Kategori: Fysik

Kategorier
Energi Fysik Historia Uncategorized

Från kraft till energi. Vis viva kontroversen.

I dag använder vi oss av en klar nomenklatur inom fysiken där begrepp är mer eller mindre ordentligt definierade. Men så har inte alltid varit fallet. Till exempel så används energi idag för att beskriva en fysikalisk storhet. Men energi som ord inom fysiken är relativt ny. Men det var först 1807 som Thomas Young använde energi i den moderna tolkningen. Man bör notera att energi kommer från gammalgrekiska, ἐνέργεια, som betyder aktivitet eller något som sker. Med andra ord ett ganska bredd filosofiskt begrepp med ganska många betydelser.

Så fanns det ett energibegrepp innan dess? Här är det vanligt att man försöker förstå detta ur dagens perspektiv, vilket inte är så konstruktivt, utan man måste sätta sig in i den värld som fanns då. Vad var det som man var mest intresserad av. Ett exempel på att det är lätt att missta dagens intresse med dåtidens är Cavendish experimentet behandlades i FFV 1/2015. Där dåtidens intresse låg i att bestämma Jordens densitet och inte gravitationskonstanten som vi idag förknippar med det experimentet.

Vi behöver titta på de vetenskapliga diskussionerna på 1600-talet för att hitta ursprunget och kontroverserna som kantar vägen till vår nuvarande förståelse av mekanisk energi.

Den stora frågan då gällde främst rörelse. Varför har vi rörelse och vad är det som driver rörelse. Även om den Aristoteliska beskrivningen fortfarande var med i diskussionen hade den fått en mindre roll. Det som upptog många var varför, ett metafysiskt spörsmål. Man tänkte sig att rörelser var någonting som kunde ta slut (Aristotelisk tanke) och som behövde något för att upprätthålla rörelsen, en impetus eller en kraft. En tanke var att det var ett gudomligt ingripande en primus motor. ”Prime mover” som upprätthöll rörelsen, och då speciellt planeternas rörelser.  

Men nu är vi mest intresserade av att se på utvecklingen av energibegreppet och då behöver vi se på Rene Descartes. Han var i mitten av sextonhundratalet en av de mest ansedda filosoferna och vetenskapsmännen och fick stort inflytande på utvecklingen. Han kunde inte tänka sig att krafter kan verka över avstånd utan bara genom någon form av direktkontakt (direkt eller genom mediet). Han utvecklade en bild av kraft och kraftöverföring som helt berodde på kontaktkrafter och införde beskrivning av hur mycket rörelse man har, en mängd av rörelse, som var proportionell mot ett objekts volym och fart och att denna kvantitet var bevarad genom gudomligt ingripande. Detta ser bekant ut vilket för oss in på Isaac Newton.

Hans insats kan inte övervärderas men i detta fall spelar han en liten roll och deltog heller inte i diskussionerna. För att förstå detta behöver vi titta på hans verk Principia.

Principia markerar övergången från geometri till algebra som möjliggjorde den vetenskapliga utvecklingen, genom skapandet av differential och integralkalkyl togs ett stort steg matematiskt sätt. Men Principia handlar egentligen om kometers och planeters rörelse och de olika definitionerna som Newton gjorde och matematiken som utvecklades behövdes för att förklara dessa. Med andra ord Principia är en lösning på ett specifikt problem.

Newton säger att han gör detta utan att anta något. Han utgår i sin bevisföring från vissa definitioner och sätter upp sina tre lagar. Bland dessa definitioner hittar vi rörelsemängd (quantity of motion). I hans fall massan gånger farten, till skillnad från Descartes. Dock använder han samma tröghetsbegrepp som Descartes.

Men det är viktigt att notera att Newton inte säger att rörelsemängden är bevarad i Principa. Även om detta är möjligt så är inte detta intressant för honom. Orsaken till detta kan man bara spekulera om, men kan bero på att Newton bara såg lösningen av planeternas rörelse och med det gravitationslagen som det viktiga och annat som ointressant. Det är värt att notera att både Descartes och Newton såg mängden rörelse som relaterat till krafter. På latin vis.

Så Descartes, och som tillskrivet Newton, beskrev ”kraft” som mängden rörelse (vis) som massa multiplicerat med fart. Men detta var inte oemotsagt. Gottfried Leibnitz accepterade inte Descartes beskrivning utan menade att ”kraft” mängden rörelse var relaterat till massan och farten i kvadrat. Något han kallade vis viva, levande kraft. Detta var något som Christian Huygens observerat i elastiska stötar och vars utredning av bevarandet av ”rörelseenergi” (vis viva) publicerades postumt, 1703.

Att Leibniz gick emot Descartes, som var en av de stora filosoferna, gjorde honom kontroversiell och sättet som han gjorde det på gjorde att han inte togs på fullt allvar av alla. Många såg den dessutom som en kritik av Newton. När hans version av differentialkalkyl publicerades hamnade han i en kontrovers med Newton. Något som inte stärkte hans teorier hos anhängarna till Newton. Leibniz fortsatte med sin kritik av Descartes och införde begreppen vis viva och vis mortes. Levande kraft och död kraft (närmast att beskriva som tröghet). Även om Newton var medveten om diskussionen runt detta förblev han tyst. Det var andra som försvarade Descartes och indirekt Newton något som förstärktes av nationell stolthet.

Det fanns i princip två läger som menar olika vad det är som är ”kraft” eller rättare sagt mängd av rörelse. En som menar att det är massan gånger farten och den andra massan gånger farten i kvadrat.

För oss ser detta enkelt ut då vi vet facit, men så var det inte på den tiden. Här fanns många olika intressen, man hade sina (nationella) hjältar som inte fick kritiseras. Har hade man någorlunda tydliga gränslinjer dragna ofta baserade på nationalitet.

Experimentet som bidrog till lösningen.

Willem ’s Gravesande var en välrenommerad nederländsk matematiker och vetenskapsman, men ett solitt rykte och Fellow of the Royal Society efter ett besök i London. Han introducerade Newton och hans mekanik i Nederländerna. Då han var övertygad Newtonist tolkade han, felaktigt, att Descartes beskrivning var korrekt.

Samtidigt var han en duktig experimentalist som designade genomförde olika experiment, en stor del av hans utrustning finns bevarade, så 1722 utförde han ett experiment där han släppte mässingskulor från olika höjd ner i mjuk lera. Galilei hade visat att höjden som en kula faller från är proportionell mot farten i kvadrat när den träffar leran. Det vill säga genom att se hur djupt ner kulan hade hamnat i leran så kunde han se vilken av beskrivningen av den här rörelsen var korrekt.

Så genom att studera hur djupt kulan sjönk kom att ge ett definitivt svar. Är djupet linjärt mot höjden hade Leibniz rätt. Han var övertygad om att Descartes hade rätt men observerade att djupet var linjärt relaterat till höjden som kulorna släpptes på, det vill säga Leibniz och hans beskrivning av vis viva var korrekt. Det speciella var att s’Gravesande ville bevisa att det var Descartes beskrivning som var korrekt. Men här visade han att Leibnitz hade rätt. Detta borde avgjort diskussionen men det krävdes mer.

