Lezingen
Mijn prachtige beroep(en)¶
M.J. Vollebregt, Conferentievoorzitter
In 1989 woonde ik mijn eerste Woudschotenconferentie bij, als hulpje van Jenny Andriese, achter de inschrijfbalie. In dat jaar was Hans Créton de conferentievoorzitter. Hans was een paar jaar later mijn mentor in de lerarenopleiding en van hem heb ik veel geleerd over het omgaan met moeilijke klassen. Kennis die ik nu weer doorgeef aan mijn studenten. Want inmiddels ben ik, naast natuurkundedocent, ook zelf lerarenopleider en ik wil jullie kort meenemen in mijn prachtige beroep(en).
In 2006 werd ik lerarenopleider, of zoals mijn oud-collega Paul van der Zande het noemt: een Meestermees. Heerlijk, dacht ik, geen bel na vijftig minuten, maar een hele ochtend of middag met studenten over onderwijs praten. En ook geen toetsen meer om na te kijken, maar praten over de ontwikkeling die een student heeft doorgemaakt. Dat is anno 2016 wel anders: de contacttijd is sterk verkort en studenten moeten tegenwoordig ook toetsen inleveren. Maar de kern is onveranderd.
Ik werk met geïnspireerde studenten van 20 tot 60 jaar die allemaal graag willen leren om docent te worden. En dat leerproces is prachtig om mee te maken: niet alleen leren met je hoofd, maar met je hele lijf en persoonlijkheid. Ik zie regelmatig mensen boven zichzelf uitstijgen en anderen zie ik zich voor het eerst realiseren dat goed onderwijs verzorgen meer is dan goed uitleggen. Studenten in de lerarenopleiding krijgen vroeg of laat het inzicht dat het niet alleen gaat om antwoorden en uitleg, maar vooral om de vragen. Het citaat dat jullie hier zien is van een oud-student van ons, Miroslav Vasilijevic: “Toen ik begon aan de opleiding dacht ik dat lesgeven eenvoudig was. Nu krijg ik mijn diploma terwijl ik nog helemaal geen goede docent ben. Ik zie nu pas hoe moeilijk het is!” Ik vind het heel treffend, omdat hij, juist toen hij dit inzicht kreeg, in mijn ogen een goede docent was geworden. Wat dat betreft ziet ‘Loesje’ het helemaal goed: “Staan er ineens 30 leerlingen voor de klas de docent uit te leggen hoe het moet.”
Mijn leerlingen zijn verbaasd dat ik, naast mijn baan op de universiteit, graag op een school werk. Jullie niet, neem ik aan. Wij hebben in mijn ogen het mooiste beroep dat er is. Ik geniet, net als jullie, van de verwondering die ik met ons vak kan oproepen, de lampjes die gaan branden, de kwartjes die vallen. Of zoals de vader van een leerling uit mijn tweede klas zei op een ouderavond vorig jaar: “Ja, u zult wel denken wat ik kom doen, want mijn zoon haalt toch goede cijfers, maar ik wil graag even kennismaken met die mevrouw die mijn zoon een hele nieuwe kijk op de wereld heeft gegeven.”
Mijn boodschap vandaag is: blijf vooral genieten van die verwondering en die lampjes. Een paar weken geleden deed ik die spectaculaire proef met een tl-balk en een plasmabol, nadat leerlingen eerst zelf met spanningszoekers in de weer waren geweest. De proef zelf is natuurlijk mooi, maar nog mooier vond ik dat een leerling zich hardop realiseerde dat er dus maar een heel klein stroompje nodig is om een tl-balk te laten branden. En vorige week nog, in mijn derde klas, zei een leerling die niet echt uitblinkt in natuurkunde: “Dus als je bestraald wordt, raak je niet besmet, maar als je besmet bent, word je wel bestraald!” En vorig jaar, toen ik in anderhalve les in de vierde klas de essentie van mijn proefschrift behandelde, vroeg een leerling: “Dus moleculen hebben helemaal geen temperatuur?”
