Lehren und Lernen von Quantenphysik in Gymnasium und Lehrerfortbildung

Transkript

1 Lehren und Lernen von Quantenphysik in Gymnasium und Lehrerfortbildung Wien,

2 Münchener Internetprojekt zur Lehrerfortbildung in Quantenmechanik Unterrichtskonzept zur Quantenphysik in der 6. Klasse Diskussion

3 milq Münchener Internetprojekt zur Lehrerfortbildung in Quantenmechanik

4 Wege zur Vermittlung der Quantenphysik Konzentration auf die Prinzipien des quantenmechanischen Formalismus Historische Entwicklung der Quantenphysik Auseinandersetzung mit den begrifflichen Fragen der Quantenphysik Münchener Unterrichtskonzept zur Quantenmechanik in der Oberstufe

5 Münchener Unterrichtskonzept zwei Schwerpunkte: Quantenmechanik ist eine grundlegend andere Theorie als die klassische Physik Betonung der eigentlichen Interpretationsfragen der Quantenmechanik

6 Interpretationsfragen Unter welchen Umständen hat ein Objekt eine Eigenschaft? Was bedeutet die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation? Was passiert bei einer Messung und wie kann man diese beschreiben?

7 milq Münchener Unterrichtskonzept zur Quantenmechanik in der Oberstufe Unterrichtsmaterialien Informationen zu didaktischen Diskussionen

8 milq fachliche Hintergrundinformationen mathematische Grundlagen Informationen zu Anwendungen in der physikalischen Forschung

9 Lehrtext zum Münchener Unterrichtskonzept Qualitativer Basiskurs: Begrifflichkeit steht im Vordergrund Durch Simulationsprogramme eigenständige Beschäftigung mit Quantenphänomenen möglich

10 Basiskurs Teil 1 (Photonen) 1. Photoelektrischer Effekt 2. Präparation von dynamischen Eigenschaften Mach-Zehnder Interferometer 3. Wellen- und Teilcheneigenschaften 4. Wegeigenschaft 5. Wahrscheinlichkeitsinterpretation Teil 2 (Elektronen) 6. Elektronenbeugung Doppelspaltexperiment 7. Ψ und ihre Interpretation 8. Ortseigenschaft 9. Messprozess 10. Schrödingers Katze 11. Unschärferelation

11 Lehrtext zum Münchener Unterrichtskonzept Quantitativer Aufbaukurs: Zugang zur formalen Struktur der Quantenmechanik auf einfacher mathematischer Grundlage

12 Aufbaukurs 1. Mathematische Beschreibung von Quantenobjekten 2. Operatoren für physikalische Größen 3. Operator der Gesamtenergie: Schrödinger-Gleichung 4. Elektronen im Potentialtopf 5. Atome (das Wasserstoffatom)

13 Internetseiten Zusammenfassungen des Basistextes Java-Applets und Simulationsprogramme eingebunden Zusätzliche Angebote in und -Links

14 -Links Materialien für den Unterricht wie: Aufgaben und Arbeitsblätter Informationen zu didaktischen Diskussionen

15 -Links Hintergrundinformationen mathematische Herleitungen

16 Einblick in milq

17 Evaluation von milq

18 Evaluation Logdateienanalyse Fragebögen Interviews

19 Logdateienanalyse Tagesdurchschnittswerte Besuche: Seiten: Gesamtzahlen im Monat Besuche: Seiten: Verhältnis Seiten/Besuche: 3-6

20 Evaluation Besucher ( Rechner ): pro Monat ausführliche Beschäftigung hohe Akzeptanz

21 Fragebögen Qualität der angebotenen Materialien Vor- und Nachteile internetbasierte Lehrerfortbildung Akzeptanz einer internetbasierten Lehrerfortbildung

22 Fragebögen

23 Fragebögen

24 Fragebögen

25 Fragebögen

26 Fragebögen

27 Interviews Ergebnisse der Fragebögen werden bestätigt Wunsch nach begleitenden Präsenzveranstaltungen

28 Unterrichtskonzept zur Quantenphysik in der 6. Klasse

29 Unterrichtskonzept Grundlage: Schülerfehlvorstellungen Münchener Unterrichtskonzept zur Einführung in die Quantenmechanik Ziel: Einblick in die Unterschiede der Quantenphysik zur Klassischen Physik