Emilie du Chatelet

Emilie du Chatelet var en speciell person. Hon föddes in i en fransk adelsfamilj och fick en utbildning som svarade mot sin plats som kvinna i en adelsfamilj, olika språk bland annat latin, franska, grekiska, tyska och italienska var några språk de skulle kunna. Men hon fick också annan utbildning samman med sina bröder, inklusive en grundläggande matematisk utbildning.  Hon giftes bort relativt ung och fick snabbt 3 barn när hon fortfarande var ung. Hennes uppgift som adelsdam var med det avklarad och hon kunde ägna sig åt sina egna intressen och nöjen, då barnen lämnades bort att uppfostras av andra, något som var praxis. I Emelies fall matematiska och filosofiska studier. Hon hade ett uppenbart intresse för detta och lärde sig matematik på hög nivå och kommunicerade med flera av dåtidens största matematiker. Hon deltog också i olika filosofiska samtal och lärde då känna Voltaire. Voltaire var en stor beundrare av Newton och prisade honom kopiöst och såg honom som ett geni.

Detta gjorde att det förekom diskussioner där Emelie troligen deltog om Newtons arbete. Det är också troligt att Emelie fick s’Gravesandes experiment presenterat för sig, troligtvis runt 1734-1735, kanske av s’Gravesande själv. Kanske på grund av detta eller ett besök av Francesco Algarotti som förberedde en bok on Newton, inspirerades Emelie att på börja en översättning av Principat till franska.

I och med att Emelie behärskade både latin och matematik på en hög nivå gjorde detta att hon både kunde läsa och tolka Principia direkt, vilket är en bragd för Principia är väldigt svårläst i sin originalform. I översättningen moderniserade hon samtidigt matematiken. Att hon gjorde ett gott arbete illustreras av att det inte kom någon ny fransk översättning förrän i slutet av nittonhundratalet. Samtidigt användes just Emelies översättning i de nyöversättningar av Principia som gjordes i slutet av 1900-talet.

Detta gjorde att Emelie var en av få som verkligen kunde förstå Principia, betydligt mer än till exempel Voltaire och många medlemmar av Franska vetenskaps akademien.

Vis viva kontroversen

Trots s’Gravesandes experiment var det fortfarande ganska starka gränser mellan Newtonister och de som framhöll Leibnitz beskrivning, till delar baserad på nationalitet med England, Voltaire och många medlemmar av franska akademin på ena sidan och främst tyska filosofer och matematiker på andra. Till stora delar handlade det i tillägg om person fixering där Descartes och Newton ställdes mot Leibnitz.

Här visar det sig att Emelie som var väl bevandrad i filosofi och matematik, ansåg att ”sanningen” inte beror på vem som säger vad utan den ligger i bevis. En i våra ögon modern hållning. Denna framgår tydligt in sin bok ” Institutions de Physique”[1]. En lärobok skriven till sin son, ett vanligt sätt att presentera sina verk på den tiden. I den och på andra sätt bidrog hon till att lyfta fram s’Gravesandes experiment och att kombinera Newton och Leibnitz.

Voltaire och andra såg hennes hållning som ett svek mot Newton. Men detta var ett viktigt steg mot en lösning av vis viva kontroversen. Nu fick inte Emelie se lösningen av kontroversen eller publikation av sin översättning av Principia. Vid 42 års ålder blev hon gravid, vilket på den tiden betydde en väldigt stor risk. 1749 efter att ha fött sitt fjärde barn fick hon troligen en blodpropp på grund av förlossningen och avled.

Kontroversen löstes dock egentligen inte det visade sig att båda hade rätt, det fanns två storheter som kan sägas beskriva rörelse, rörelsemoment mv och kinetisk energi mv^2/2. Hela diskussionen var mer eller mindre en semantisk diskussion. När Euler och Lagrange utvecklade en mer formell beskrivning av mekaniken baserat på Emelies arbete hade kontroversen dött ut.

Lärdommar

Vad kan vi lära oss av det här? Finns det någon moral i historien? Vad kan vi lära oss av det?

Historien är ofta inte det man läser om i fysikläroböcker, de är inte skriva av vetenskapshistoriker och syftet är inte att lära historien i första hand.

Vi ser faran med att sätta mer tilltro till personer än till bevis. Det är bevis som är det enda som räknas. Vi ser också att historien inte är så enkel som man tror, bara för att Principa publicerades var det mycket arbete som återstod och där Emelie du Chatelet insats var mer eller mindre bortglömd, när man ser på det inflytande hon hade. Även om vi inte vet exakt hur stort hennes inflytande var när det gäller utvecklingen, men hennes insats skall inte förringas.

Man bör också notera att s’Gravesande, som designade ett avgörande försök är i stort sett bortglömd och hans insats var också viktig.

Vi ser att historien är inte så enkel vi vill tro. Vi har två personer s’Gravesande och Emelie du Chatelet som kanske inte är så kända idag men båda hjälpte till att införa Newtonsk mekanik i sina hemländer och bidrog till att ändra förståelsen av det vi kallar kinetisk energi. Även om Newton var en gigant hade han personer som förde hans arbete framåt och s’Gravesande och Emelie du Chatelet var två av dessa.

[1] Du Châtelet, Gabrielle Emilie Le Tonnelier de Breteuil (1740). Institutions de physique. Paris: chez Prault fils. doi:10.3931/e-rara-3844

Kategorier
Fysik The light side Uncategorized Undervisning

Kärnfysik och LEGO

LEGO är inte bara en leksak för stora och små barn. Det kan användas på olika sätt i undervisning. Lewis från @PhysicsOnline‬ har gjort en video som bygger på olika projekt: https://www.youtube.com/watch?v=6aP4brVt5RA.

Här finns en hel del ideer som man kan ta upp. I videon presenteras en LEGO version av Nuclidkartan med Mass exess. Även om modellen är mycket illustrativ är den stor och dyr. I stället för att använda LEGO har jag gjort en version som kan 3D printas. Filer för printing kan erhållas från mig efter begäran.

Med denna ser man hur massan per nucleon varierar och gör att man kan se att man har ett minimum runt Fe-56. Här ser man att vi har en dal med stabilitet och man kan kvalitativt visa att man frigör energi vid fission och fusion av vissa kärnor. Man kan jämföra denna representation med diagram som visar bindningsenergi per nucleon.

Problemet är att denna visar bindningsenergin per nukleon och är lite svår att förstå, genom att den intuitivt ser ut att ligga åt fel håll. Det är inte helt enkelt att se att man frigör energi genom att öka bindningsenergin. I många läroböcker på lägre nivå har man löst detta genom att vända den upp och ner eller genom att man arbetar med massor och räknar ut vad den frigörda energin blir. Något som inte ger en bild av vad som sker.