Nu ik hier toch sta, wil ik nog wel even wat aandacht vragen voor de meisjes in jullie klas. Zoals je hier kunt zien, doen de meisjes het in de onderbouw van havo en vwo goed in de exacte vakken. Uit hetzelfde onderzoek van Qompas blijkt ook dat die meisjes natuurkunde de laatste jaren veel leuker zijn gaan vinden. Maar jongens halen nog steeds betere cijfers voor natuurkunde, niet alleen in de onderbouw, maar ook voor het eindexamen. Mijn collega Kees Hooyman wees mij er op dat meisjes weliswaar voor alle bètavakken iets lager scoren op het eindexamen, maar voor natuurkunde is het verschil met jongens het grootst. En mede daardoor gaan er ook nog steeds relatief weinig meisjes verder studeren in de bètarichting, ook al is dat aanzienlijk verbeterd vergeleken met de tijd dat ik ging studeren.
Twee redenen waarom meisjes nog steeds minder vaak kiezen voor een bèta-vervolgstudie kunnen wij proberen te beïnvloeden. De eerste reden is dat meisjes die een hoog cijfer halen zich toch vaak minder competent voelen dan jongens met een lager cijfer. Dus blijf voor die meisjes benadrukken dat ze weldegelijk goed zijn in ons vak. Maar zeker zo belangrijk is wat Boe en haar collega’s de ‘attainment value’ noemen. Dit heeft te maken met de eigen identiteit: zie ik mijzelf later als een natuurwetenschapper? Meisjes zien dat minder voor zich dan jongens, omdat zij minder rolmodellen zien in hun omgeving. Daarom ben ik blij met alle initiatieven die hierin verandering proberen te brengen. Bijvoorbeeld VHTO, het expertisebureau voor meisjes en vrouwen in bèta en techniek. En bijvoorbeeld met het werk van Ans Hekkenberg, een oud-studente van onze lerarenopleiding, die nu ambassadeur is voor het bètatechniekpact. En hoewel ik niet blij ben met de voortschrijdende feminisering van het onderwijs, mag deze trend specifiek voor het natuurkundeonderwijs nog best even doorzetten.
Als voormalig vakdidactisch onderzoeker ben ik ook blij met de huidige aandacht voor onderzoek aan onderwijs. Met de promotiebeurs voor leraren wordt het mogelijk om weer meer vakdidactisch onderzoek te doen, maar ook op kleinere schaal kan onderzoek heel waardevol zijn, bijvoorbeeld via een lesson study. Misschien niet op de manier zoals op deze foto’s, maar wel met één of twee collega’s, of in mijn geval binnenkort met vier studenten. Gewoon een klein probleem verbeteren door samen een goede les te ontwerpen en deze te evalueren en te verbeteren. Ook via intervisie en wederzijds lesbezoek kun je met collega’s geïnspireerd raken om onderwijs te verbeteren.
Tot slot kom ik bij het thema van deze conferentie: hoe meet je dat nou? In mijn geval: hoe zie je of een docent in opleiding een goede docent gaat worden? Wat is dan een goede docent? Is dat nog steeds iemand die goed kan uitleggen, met afwisselende lessen en met gezag? Of moet een docent van de toekomst ook over andere belangrijke vaardigheden beschikken? En welke zijn dat dan? Wie bepaalt dat? Bepalen wij dat als docentengemeenschap? Of bepalen de schoolbesturen dat? En hoe meten we dat dan? Zijn leerlingen, als consumenten van ons onderwijs, degenen die het best kunnen beoordelen of een docent goed is of niet? Of weten wij beter wat goed voor hen is dan zij zelf? En wat is daarbij straks de functie van een beroepsregister voor leraren? Wat betekent het als je geregistreerd bent in dat register?
Kortom: niet alleen in de natuurkunde wordt gemeten.
