Vorstellungen zu Atomen und Quanten. R. Erb 1

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1 Vorstellungen zu Atomen und Quanten R. Erb 1

2 Atomvorstellung gehört zur Schul- und Allgemeinbildung. Quantenphysikalische Vorstellungen gehören nicht zur Allgemeinbildung und nur bedingt zur Schulbildung. R. Erb 2

3 Mythisch religiöses Weltbild Aristoteles Mechanistisches Weltbild Newton Weltbild der modernen Physik R. Erb 3

4 aus: FCI (Force Concept Inventory) R. Erb 4

5 Mythisch religiöses Weltbild Mechanistisches Weltbild Aristoteles Atomvorstellung Sekundarstufe I Weltbild der modernen Physik Newton Quantenphysik Sek.II 11 R. Erb 5

6 Nationale Bildungsstandards Physik für den mittleren Schulabschluss Kompetenzbereiche Basiskonzepte: Materie, Wechselwirkung, Systeme, Energie R. Erb 6

7 Basiskonzepte: Materie, Wechselwirkung, Systeme, Energie R. Erb 7

8 Anforderungsbereiche Wissen Verstehen R. Erb 8

9 atomare Struktur Diffusion Gesetz der multiplen Proportionen Brown sche Molekularbewegung Öltröpfchenversuch R. Erb 9

10 Quantenphysik Photoeffekt Compton-Effekt Verschränkung (?) R. Erb 10

11 Z1 Photon 1 Photon 2 Z2 Z 12 θ 12 in Grad Z Z θ 12 in Grad R. Erb 11

12 Eigenschaften von Quantenobjekten Quantisierung: Energie kommt nicht in beliebig kleinen Mengen vor, sondern in kleinsten Portionen (genauer: wird bei der Wechselwirkung von Licht und Materie in kleinsten Portionen übertragen). Auch Größen wie Impuls und Ladung sind quantisiert. Wahrscheinlichkeiten: Für das Auftreffen eines Quantenobjekts an einer bestimmten Stelle in einem bestimmten Zeitintervall kann nur eine Wahrscheinlichkeit angegeben werden. Fundamentalprinzip: Quanten zeigen Interferenz, wenn sie auf mehreren Wegen zum Empfänger gelangen können und keine Information darüber möglich ist, welchen Weg sie genommen haben. Verschränkung: Ein System aus zwei Quantenobjekten kann verschränkt sein. Die Messung eines Zustands von einem der beiden Quantenobjekte gibt dann Auskunft über den Zustand des zweiten, auch wenn sich die beiden Objekte weit voneinander entfernt haben. R. Erb 12

13 Wie soll der Übergang von der klassischen zur Quantenphysik im Physikunterricht erfolgen? Behutsame Weiterentwicklung ermöglichen Verdeutlichen, dass Quantenobjekte Eigenschaften haben, die es auch in der klassischen Physik gibt; z. B. wie Wellen Interferenz zeigen. Übergang oder Wechsel? Tiefe des Wechsels betonen Verdeutlichen, dass Quantenobjekte Eigenschaften haben, die es in der klassischen Physik nicht gibt; z. B. die Quantisierung bestimmter Größen. R. Erb 13

14 Elektronen Übergang oder Wechsel? An welchem Beispiel soll das Neue der Quantenphysik aufgezeigt werden? Aus dem Physikunterricht zuvor schon als Ladungsträger ( Teilchen ) bekannt (Millikan 1909). Licht (Photonen) Aus dem Physikunterricht zuvor schon als (elektromagnetische) Welle bekannt. R. Erb 14

15 Grundproblem Schülerinnen und Schüler lernen die Sätze, die zur Quantenphysik gehören, aber rekonstruieren nicht das Konzept. Michael Lichtfeldt. Schülervorstellungen in der Quantenphysik und ihre möglichen Veränderungen durch Unterricht Heute: Neue Medien, neue Experimente? Die Quantenphysik erscheint Schülerinnen und Schülern nicht zwingend notwendig: Die Interferenzfähigkeit von Elektronen verblasst vor dem Bild eines klassischen Teilchens. Die Interferenzfähigkeit von Licht kann mit klassischen Wellen erklärt werden. Die Quantisierung der Lichtenergie erschließt sich nur umständlich (Photoeffekt, Single-Photon-Counting). Bewusster Wechsel Die Gefahr, das Elektron als klassisches Teilchen anzusehen, wiegt schwerer. R. Erb 15

16 Empirische Studien zur Atomvorstellung Novick und Nussbaum 1981, Rennström 1981, Pfundt 1981, Andersson 1990, Lichtfeldt 1992 u. a. Ergebnisse: Ein großer Teil der untersuchten Schüler (ca. zwei Drittel) hat die atomare Struktur der Materie nicht verinnerlicht und hängt der Kontinuumstheorie an, z. T. angereichert mit Elementen der Atomtheorie. R. Erb 16

17 Studierendenbefragung 134 Zweitsemester, Fragebogen mit 8 Items zur Atomvorstellung 1. Sie haben ein geschlossenes Gefäß mit Wasser vor sich. Welche der folgenden Vorstellungen ist Ihrer Meinung nach richtig? a) Wasser ist eine dünne Substanz, die das gesamte Gefäß gleichmäßig ausfüllt. Sie besteht nicht aus irgendwelchen kleinen Bausteinen. b) Wasser besteht aus Wassermolekülen. Zwischen den Wassermolekülen befindet sich Luft. c) Wasser ist nichts weiter als eine große Menge von Wassermolekülen, und es befindet sich nichts zwischen den Wassermolekülen. d) Ich kann mich für keine dieser Aussagen entscheiden. R. Erb 17

18 Item 1 90 Häufigkeit a b c d Ausprägung Kontinuum Moleküle im Kontinuum Moleküle keine Aussage R. Erb 18

19 Item 1-4 & 6-8 Häufigkeit in P roz ent keine Vorstellung Kontinuum richtige Atomvorstellung Mischvorstellung R. Erb 19

20 Rainer Müller: Münchener Internetprojekt zur Lehrerfortbildung in Quantenmechanik (MILQ) auch: Müller, Rainer (2003). Quantenphysik in der Schule. Berlin: Logos, Josef Küblbeck: Wesenszüge Küblbeck, Josef (2004). Was ist wesentlich an der Quantenphysik? In: Praxis der Naturwissenschaften Physik in der Schule, 53/1, 2-4. Berliner Konzeption Helmut Fischler. Quantenphysik in der Schule, Weitgehend voraussetzungsfreie Modellbildung: Zeigerformalismus Erb, Roger (1994). Optik mit Lichtwegen. Magdeburg: westarp Bader, Franz (1996). Eine Quantenwelt ohne Dualismus. Hannover: Schroedel Werner, Johannes (2000). Vom Licht zum Atom: ein Unterrichtskonzept zur Quantenphysik unter Nutzung des Zeigermodells. Berlin: Logos. > Projekte > Material R. Erb 20

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