Ett sätt att undvika detta är att arbeta med Mass Excess, Massöverskott, som är definierat som den «experimentalla massan» minus masstalet.
Som exempel är masstalet 236U, 236, och den faktiska massan är 236,045563 u, blir massöverskottet +0,045563 u eller i energienheter, 42444.6 keV/c2.

Problemet man får är att den atomära massenheten, u, är definierad efter massan till 12C, något som gör att Mass excess har positiva värden för låga masstal och höga masstal och negativa värden för massor där emellan. I 3D och LEGO modellen flyttar man bara nollpunkten vilket inte är några problem. Dock blir det då svårt att visa frigjorda energier på ett visuellt sätt för fission.

Men detta är inget problem med fusion så länge som Mass excess inte blir negativ. Det man gör är att man bara arbetar med Mass excess då masstalet försvinner i reaktuonerna då det blir samma på båda sidor om likhetstecknet.
Vi börjar genom att gå till tabeller med Mass excess (https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html) och ser vad vi har för värden för ett utval kärnor:

  • 1n 8,07 MeV/c2
  • 1H 7,29 MeV/c2
  • 2H 13,13 MeV/c2
  • 3H 14,95 MeV/c2
  • 3He 14,93 MeV/c2
  • 4He 2,42 MeV/c2

Nu kan man bygga upp block i Lego där en normal bricka motsvarar 1 MeV/c2 och en platta en 1/3 MeV/c2 med en avrundning.

Ta nu en fusionreaktion:
2H+2H -> 3H + 1H
Sätt upp två 2H block (13 LEGO block höga) på vänster sida och ett 3H block (15 LEGO block hög) och ett 1H block (7 LEGO block och en platta hög). Skillnaden i LEGO block motsvarar nu den frigjorda energin, ca 4 MeV.
Nu kan man prova med andra möjligheter och se vad man får. Skillnaden i höjd mellan olika reaktioner ger den frigjorda energin.

I figuren visas olika reaktioner och den frigjorda energin i LEGO block.

I ordning från längst bort:
2H+2H => 3H + 1H (energin visas inte); 13,13+13,13=>14,95+7,29 + 4,02 [MeV/c2]
2H+2H => 3He + 1n (energin visas inte); 13,13+13,13=>14,93+8,07 + 3,26 [MeV/c2]
2H+3He => 4He + 1H; 13,13+14,93=>2,42+7,29 + 18,35 [MeV/c2]
2H+3H => 4He + 1n; 13,13+14,95=>2,42+8,07 + 17,58 [MeV/c2]

Bild som visar Mass excess för olika kärnor (4×4 block) före och efter en fusion, energin visas med 2×4 block. Höjden indikerar hur mycket energi som frigörs.

Detta kan inte ersätta beräkningar, men är ett sätt som kanske kan göra det enklare att få en intuitiv känsla för vad som sker.

Kategorier
Energi Kärnenergi Uncategorized

Kärnenergi

Jag har tidigare pekat på en ofullständig diskussion när det gäller kärnenergi. Det är värt att förtydliga vad jag menar.

I samtliga fall när det gäller energi så kan man dela upp problematiken i tre delar: «Front end», «Back end» och produktion av energi. Tittar man enbart på en eller två av dessa blir diskussionerna ofullständiga. Detta exemplifieras av att man enbart diskuterar till exempel areal-bruk.

Samtidigt gör detta ev. diskussioner väldigt komplexa och svåra att förhålla sig till. En följd av detta blir att olika intressenter presenterar «enkla» «populistiska» lösningar.

Om man väljer att bara titta på produktionen kommer kärnenergi väldigt bra ut, man får en minimal miljöpåverkan på grund av att energi tätheten är så hög. De radioaktiva utsläppen vid normal produktion är väldigt låga om alla säkerhetsregler följs. Kylvattnet kan ge en uppvärming av vattenresurserna i närheten men ofta kan dessa vara positiva. Ser man till andra energikällor har de en större inverkan, Olja, kol och gas ger inte bara CO2 men även andra utsläpp, inklusive radioaktivitet. Vatten påverkar vattenföring och djurlivet i vattendragen eller havet. Sol och vind behöver relativt stora arealer.

Tittar man på «Back end» ändras situationen. Här blir hela kedjan för kärnenergi ganska riskabel, med hantering av högaktivt avfall, ev. upparbetning och slutförvaring i några 100000 år. Men även material i anläggningarna behöver tas om hand. Här vet vi inte kostnaderna än eller om det finns andra sätt att hantera avfallet. Vatten klarar sig relativt bra men dammar kommer förr eller senare att fyllas med sediment och lämnas som nya «geologiska» formationer. Mycket skall dock kunna återvinnas. Detta gäller även solenergi under förutsättning att solpaneler designas för återvinning. Vindenergi har ett problem där vingarna i glasfiber och epoxy inte kan återvinnas till annat än fyllingsmaterial i betong.

Med «Front end» ändras allt än mer då olika resurser som mineral inte kommer att finnas på lång sikt. Olja finns kanske för 100-200 år, Gas ytterligare längre, Uran knappt 100 -150 år, Kol kanske 3-400 år. Övriga kommer liga av samma material problem som de andra där olika grundämnen inte finns att tillgå.

Men i tillägg till detta kommer de miljömässiga konsekvenserna med utvinning. Här gäller en sak och det är att all gruvdrift är miljöskadlig! Här finns en gradering men grunden är att allt är miljöskadligt. Det är bara en fråga var det blir mest skador! Vi har en tendens att flytta problemen, något som historien visar.

Om man ser på helheten borde slutsaten bli att man skall diskutera energibruken och om vi använder den energi vi har på bästa sätt. Om vi har «för lite» eller «för dyr» energi, är inte frågan då: kan vi bruka mindre?

Ofta är energi effektivisering den snabbaste och billigaste åtgärden och den man borde titta på först. Men detta är inte man får anhängare till. Det är lätt att få med sig folk att bygga låt oss säga en motorväg till 1 miljard, men svårare att få med sig många för 10 miljoren för att reparera en väg.

Så det rätta spörsmålet är inte: Vad skall vi göra för att få mer energi? utan Hur kan vi utnyttja energi mest effektivt?

Kategorier
Experiment Fysik The light side Uncategorized

Halofenomen

Det finns många optiska fenomen som man kan observera i naturen. En är regnbågen som de flesta har sett även om den inte är så vanlig att se då den kräver speciella förutsättningar. Det finns även andra fenomen som dom flesta har sett, exempelvis hägringar, men det finns ett fenomen som är vanligare än regnbågen men som inte alla observerar. Detta är olika typer av halofenomen som syns som pelare, ringar, bågar eller ljusfläckar på himlen. Halofenomen syns under speciella väderförhållanden och beror på ljusets brytning i iskristaller till skillnad mot regnbågen där brytningen sker i regndroppar. Ljuskällor som kan vara solen eller månen, men det kan också vara starka lampor, som gatubelysning.

Halofenomen har observerats under tidernas lopp och beskrivits eller avbildats, bland annat finns dom avbildade i den så kallade Vädersolstavlan [1] i Storkyrkan i Stockholm som visar ett halofenomen som skulle ha setts den 20 april 1535. Ett av dom mest kända halofenomenen observerades i St. Petersburg 18 juli 1794, som uppvisade ett mycket vackert mönster[2].