Meten in de quantummechanica¶
D.G.B.J. Dieks
Universiteit Utrecht
Hoe lastig en ingewikkeld metingen in de klassieke natuurkunde ook kunnen zijn, in principe weet je precies waar je mee bezig bent: je stelt een eigenschap van een fysisch systeem vast – een eigenschap die er ook al was voordat je mat. Een ideale meting geeft precies weer wat vlak voor de meting het geval was en verstoort het object waaraan je meet niet. Zo’n ideale meting is natuurlijk niet werkelijk haalbaar, want om te meten moet er een interactie zijn tussen het meetapparaat en het gemeten object. Daardoor is er altijd wat meetstoring in de klassieke natuurkunde. Meestal, maar niet altijd, kun je voor die meetstoring corrigeren.
In de quantummechanica is het veel minder duidelijk wat in een meting gebeurt. Vaak wordt gezegd dat het kenmerkend is voor quantummechanische metingen dat ze onvermijdelijke verstoringen teweeg brengen, waarvoor niet kan worden gecorrigeerd. Er zijn inderdaad veel voorbeelden waarvoor dit opgaat. Maar er blijken ook gevallen te zijn waarin de quantummechanica het juist toelaat iets uit te vinden zonder enige verstoring: de quantummechanica lijkt het mogelijk te maken informatie te verkrijgen over een object zonder fysische interactie met dat object. Dit opent de weg voor spectaculaire detectiemethoden die vanuit klassiek perspectief ondenkbaar zijn.
Onder de huid van schilderijen¶
J. Dik
Technische Universiteit Delft
Vlak onder het zichtbare oppervlak van een schilderij, letterlijk enkele micrometers, ligt soms een schat aan informatie over de kunstenaar. Te denken valt aan de onderschildering, de eerste opzet van het schilderij, maar ook veranderingen van de compositie tijdens het schilderproces. In sommige gevallen gaat onder het oppervlak zelfs een tweede, geheel andere compositie schuil. Veel schilders hadden immers de gewoonte om doeken of panelen te hergebruiken. Een kijkje onder het verfoppervlak van een schilderij biedt daarom een blik over de schouder van de kunstenaar. Dit is niet alleen van belang voor het begrip en de presentatie van ons erfgoed, maar vooral ook voor het behoud ervan. In nauwe samenwerking met het museale veld ontwikkelt de TU Delft nieuwe, beeldvormende diagnostiek om de opbouw en samenstelling van schilderijen beter in kaart te brengen. In de lezing komen verschillende technieken aan bod, variërend van infraroodonderzoek tot röntgenfluorescentiespectrometrie. Deze technieken zijn gebruikt in het onderzoek naar schilderijen van Rembrandt en Vincent van Gogh, hetgeen nieuwe, soms onverwachte inzichten opleverde.
De wondere wereld van audiovisuele integratie¶
A.J. van Opstal
Radboud Universiteit Nijmegen
In de lezing ga ik in op hoe het auditieve en visuele systeem samenwerken om te komen tot een optimale integratie van sensorische informatie over doelen in de omgeving, en hoe het brein een snelle oriënteringsrespons met de ogen programmeert om een doel te lokaliseren en te identificeren.
Ik laat zien dat beide systemen hun imperfecties compenseren door van elkaar gebruik te maken op een dynamische manier, die goed kan worden voorspeld door een statistisch model (Bayesiaanse inferentie). Daarnaast wordt ook de oriënteringsrespons zélf op een zeer nauwkeurige en snelle manier uitgevoerd. Ik toon aan hoe onze neurofysiologische experimenten tot een model hebben geleid dat verklaart hoe een populatie van actieve zenuwcellen in de middenhersenen dergelijke optimaal snelle en precieze oogbewegingen kan genereren.
