele laves i 1 trin kløvning og esterfisering. ScienceTalenter kan også hjælpe med kontakt til forskere inden for emnet.

6 7. Medicinalkemi Fremstilling af medicin, hovedpinepiller, doping. Kemi ScienceTalenter kan tilbyde flere former for syntest af diverse organiske stoffer. Formålet med synteserne er at oprense stofferne, så de er helt rene hvorefter der kan analyseres ved hjælp af HPLC og IR. Her vil der være fokus på funktionelle grupper i udgangsstofferne og produkterne. ScienceTalenter kan tilbyde mange former for syntest (dog må produktet ikke være en væske) alt efter hvad der, du ønsker at undersøge. ScienceTalenter kan også hjælpe med at formidle kontakt til forskere i medicinalindustrien. 8. Robotteknologi Robotter i hverdagen, robotter i industrien, sociale robotter, robotter i ældreplejen, kunstig intelligens, cyborgs, exoskeletter, krigsrobotter, droner. Informationsteknologi, programmering, teknologi, teknik Robotteknologi er for alvor ved at vinde indpas i vores verden både i vores hverdag såvel som industrien. Der er efterhånden udviklet mange typer robotter, som på hver deres måde hjælper os mennesker. I dette projekt kan der arbejdes med robotteknologi i enten bred eller snæver forstand. ScienceTalenter råder konkret over flere forskellige robotteknologier, som der kan arbejdes med i forbindelse med opgaven, herunder 2 NAO-robotter som er fuldt interaktive humanoid robot, mange LEGO Mindstorms som er brugbar til at løse en række simple opgaver som f.eks. labyrinter samt nogle droner, der kan styres via mobiltelefonen. Vi kan i forbindelse med opgaven formidle kontakt til en række robotforskere rundt omkring i landet. 9. Scanning, printning og 3D-teknologi Matematikken bag 3D-film, 3D-briller, byg din egen 3D-rpinter, printning af mad, 3D-modullering, 3D-fremvisning. Fysik Matematik Biologi 3D-teknologien stormer frem og snart kan du printe både reservedele til din bil eller et måltid mad. Hos ScienceTalenter har vi et helt 3D-rum med 3D-kameraer, 3Dskærme, flere typer 3D-scannere og 3D-printere. Du kan behandle matematikken bag 3D-teknlogien og selv arbejde med at scanne, modellere og printe 3D-objekter.

7 10. Triboluminescens Knusning af krystaller, udsendelse af lys, pebermyntepastiller, gaffatape, konvolutter Kemi Triboluminescens er et fænomen, som der ses ved knusning af krystaller, nedenstående skitse til en syntest er udgangspunkt for dette fænomen. I forbindelse med syntesen skal der laves nogle oprensninger af stoffet. Målet for renhed er, hvor gode de dannede krystaller er til at lyse. Der vil være mulighed for at se krystaller, lave IR og andre renhedsbestemmelser hos ScienceTalenter.

8 Ansøgningsskema til SRP hos ScienceTalenter (Denne side sendes elektronisk til vores sekretær Dorthe på senest d. 28. oktober Mailen skal have overskriften SRP) Udfyldes af talentet: Jeg vil gerne arbejde med emne nr: Navn: Mail: Klasse: Skole: Udfyldes af vejleder/lærer: Jeg bekræfter hermed at er et naturvidenskabeligt talent, der har brug for flere udfordringer. Vejleder/lærer: Mail: Underskrift Vejleder/lærer: Motiveret ansøgning (maks. 1 A4-side) (udfyldes af talentet)