Simulering av St Petersburg halofenomenet (Zenitcentrerad fisheye vy)

Även om de ovan nämnd halofenomenen är mycket spektakulära så är även dom mer vardagliga väl värda att uppmärksamma, speciellt som dom är ganska vanliga. Vad som behövs för att man skall få ett halo är att det bildas iskristaller i atmosfären. Is ger hexagonala kristaller, något som kan ses genom den sexfaldiga symmetrin hos snökristaller. Iskristallernas form och storlek kommer bero på temperatur och luftfuktighet. En långsam kristalltillväxt som ger fina enkla kristaller kräver en låg luftfuktighet, ca 0.05-0.1 gram vatten per kubikmeter. Är luftfuktigheten hög sker tillväxten för snabbt och hålrum samt mer komplexa strukturer kan bildas, något som alla som odlat kristaller vet kan hända vid för snabb tillväxt. Men även temperaturen spelar roll för kristallernas utseende. Vid temperaturer mellan –3º och –10º samt temperaturer under -21º bildas enkla avlånga prismor, medan det i mellanintervallet bildas plattor.

Iskristall platta
Iskristall prisma

Dessa kristaller förekommer ofta i de slöjformade cirrostratus molnen, vilka är så tunna att ljuset från sol och måne släpps igenom. Cirrostratus föregår oftast en varmfront, varför man bör titta efter halofenomen när en varmfront är i antågande, men kan även ses efter en kallfront.

När ljuset faller in mot dessa kristaller kommer det att brytas. Då en hexagon kan ses som två sammansatta avhuggna 60º prisman (toppvinkeln 60º) kan man snabbt och enkelt räkna ut att vi kommer att få en minimideviation hos ljuset, det vill säga att avlänkningen av ljuset, inte kan vara mindre än en viss vinkel. För ett 60º prisma med brytningsindex n=1.33 (is och vatten) får man en vinkel på 22º , det vill säga att det kommer att bildas en ring runt solen eller månen med en vinkel på 22º från centrum. En bra minnesregel är att om man håller armen utsträckt så kommer avståndet mellan tummen och det utsträckta lillfingret att vara ca 22º. Detta gör att man relativt lätt kan hitta 22º ringen. Att det blir en ring beror på att kristallerna har en slumpmässig orientering i atmosfären.

Men kristallerna kommer även att kunna orientera sig i luften när dom ”faller” och detta kommer att ge upphov till ytterligare effekter. Plattorna kommer på samma sätt som löv falla med basytan horisontellt, medan prismorna orienterar sig så att den långa axeln faller horisontellt, det vill säga dom får en orientering som visas i bilden av kristallerna ovan.

Det är möjligt att göra simuleringar av olika Halofenomen med olika datorprogram. Ett av dessa är Halosim. Man har möjligheten att välja både kristaller och deras orientering i luften för att se vila halon man får. I figuren under visas de halon man kan få för ett typiskt cirrostratosmoln. De olika halon man ser beror på olika brytningar och reflektioner i iskristallerna.

Simulering med några vanliga halon; (Simuleringsdata: solhöjd 27°, Orientering; slumpmässiga (40%), horisontella prismor (25%), Plattor (35%).)

Parhelia bågen uppkommer genom reflektioner på iskristallernas ytor och inte genom brytning. Dessa ger även upphov till solpelare som man kan se när solen står lågt eller över gatlampor i kallt väder.

Det vanligaste halofenomenet är 22º halon som framträder vid alla solhöjder. Ursprunget är minimideviationen i iskristallerna, det är främst plattorna som ger detta fenomen. Här är det viktigt att orienteringen är slumpmässig för råder en situation där iskristallerna är fullständigt orienterade kommer 22º halon inte att synas.

Parhelia eller bisolar uppkommer genom att ljuset bryts i dom horisontellt svävande plattorna. Parhelias placering beror på solens höjd, där dom ligger på 22º ringen då solen ligger i horisonten. För andra solhöjder kommer dom att avlägsna sig utåt längs parhelia bågen men alltid ligga på den. Dessa uppkommer dock inte för solhöjder över 61º. Genom intern reflektion i kristallerna kan man få flera sub-parhelia, även dom på parhelia bågen. Se simuleringen av St. Petersburgs halofenomenet (figur 1.), man även på vädersolstavlan finns sub-parhelia målade.

Övre och nedre tangentbågen som är sammankopplade med 22º halon, uppkommer på samma sätt men nu är det slumpmässigt orienterade prismor som är upphovet. Även här kommer solhöjden att ha betydelse för utseendet, där solhöjder över 40º gör att bågarna smälter samman till ett ”circumscribed” halo. Här har vi alla möjliga orienteringar för prismorna, men det finns ett specialfall med ytterligare restriktioner, nämligen att  den långa basytan är horisontell. Kristallen ”vilar” så att säga på en plan yta. Detta kallas för Parry orientering och ger upphov till så kallade Parry bågar.

Parry-orientering

Den cirkumzenitala bågen uppkommer genom att ljus kommer in genom en av sidoytorna och ut genom basytan. Detta kan bara inträffa då solhöjden är under 32º.  

Strålgång som ger ett cirkumzenitalt halo

Kommer ljuset in genom basytan och går ut genom en av sidoytorna erhålles en cirkumhorisontal båge, vilket bara sker vid solhöjder över 58º.

I tillägg till dessa vanligaste, finns ett antal andra namngivna halon som inte tas upp här, men som finns beskrivna i olika böcker [3-6] och hemsidor på nätet (se länklistan). Det är intressant att använda sig av dessa fenomen i undervisningen och koppla naturliga fenomen till vad man kan producera i skolsalen, antingen genom datorsimuleringar eller direkta experiment.

Datorsimuleringar av halofenomen.

Med dagens datorer är det lätt att köra simuleringar för att synliggöra olika fenomen. När det gäller halon finns ett några olika program, där den som används mest är Halosim som är skrivet av Les Cowley och Michael Schröder.För att använda programmet bör man antigen ha tillgång till en bra bok eller en websida som beskriver olika halon som stöd. Simuleringarna i denna artikel har skapats med Halosim. För att visa en del av möjligheterna visas resultatet av en simulering där solhöjden varierats från horisonten (0°) till 45°, där parhelia’s läge visas. I simuleringen syns även 22° halon och parhelia bågen, vid 0° och 15° ser man även solpelarna. I dessa simuleringar har plattor med horisontell (70%) och slumpmässing (30%) orientering använts, dom slumpmässiga för att få fram 22° halon. Horisonten finns även med på samtliga simuleringar.

0 grader solhöjd
15grader solhöjd
30 grader solhöjd
45 grader solhöjd

Jämför man med observationer stämmer dessa simuleringar bra. På detta sätt kan man göra ett antal simuleringar och jämföra dom med observationer eller fotografier för att se vad som gett dessa fenomen.

Experiment på halofenomen.