We gaan echt virtueel¶
P.J. Werkhoven
Universiteit Utrecht / TNO
Al in de jaren negentig onderzocht ik hoe je mensen met een VR-bril en VR-handschoen virtuele werelden kan laten zien en manipuleren, en paste dat onder andere toe op het ergonomisch valideren van scheepsbruggen en commandocentrales. Met voortgaand onderzoek richt ik me op hoe je met tactiele pakken kunt voelen in VR, hoe we met onze verschillende zintuigen tot één percept komen, hoe je met hersensignalen kunt navigeren in VR, en hoe je mensen in VR-games gecontroleerd tot stress kunt brengen – met toepassingen die variëren van training en therapie tot telerobotica.
Ik voorzie dat computers uiteindelijk direct op onze hersenen zullen worden aangesloten (waardoor displays overbodig worden), en dat de echte en virtuele wereld zich vergaand zullen vermengen tot augmented reality, exosomatische geheugens en uiteindelijk the internet of brains.
LOFAR: Waarnemen met de grootste telescoop ter wereld¶
A. Renting
ASTRON
LOFAR is een grote internationale radiotelescoop waarvan het centrale deel in Drenthe en Groningen staat. Deze telescoop is gebouwd en wordt beheerd door ASTRON. In de lezing wordt kort aandacht besteed aan het verleden van ASTRON en de (radio)astronomie. Daarna wordt in meer detail de wetenschap en techniek van LOFAR beschreven.
LOFAR is een grensverleggende telescoop met meer dan honderdduizend antennes verdeeld over acht landen. Deze is in 2010 door Koningin Beatrix geopend. Vanwege de nieuwe technieken die gebruikt worden, kunnen er met LOFAR vele soorten wetenschap bedreven worden. Een aantal van deze technieken en de basistheorie erachter wordt in de lezing verder uitgelicht, gevolgd door een beschrijving van onderzoek naar onder andere de atmosfeer, planeten, de zon, het zonnestelsel, het Melkwegstelsel, het universum en het ontstaan daarvan. Tot slot wordt kort stil gestaan bij een aantal toekomstige projecten en telescopen die vanaf 2017 in gebruik genomen zullen gaan worden.
Het Daily Image van ASTRON/JIVE geeft dagelijks actuele beelden met uitleg van waar deze organisatie mee bezig is: - http://
www .astron .nl /dailyimage/ De stichting CAMRAS, die de oude Dwingeloo telescoop beheert, biedt mogelijkheden aan scholieren om met die telescoop waarnemingen te doen: - http://
www .camras .nl /gebruik /onderwijs/
Geïntegreerde schakelingen voor het nauwkeurig meten van temperatuur en capaciteit: ontwikkeling, kalibratie en toepassingen¶
A. Nackaerts
NXP Semiconductors, Heverlee (B)
In de lezing volgen we het ontwerp en kalibratie van geïntegreerde schakelingen voor het meten van temperatuur en capaciteit met een resolutie van respectievelijk 20 mK en 30 aF. In het eerste deel van de lezing wordt duidelijk dat kleine afwijkingen op een geïntegreerde schakeling tot onaanvaardbare meetfouten kunnen leiden, waardoor kalibratie noodzakelijk wordt. Het nauwkeurig kalibreren van sensoren vraagt een goed begrip van de verschillende omgevingsfactoren. In het tweede deel van de lezing worden enkele medische toepassingen getoond die mogelijk worden door de lage kosten en hoge nauwkeurigheid van deze sensoren.
Hoe vinden trekvogels de weg? Over waarneming van het aardmagnetisch veld¶
F.R. Bradbury
Amsterdam University College
Trekvogels vliegen elk jaar duizenden kilometers tussen gebieden met een warm en gebieden met een koel klimaat. Ze hebben hersenen die kleiner zijn dan een knikker, maar weten waar ze heen moeten. Dit is omdat ze het magnetisch veld van de aarde in de noord-zuidrichting kunnen waarnemen. Dat is opmerkelijk, want het aardmagnetisch veld is heel zwak. De lezing presenteert een bachelorscriptie van Kasper Nicholas van het Amsterdam University College, die uitzocht hoe vogels het licht-geïnduceerde radicaalpaarmechanisme inzetten voor het vinden van de weg.
Natuurkundigen zijn erin geslaagd om de waarnemingsgrenzen, die van toepassing zijn op een warm en nat biomoleculair lijfje van een vogel, te benaderen. Dankzij Zeeman weten we dat de interactie-energie tussen het aardmagnetisch veld en de spin van een elektron maar zo’n 5 nano-elektronvolt bedraagt. Dit minuscule energieverschil controleert de biochemische processen die de vogel in staat stellen om het veld te detecteren. Deze 5 neV Zeeman-splitsing moet worden afgezet tegen een thermische energie van zo’n 25 milli-elektronvolt binnen het vogellijfje. Dus de detectie van de Zeeman interactie-energie van een elektronspin vereist een meetgevoeligheid vergelijkbaar met die van een vogel die over een bos vliegt en een plaatselijke hoogteverandering van 5 micrometer kan onderscheiden van de hoogte van de omringende bomen.
Er zijn twee manieren waarop vogels met behulp van het zeer zwakke aardmagnetisch veld navigeren. De eerste is via een verzameling kleine magnetietkristallen (Fe3O4) in hun snavels, waarbij het effect van de veldinteractie wordt versterkt door een quantumeffect over meerdere deeltjes, vergelijkbaar met ferro- en ferri-magnetisme in naaldkompassen. Maar deze manier van veldwaarneming is niet nauwkeurig genoeg; de onderzochte vogels gebruiken haar alleen voor een zogeheten ‘vaste directionele respons’ en niet als kompas. De andere bij trekvogels bekende (en superieure) methode werkt via het licht-geïnduceerde radicaalpaarmechanisme dat we kennen uit de quantumchemie.
Het Bell spel: Spookachtige invloeden versus lokaal realisme¶
T.H. Taminiau
Technische Universiteit Delft
Kwantumverstrengeling is een van de meest tegen-intuïtieve fenomenen in de natuurkunde. Twee verstrengelde deeltjes moeten als één ondeelbaar systeem beschreven worden, zelfs als ze ver van elkaar verwijderd zijn. Een waarneming van een van de twee deeltjes lijkt dan een onmiddellijke invloed te hebben op het andere deeltje. In de lezing bespreek ik ons experiment met verstrengelde elektronen in twee diamanten over een afstand van 1,3 km (Hensen, B. et al. (2015), Nature 526, 682). Dit experiment zet de ‘spookachtige’ niet-lokaliteit van kwantummechanica direct tegenover het lokaal realisme – het wereldbeeld dat ‘de wereld bestaat uit goed gedefinieerde onderdelen die alleen veranderen via lokale interacties’ (Wiseman, H. (2015), Nature 526, 649).
Remote Sensing van de atmosfeer¶
M.C. Krol
Wageningen University & Research
Remote Sensing wordt gedefinieerd als het meten aan een object zonder er fysisch mee in contact te komen. Bij het bestuderen van de atmosfeer wordt veelvuldig gebruik gemaakt van remote-sensingtechnieken. Denk maar aan de wolkenplaatjes die we elke dag bij het weerbericht voorbij zien komen. Satellietinstrumenten die rond de aarde cirkelen, kunnen op veel manieren informatie over onze atmosfeer verzamelen. In het geval van wolken wordt dan het teruggekaatste zonlicht waargenomen, of de infraroodstraling die de aarde zelf uitzendt. Infraroodstraling kan daarbij onderscheid maken tussen lage (warme) wolken en hoge (koude) wolken. Maar satellietinstrumenten kunnen nog veel meer. Zo wordt in 2017 een satelliet gelanceerd (TROPOMI) die de vervuiling in de wereld heel nauwkeurig in kaart gaat brengen. De lezing gaat in op de technieken die hierbij gebruikt worden, geïllustreerd met een aantal voorbeelden waarbij satellietdata gebruikt worden in wetenschappelijke toepassingen.