Men det är möjligt om än lite omständigt att återskapa en del av de halo fenomen som man ser i naturen. Om man begränsar sig till att återskapa parhelia, så är det fullt tillräckligt med ett 60°-prisma (liksidigt) i glas eller plexiglas. Man monterar prismat på en roterande platta och belyser det med en stark fokuserad ljusstråle. I och med att ljuset kommer spridas runt i rummet skall man inte använda en laser till detta. Man kommer då att observera att parhelia bildas, inte med en vinkel på 22° då brytningsindex för glas (n~1.6) eller plexiglas (n~1.48) är större än för is (n=1.31), men principen visas klart. Genom att luta på prismorna kan man simulera olika solhöjder. I figurerna nedan visas detta med ett plexiglas prisma för olika solhöjder (jämför med simuleringarna ovan).

Man bör observera att parhelia i dessa försök uppvisar olika färger, något som även förekommer i naturen men inte i lika hög grad då dispertionen är större i glas och plexiglas än i is.

Att visa att man får ett 22° halo i form av en ring är lite mer besvärligt. Problematiken är den samma när det gäller att visa hur regnbågen uppstår och att den är en del av en ring. Ett klassiskt sätt att visa detta beskrevs av David Brewster. Man observerar solen genom en glasplatta som täckts av alun (KAl(SO4)7) kristaller, vilket gör att tre ringar syns. Problemet är dock att få en bra kvalitet på kristallerna, något som är ganska svårt.

För att få fram andra halofenomen krävs att man har ett hexagonalt prisma. Detta är inte vanligt men kan tillverkas i plexiglas.

Att åstadkomma olika tangentbågar är av tekniska skäl svårt då man egentligen behöver rotera i två riktningar samtidigt. Dock är det möjligt att utnyttja den begränsning som Parry orientering innebär, vilket är ett subset av den horisontella orienteringen så man kommer endast att se vissa delar av tangentbågarna, dom så kallade Parry bågarna. I figuren nedan visas en simulering med Parry orientering och 25° solhöjd och ett experiment med plexiglasprismor. I simuleringen har 22° ringen lagts till för att ge en uppfattning om storleken.

Man kan utan problem jämföra dom olika komponenterna mellan experiment och simulering. Man kan även rotera prismat för hand och därigenom identifiera strålgången, som då kan jämföras med de strålgångar som finns i böcker.

Simulering av Parry halo
Experimentell Parry halo

För de cirkumzenitala och cirkumhorisontala bågarna går inte dessa att få med glas eller plexiglas då ett krav för att få fram dom är att brytningsindex är mindre än roten ur 2, detta på grund av att vi har en 90° vinkel i processen då ljuset måste gå igenom så väl en sidoyta som en topp/bottenyta. En lösning på detta problemet vore att tillverka en hexagonal behållare med tunna väggar (exempelvis mikroskopglas) och fylla den med vatten, det finns dock gjutformar för ljus i form av hexagoner som kan användas om man limmar på ett lock.

Även om halos inte är ett fenomen som många känner till så uppträder dom ofta och gör att folk hör av sig till exempelvis olika medier när dom är extra tydliga. Detta uppmärksammas ibland i samband med väderprognoserna i tv. Men det går med relativt enkla medel att visa hur dom uppstår och detta kan användas i skolan som ett sätt att visa att fysik inte är så tråkigt. Dessutom kan man föra in ett mer tvärvetenskapligt tänkande, då fenomenet är relaterat till meteorologi. Har man riktigt tur med vädret kan man även gå ut och göra mätningar och kan då även få ett matematiskt perspektiv.

  1. https://no.wikipedia.org/wiki/%C2%ABV%C3%A4dersolstavlan%C2%BB
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Lowitz_arc
  3. R. Greenler, Rainbows, Halos and Glories. Cambridge University Press, 1980, ISBN 0521-38865-1.
  4. W. Tape, Atmospheric Halos. American Geophysical Society, 1994, ISBN 0-87590-834-9.
  5. D.K. Lynch and W. Livingstone, Color and Light in Nature. Cambridge University Press, 2001, ISBN 0-521-775043.
  6. M.G.J. Minnaert, Light and Color in the Outdoors. Springer-Verlag, 1993, ISBN 0-387-97935-2

Web-sidor:

Halosim:

https://halosim.software.informer.com/3.6

Atmospheric Optics, Websida med massa information om halos:

https://www.atoptics.org.uk

Finnish Halo Observers Network Homepage;

http://www.ursa.fi/ursa/jaostot/halot/english.html

Kategorier
Fysik The light side Uncategorized

Mina Grundämnen – Kisel

Kisel (Si) är ett speciellt material då det är en halvledare som förekommer i dioder och transistorer. Med andra ord de är ganska vanliga som fotodetektorer, något som jag har använt och byggt. Men de förekommer inte baraför detektion av synligt ljus utan även för högre energier.

Men det speciella förhållande jag har med kisel kommer av två ganska olika problem. Det första handlade om att när jag analyserade hyperfinstrukturen i Pb, fanns det två ganska olika tolkningar av blandningen av 2 atomära tillstånd, båda baserade på analys av energi-nivåerna för de atomära tillstånden. Men dessa avvek från vad de experimentella gj-värdena gav. gj-värden ger även de hur tillstånden blandas. Men problemet är att gj-värdena måste korrigeras för andra effekter. Så för att göra detta behövde jag räkna på att grundämnen med liknande elektron-struktur som Pb, dvs C, Si, Ge och Sn. Just Si gav väldigt bra värden.

Den andra grundade sig på att mäta hyperfinstrukturen i Si. Vi hade möjlighet att göra mätningar på 2 av tillstånden som bara mätts med optisk spektroskopi innan. Vi skulle göra det med laser-rf spektroskopi, om vi kunde producera en atomstråle.

Här låg problemet, det var svårt att få till en stråle där exciterade tillstånd var populerade. Det var inte möjligt att få till det med att smälta Si i en av våra vanliga ugnar, det var heller inte möjligt med elektronbombardemang med elektroner. Men det skulle vara möjligt med en urladdningskälla och någon kiselförening i gas-fas. Jag gjorde några försök med en urladdningskälla med olika ädelgaser, vilket gav bra resultat.

Men nu är den gas som var lättast att använda silan, som är mycket brandfarlig och inget som vi kunda hantera i atomfysiklabbet på den tiden. Så efter konsultation med vår kemist skrotades planerna på en mätning. Så Si och hyperfinstruktur är ett av de experiment som aldrig gjordes av mig. Och är trots det ett av mina grundämnen.

Kategorier
Energi Fysik Kärnenergi

Kärnenergi – Elefanten i rummet

När man ser på debatten, om man nu kan kalla det en debatt, så handlar det mest om att lyfta fram vissa fördelar som gagnar ens sak eller hitta nackdelar med alternativen. Världen presenteras som svart/vit.