‘Line of Sight’ techniek voor het observeren en controleren van magnetische instabiliteiten in een kernfusiereactor¶
P. Nuij
NTS-Group, Eindhoven
Kernfusie is een veelbelovende techniek om energie op te wekken. Een deel van het actuele onderzoek richt zich op methodes om het plasma waarin de fusiereacties plaats vinden op te sluiten. In de magnetische opsluiting die gebruikt wordt in het Tokamak reactortype ontstaan instabiliteiten die leiden tot ongewenst warmtetransport van het plasma naar de reactorwand. Deze instabiliteiten kunnen beheerst worden door op het juiste moment en op de juiste positie in het roterende plasma energie in te brengen met behulp van elektromagnetische straling. Het systeem dat hiervoor is ontworpen door Differ in samenwerking met de TU/e bestaat uit een 140 GHz gyrotron, een mechanisch richtsysteem, een frequentieselectieve koppeling en een radiometer. Samen met een regelaar vormen deze delen een regelsysteem (zie de figuur hieronder). Het bijzondere aan dit systeem is de sensing-techniek. In een gecombineerde optische pad wordt het 1 nW sensorsignaal van de elektrocyclotron-emissie uit het plasma effectief gescheiden van het 800 KW actuatorsignaal uit het gyrotron.
Systeem voor de depositie van microgolfstraling om magnetische instabiliteiten in een fusieplasma te corrigeren.
De lezing gaat in op het systeemontwerp zoals het in 2009 succesvol werd geïmplementeerd in de TEXTOR reactor van het Forschungszentrum Jülich. Daarnaast worden de regeltechnische uitdagingen besproken, en de interactie tussen de betrokken vakgebieden: natuurkunde, werktuigbouwkunde, elektrotechniek en regeltechniek.
Het detecteren van zwaartekrachtsgolven van botsende zwarte gaten¶
J. van den Brand
Nikhef / Vrije Universiteit Amsterdam
Wanneer compacte objecten in het heelal (zoals zwarte gaten) samensmelten, voorspelt de algemene relativiteitstheorie van Einstein dat deze rimpelingen veroorzaken in ruimte en tijd. De LIGO Virgo Collaboration (LVC) doet onderzoek naar deze zwaartekrachtsgolven en de eerste detectie vond plaats op 14 september 2015. De instrumenten van LVC zijn Michelson interferometers met in de armen 3 en 4 km lange optische resonatoren. Hiermee is het mogelijk om relatieve lengteveranderingen waar te nemen lager dan 10/-22. Mijn onderzoeksgroep bij Nikhef heeft een bijdrage geleverd aan het analyseren van data, en heeft technieken ontwikkeld die het mogelijk maken om model-onafhankelijke tests uit te voeren op het gebied van algemene relativiteit door signalen te gebruiken van degelijke botsende compacte objecten (zowel zwarte gaten als neutronensterren). In de lezing bespreek ik de wetenschappelijke implicaties van zwaartekrachtsgolffysica, evenals de diverse hightech instrumentatiesystemen die ontwikkeld werden om dergelijke metingen mogelijk te maken.
Numerieke relativiteitssimulatie van het samensmelten van twee zwarte gaten.
Het weer zien¶
Gerrit Hiemstra
NOS Journaal
Het weer is natuurkunde in de praktijk. Alleen zie je er zo weinig van: temperatuur kun je niet zien, luchtdruk is onzichtbaar, waterdamp zie je niet, straling zie je ook niet (behalve het deel van het spectrum waarvoor onze ogen gevoelig zijn). Om met wijlen Johan Cruijff te spreken: “Je gaat het pas zien als je het doorhebt.” Na mijn studie heeft het me jaren gekost om de theorie in de praktijk aan het werk te ‘zien’. En dat weer laat ik in mijn presentatie zien.