Men om man titta på hela problematiken så är det hela mer grått. Detta gör att debatten som förs är onyanserad och föga konstruktiv, samtidigt som vi mer än någonsin behöver en fakta-baserad debatt. Här presenteras två aspekter som är viktiga för att man skall kunna fatta ett informerat beslut:

Punkt 1. Tidsperspektivet. Detta är något som hamnar i bakgrunden men som samtidigt är viktig. Hur lång tid tar det att installera den kraft-produktion som behövs? När det gäller ex. sol- och vind så ligger byggtiden på något/några år. Behandlingstiden för tillstånd och sådant ej inräknat. För kärnreaktorer ligger detta på årtionden! Det är få stora reaktorprojekt som klarats på projekterad tid. Notera att detta gäller reaktormodeller som är utprovade och där inga ändringar i designen behöver göras under byggtiden. Men detsamma kommer gälla Små Modulära Reaktorer (SMR), det finns inga kommersiellt tillgängliga idag så här måste både design och byggteknik provas ut och justeras efter hand så för de första SMR gäller fortfarande årtionden innan de kan kopplas på el-nätet.

Punkt 2. Bränsle. Alla reaktorer som finns idag måste ha Uran (eller Plutonium) som bränsle. Här är den enda naturliga källan uran. Men hur mycket brytbart uran finns det? I och med att det är ganska lätt att detektera uran genom sin radioaktivitet vet vi att det finns uran i princip överallt. Men att utvinna uranet kan vara en utmaning, speciellt då det kostar mycket både i pengar och energi. Det är framför allt den sistnämnda som sätter en gräns, när det kostar mer energi än den man kan få ut. Detta gäller de metoder som finns för att utvinna uran från havsvatten. Men även den ekonomiska kostnaden kan vara betydande och ge ökade driftskostnader.
Idag räknar vi med att det finns mellan 6 och 9 miljoner ton uran som det är ekonomiskt lönsamt att bryta( kostnad <280$/kg). Något som låter mycket men det krävs ca 50 000 ton nytt uran per år för att hålla de reaktorer som finns idag i drift. Något som gör att det kommer finnas bränsle för ca. 120-150 år om det inte byggs flera reaktorer. Men bara de som är under byggnation kommer minska den tiden till 80-120 år eller mindre. Så även med en status quo finns bara bränsle för runt 100 år.
Det finns andra resurser, men dessa är inte fullt utprovade, innebär skrotning av kärnvapen, eller kräver en riskfull upparbetning av kärnavfall. Inget scenario som ser troligt ut.
Att det är ett fåtal länder som dominerar tillgången gör det hela mer komplicerat.

Detta är två aspekter som inte kan förnekas, men som samtidigt inte kommer fram tydligt nog i debatten. Det finns flera men den första handlar om när och den andra om hur länge.

Jag medger att det finns möjliga lösningar på båda men innan det visat sig att dessa lösningar kan realiseras eller är ekonomisk eller teknisk genomförbara så måste dessa adresseras och inte förtigas.

I och med att jag minns debatten som fördes i Sverige inför Kärnkraftsomröstningen 1980, kan jag se likheter med den nuvarande debatten med mer känslomässiga argument, många utan faktabaserad grund. Jag saknar med det en mer nyanserad och övergripande debatt om hela energisystemet och dess framtida utmaningar och framtid. Detta är ett försök att få till just detta.

Kategorier
Fysik The light side

Mina Grundämnen – Aluminium

Aluminium är idag en självklarhet i vardagen och ett relativt billigt material. Samtidigt är det inge länge sedan aluminium var mycket exklusivt. Napoleon III lät tillverka en för den tiden exklusiv servis i aluminium som på den tiden likställdes med guld och silver.

Samtidigt som aluminium är ett bra material i många sammanhang är det något problematiskt i andra. Aluminium är ofta poröst och därför inte lämpligt i vakuum-sammanhang. När jag jobbade med spektroskopi hade vi «kuber» i aluminium som hade eloxerats svarta, något som på pappret är bra för laser-spektroskopi, enda problemat var att färgen i eloxeringen fluoreserade när vi använde UV lasrar och detekterade i det synliga området. Lösningen var att få bort färgen, något som kan göras med natriumhydroxid, men det ta även en del aluminium. Så jag ägnade 3 dagar år att tvätta kuberna i lut för att få bort färgen utan att skada kuberna i onödan. Det fungerade, men kuberna måste gasas ut för att få bort vatten i porerna innan vi kunde få ner trycket i vakuum kammaren till rätt nivå.

Förutom tillverkning av delar i aluminium har jag inte studerat grundämnet med spektroskopi eller teoretiskt, men det är ändå ett av mina grundämnen.

Kategorier
Fysik Kärnenergi

Kärnenergi – talar tiden mot den?

Med målet att uppnå ett noll utsläppsmål för växthus gaser innan 2050, har en utbyggnad av kärnenergi sett som en möjlighet och något som ske. Här talar man då om en tre-dubbling (3x) av världen samlade kärnenergi kapacitet.
Frågan är om detta är möjligt. Det finns idag ungefär 440 kärnenergi reaktorer i drift, som står för cirka 9% av el-produktionen globalt. I dag är det Kina som bygger flest nya reaktorer och snabbast, medan Ryssland är den största exportören av reaktorer. I USA och Europa byggs få reaktorer och dessa karaktäriseras av förseningar och ökade kostnader.

En lösning som lyfts fram är små modulära reaktorer (SMR) som kan produceras med en löpande-band princip och därigenom få ner kostnaderna. Dessa kommer då produceras på ett fåtal platser och transporteras till uppkopplingspunkterna till el-nätet.

Det man inte får glömma i dagen situation med krig är att kärnenergi rektorer är möjliga mål, både för terrorister och fientliga makter. Även om det inte förekommit direkta attacker på reaktorerna i Zaporizhzhya har omgivande infrastruktur varit ett mål.

I diskussionen om kärnenergi handlar debatten mycket om att det skall byggas och att det finns både plats och finansiella resurser. Men, det som inte lyfts fram är det fakum att det behövs utbildad personal för att bygga och operera kärnenergiverk! Speciellt i de länder som inte har teknologin på ett praktiskt plan, forskningsreaktorer är inte samma som en kommersiell reaktor. I tillägg tillkommer personer inom statliga övervakningsmyndigheter och personer som skall utarbeta lagar och förordningar. Dessa måste även utbildas och undervisningspersoner måste finnas. Det är en hel ny industri som skall skapas och troligen flera tusen som skall utbildas.

Det är frågor som måste besvaras och inte minst måste en utbildningsstrategi tas fram i god tid, då det tar minst 5 år att utbilda en första kull (på hur många? 30? 100?).

Men även när det gäller SMR finns det frågor. I dag är SMRs «Vaporware» de existerar inte. Det finns många designer men ingen i drift. Det finns två ryska som har stora problem och relativt dåligt drifttid (<40% av tiden).
Här finns också en del påståenden som inte validerats, att de skulle vara mer ekonomiska, något som historien inte bekräftar där ju större en kraftverk är desto mer ekonomiskt när det gäller produktionen av el. Att NuScale stoppade sin satsning visar på att det finns problem.

Även om kärnenergi har en stor potential är den stora frågan mer av ekonomisk och resursmässing karaktär. Vi vet hur vi kan hantera och bränna högaktivt avfall både i teorin och med små mängder, men det kommer med en kostnad. I tillägg är nuvarande komersiell teknologi baserad på uran, en resurs som är begränsad och dyr att utvinna i de låga koncentrationer som finns i många möjliga resurser. Det kommer kosta mer energi än man kan få ut. Thorium är ett alternativ men kräver uran eller plutonium för att fungera fram till processen kan nå en break-even och bli själv-försörjande genom transmutation eller tills vi kan producera fissila kärnor från thorium med acceleratorer i stor mängd till låg kostnad.

Det som behövs är en helt öppen debatt och en ordentlig genomgång av förutsättningarna. Tyvärr prägas debatten alltför ofta av ofullständiga argument och försök att «äga» debatten och bestämma vad som är rätt. Av rapporter och debatt som jag sett, finner jag allför ofta att man inte tar med alla aspekter utan bara de som passar sin egen agenda. Det har blivit för polariserat.

Tiden är på väg att rinna ut både för kärnenergi och för att nå 1.5 graders målet….

Kategorier
Examen Fysik Lärande Undervisning

Kan ChatGPT få godkänt på en fysikexamen?

ChatGPT har sedan introduktionen skapat en debatt om dess potential för bruk i undervisning. Frågan är om den kan få godkänt på en fysik-examen. Jag visar att det är teoretiskt möjligt men inte praktiskt på en skriftlig examen. Dock erbjuder ChatGPT möjligheter att kunna användas som ett hjälpmedel i examenskonstruktion.

År 2022 lanserade OpenAI ChatGPT-3.5 (Generative Pre-Trained Transformer) vilket har väckt en intensiv debatt om dess potentiella påverkan på utbildning och examination både på gymnasial och universitetsnivå. Denna diskussion är särskilt motiverad med tanke på OpenAIs tekniska rapport om GPT-4 som visade att den presterare på samma nivå som de 10% bästa mänskliga examinanderna på en simulerad advokatexamen. OpenAI hävdar att GPT-4 har förmågan att lösa svåra problem med högre noggrannhet, tack vare dess breda allmänna kunskap och problemlösningsförmåga. Det finns redan artiklar som (Rudolph et al. 2023) har bidragit till den övergripande diskussionen genom att ge en tidig recension och rekommendationer till studenter, undervisare och universitet om lämpliga strategier för bruk av ChatGPT.

Det bör noteras att ChatGPT bygger på ett neuralt nätverk som genererar resultat baserat på sannolikheter från inmatad information, vilket ofta kallas för en «Large Language Model (LLG)». Det innebär att ChatGPT är främst inriktad mot textbaserade tillämpningar och inte har faktisk kognition bakom de producerade svaren; de är helt beroende av den information som den tränats på. Följaktligen kan ChatGPTs påverkan vara särskilt tydlig inom textbaserade vetenskaper där den fått uppläring. Däremot uppstår frågor om hur ChatGPT presterar inom ämnen som fysik, där förmågan att lösa problem värderas högt. Exempelvis kan man fråga sig om ChatGPT kan klara en fysikexamen på universitetsnivå. Detta är av intresse då fysik i huvudsak inte handlar om att ge textbaserade svar utan handlar mer om problemlösning och att applicera fysiska principer på ett matematiskt sätt. Det vill säga att en ren språkmodell inte borde ha möjlighet att producera resultat som är giltiga i ett fysikperspektiv. Dock kan den ha tränats på utarbetade lösningar och kan generera svar som är korrekta.

Det har i två nyliga studier (Xuan-Quy et al., 2023), för Vietnamiska Nationella High School examen, och i en fysikkurs (Kortemeyer, 2023), undersökts hur en AI som ChatGPT klarar dessa. Båda visade att det var fullt möjligt.

Det är viktigt att notera att fysikkursen baserades på användning av mer formativa metoder som hemuppgifter, «klicker»-frågor, en mitt-terminsexamen och en slutlig examen.

Även om frågorna i den Vietnamiska examen motsvarar frågor på gymnasienivå och examinationen i fysikkursen skiljer sig från examinationsformerna i Skandinavien är dessa resultat inte direkt överförbara till en skandinavisk kontext, där formativ värdering är mer sällsynt. Frågan blir då om en mer summativ examen i form av en slutexamen, gör det svårare för ChatGTP att få godkänt.

För att undersöka detta har jag använt ChatGPT-3.5 (version July 20, 2023 och May 24, 2023) för att undersöka om den kan klara en fysikexamen. När jag förfrågade ChatGPT svarade den: När man ställer denna fråga till ChatGPT blir svaret: «Som en AI-språkmodell utan medvetande eller förståelse på samma nivå som en människa, kan jag inte genomföra en fysikexamen på universitetsnivå eller någon annan form av examen. Jag har inte förmågan att lösa komplexa uppgifter eller tillämpa fysiska principer på samma sätt som människor.

Vad jag kan göra är att ge information, förklara fysikaliska koncept och svara på fysikrelaterade frågor baserat på den kunskap jag har tränats med. Jag kan även hjälpa till med att lösa enklare problem inom fysik, men min prestation och förmåga har sina begränsningar.

Fysikexamen på universitetsnivå kräver djup förståelse, analytiskt tänkande och förmåga att tillämpa koncepten på avancerade problem. Det är utmaningar som en AI som jag ännu inte kan möta på samma nivå som en kvalificerad mänsklig student.«

Då ChatGPT har en sannolikhetsbaserad generering av svar, innebär det att den kan generera olika svar för identiska inmatningar. Så samma fråga matades in flera gånger och se om svaren var konsekventa och om den kunde ge rätt svar vid upprepade försök.

Den simulerade examen som jag använde var baserad på en skriftlig examen som gavs under den första fysikkursen i en fysikutbildning och omfattade ämnen som mekanik (kinematik och dynamik), grundläggande vågrörelselära och relativitetsteori. Examen bestod av 40 flervalsfrågor med 5 svarsalternativ. För att bli godkänd krävdes 41% rätta svar (ca 17 rätta svar). Medelbetyget på examen för studenterna var ett D (53-64%).

Eftersom fysikexamina ofta inkluderar figurer, syntolkades dessa för att ChatGPT skulle kunna lösa uppgifterna relaterade till respektive figur. Uppgifter som byggde på varandra gavs samtidigt i serie. Frågorna formulerades så att ChatGPT skulle ge svaret som ett av de givna svarsalternativen (A-E). Genom chat-funktionen möjliggjordes en dialogliknande diskussion, vilket gjorde det möjligt att se resonemanget och stegen i beräkningarna när sådana utfördes.

Vid första inmatningen gavs rätt svar för 15 frågor med 24 maj-versionen och 18 frågor med 20 juli-versionen. Vid på följande inmatningar gavs både nya rätta och felaktiga svar. Om man endast räknar med det första tillfället skulle ChatGPT (24 maj) få 37,5% och därmed inte bli godkänd, medan ChatGPT (20 juli) skulle få 45% och därmed bli godkänd.

Om man i stället summerar alla rätta svar, vilket har en sannolikhet att inträffa med slumpvis genererade svar, visar det sig att ChatGPT (24 maj) skulle få 25 rätta svar eller 62,5%, medan ChatGPT (20 juli) skulle få 22 rätta svar eller 55%. Båda versionerna skulle därmed kunna få betyget D.

Detta indikerar att en språkmodell-AI som ChatGPT kan få godkänt på en fysikexamen utan att ha någon reell förståelse för fysiska principer. Detta kan förklaras av flera faktorer. För det första använder ChatGPT en databas med inlärd information och sannolikhetsberäkningar för att generera svar, vilket gör att det är möjligt för den att hitta liknande frågor och svar om formuleringarna liknar de som finns där. För det andra kan examensuppgifterna vara utformade så att de inte testar en högre grad av komplex problemlösning, där flera fysiska principer och ekvationer måste användas på ett kreativt sätt. Frågor som testar mer komplex problemlösning är troligtvis inte vanligt det inlärda materialet än.

Även om studenter inte kan använda ChatGPT under en skriftlig examen visar studien på en svaghet i validiteten för tolkningen av resultatet på examen. Med andra ord, vad är det examen skall mäta och mäter examen det som den skall göra? Resultatet på en examen tolkas så att det omvandlas till ett betyg, som bör vara kopplat till lärandemål eller någon form av uppställda kriterier. Om ChatGPT kan få godkänt innebär detta att studenter potentiellt kan få godkänt utan en verklig förståelse av kursinnehållet. Då ChatGPT:s problemlösningsstrategi liknar en receptliknande metod, där man listar givna storheter, den sökta storheten och försöker hitta en passande ekvation med dessa storheter för att beräkna svaret, betyder detta att man får möjlighet att utvärdera graden av komplexitet när det gäller problemlösning i en examen med hjälp av ChatGPT. Strategin som ChatGPT använder fungerar bra för enklare uppgifter där en formel räcker, men fungerar inte när det krävs användning av flera fysiska principer (flera ekvationer) behövs eller när irrelevant information inkluderas i uppgiften.

Detta innebär att det är möjligt att evaluera hur både förståelse och problemlösningsförmåga testas på en examen genom att använda ChatGPT. Med andra ord om uppgifterna som ges har en lämplig nivå av komplexitet och bedöma utfallet på en examen som helhet för en simulerad student med begränsad förståelse. Med andra ord kan det vara möjligt att öka validiteten för en examen för dessa kriterier.

Slutsatsen man kan dra är att teoretiskt sett skulle det vara möjligt för ChatGPT att få godkänt på en fysikexamen. Jag kan visa att AI:n kan ge svar som ligger nära eller över gränsen för godkänt betyg på en fysikexamen. Dock är det inte sannolikt att ChatGPT faktiskt kommer att användas som ett hjälpmedel eller för fusk under en skriftlig examen. Det som är viktigare är att  ChatGPT kan användas som ett hjälpmedel vid uppgiftskonstruktion, där den kan fungera som en simulerad student för att få en uppfattning om vilka svar som kan förväntas ges utan en djupare kognitiv förmåga. ChatGPT kan vara ett användbart verktyg för att utvärdera och justera examina för att säkerställa en passande nivå av komplexitet och svårighetsgrad med avseende på förståelse och problemlösning.

Sammanfattningsvis har jag visat på ChatGPT:s möjligheter och begränsningar för en fysikexamen, men det finns ingen anledning till oro för att den kommer att användas för fusk under en skriftlig sals-examen. Teknologin kan dock vara användbar som ett hjälpmedel i undervisning och uppgiftskonstruktion, där den kan ge insikter om möjliga svar och komplexiteten i uppgifterna.

Jag har valt att inte ange vilken examen jag har använt för att skydda anonymiteten hos examinatorn. Examensuppgifterna och konversationerna med ChatGPT kan dock erhållas från mig.

Referenser

Kortemeyer, G. (2023). Could an artificial-intelligence agent pass an introductory physics course? Physical Review Physics Education Research, 19(1), 010132. https://doi.org/10.1103/PhysRevPhysEducRes.19.010132

Xuan-Quy, D., Ngoc-Bich, L., Xuan-Dung, P., Bac-Bien, N., & The-Duy, V. (2023). Evaluation of ChatGPT and Microsoft Bing AI Chat Performances on Physics Exams of Vietnamese National High School Graduation Examination. arXiv preprint arXiv:2306.04538. https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.04538

Kategorier
Fysik The light side

Mine grundämnen – Natrium

De fleata har sett de gula ljusen i gatubelysning även om dessa nu håller på att bytas ut med LED. Det gula ljuset kommer av natrium som sänder ut gult ljus, 589.0 och 589.6 nm. Den så kallade natrium dubletten, något som ingår i alla atomfysik kursers laboratorium. Just natrium har fördelan av att vara en metall som både har låg smältpunkt och låg excitations energi, vilket gör att du kan relativt enkelt förånga och driva en elektrisk urladdning genom gases och få den att sända ut ljus. Detta kan man göra effektivt vilket förklarar varför natrium var/är populärt i lampor dr man vill få bra effektivitet. I tillägg är våra ögon ganska känsliga inom detta våglångdsområde vilket också är en fördel.

Men samtidigt är natrium lätt att excitera med ljus och då lasrer i första hand vilket gör att man har detta som ett textboksexempel i labbet. Att man har en gas-cell med natrium i labbet för demonstrationer är en självklarhet. Nu är natrium väl studerat så det är inte mycket ny forskning som kan göras. Men i slutet på 1980-talet jobbade jag i ett projekt där vi skulle göra ett experiment där vi behövde ett mycket homogent magnetfält över en längre sträcka. Det vi ville göra var att kunna mäta magnetfältet med hög noggrannhet inom ett litet område samtidigt som vi optimerade magnetfäletet. En teknik som inte fanns då. Här skulle vi utnyttja just natrium och titta på Zeeman-effekten (uppsplittring av spektrallinjer på grund av magnetfält) på olika punkter längs en linje. Genom att flytta detektionspunkten och variera ljusets frekves skulle vi kunna bestämma magnetfältet. De första experimenten fungerade bra och vi kunde optimera ionom ett mindre område, men det visade sig att det blev för komplicerat samtidigt som nya mindre magnetometrar utvecklades så vårt projekt fullföljdes aldrig.

Natrium är alltid ett problembarn därfr att det finns överallt, så när man skall titta på grundämnesinnehåll i olika prover så finns alltid natrium i rummet vilket kan ställa till problem i detektionen.

Natrium är en alkalimetall som kan fatta eld i luft eller om det hamnar i vatten så man måste vara varsam, så vi hade olika stt att «desarmera» natrium vilket ofta betydde att man lät det stå i luft eller att man spreyade vatten på det för att skulle oxidera.

Så jag har jibbat med natrium och det är något som alla atomfysiker har ett förhållande till, så även jag.