30 Übersicht Einführung von Wellen Bahnkurve in der Klassischen Physik Bahnkurve im E-Feld Doppelspaltversuch mit klassischen Teilchen

31 Übersicht Doppelspaltversuch mit Elektronen Merkwürdigkeiten der Quantenphysik Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation Anwendungen der Quantenphysik

32 Einführung von Wellen Definition einer Welle Interferenz und Beugung (qualitativ)

33 Bahnkurve in der Klassischen Physik In der Klassischen Physik können Körpern die Eigenschaften Ort und Geschwindigkeit ohne Probleme zugeschrieben werden.

34 Jönsson-Experiment Film über Realexperiment des Doppelspaltversuchs mit Elektronen Beobachtung: Interferenzmuster auf Schirm Entspricht dies den Erwartungen?

35 Doppelspaltversuch mit klassischen Teilchen P 1 (x) P 2 (x) P(x) = P 1 (x) + P 2 (x)

36 Doppelspaltversuch mit klassischen Teilchen Die Farbpartikel gehen entweder durch Spalt 1 oder Spalt 2 Farbpartikel besitzen die Eigenschaft Ort

37 Doppelspaltversuch mit Elektronen P 1 (x) P 2 (x) P(x) P 1 (x) + P 2 (x)

38 Doppelspaltversuch mit Elektronen Man kann nicht mehr sagen, dass die Elektronen entweder durch Spalt 1 oder Spalt 2 gehen Elektronen besitzen nicht die Eigenschaft Ort

39 Doppelspaltversuch mit Elektronen Die Auftrefforte auf dem Schirm lassen sich für einzelne Elektronen nicht vorher sagen Übergang zur Wahrscheinlichkeitsaussage!

40 Merkwürdigkeiten der Quantenphysik Zusammenfassung der Ergebnisse am Cartoon Skifahrer

41 Merkwürdigkeiten der Quantenphysik

42 Merkwürdigkeiten der Quantenphysik und Hinführung zum Doppelspaltversuch mit Lampe

43 Merkwürdigkeiten der Quantenphysik

44 Merkwürdigkeiten der Quantenphysik Ortsmessung in der Spaltebene: Die Verteilung auf dem Schirm ist kein Interferenzmuster, sondern die Überlagerung des Doppelspaltversuchs mit klassischen Teilchen! Komplementarität von Ortseigenschaft und Interferenz

45 Merkwürdigkeiten der Quantenphysik In der Quantenphysik besteht ein Unterschied zwischen Besitzen von Eigenschaften und Messen von Eigenschaften.

46 Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation: Aussage darüber, ob zwei Eigenschaften an einem Objekt gleichzeitig präpariert werden können.

47 Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation Präparation: Verfahren, mit dem Objekte in einen bestimmten Zustand gebracht werden. Herstellung von physikalischen Systemen mit bestimmten Eigenschaften

48 Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation Wann besitzt ein Objekt eine Eigenschaft? Messreihe für eine Eigenschaft: - ein und derselbe Messwert Objekte besitzen die Eigenschaft - unterschiedliche Messwerte Objekte besitzen nicht die Eigenschaft

49 Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation Eigenschaft Durchmesser

50 Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation Eigenschaft Seitenlänge

51 Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation Was passiert, wenn ich versuche zwei Eigenschaften zu präparieren? Eigenschaften Ort und Geschwindigkeit Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation

52 Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation Konsequenzen: Abschied vom Begriff der Bahn eines Teilchens

53 Anwendungen der Quantenphysik Der Quantencomputer als Beispiel der Anwendungsmöglichkeiten und Bereich aktueller Forschung

54 Abschluss und Zusammenfassung What the bleep do we (k)now!?

55 Evaluation des Unterrichtskonzepts

56 Fragestellungen Übergeordnete Fragestellungen Ist es möglich, Schülerinnen und Schüler der 10. Jahrgangsstufe in einem Teilgebiet aktueller Forschung, nämlich in der Quantenphysik zu unterrichten? Lernen die Schülerinnen und Schüler die wichtigsten Inhalte der Unterrichtseinheit zur Einführung in die Quantenphysik?

57 Summative Evaluation Untersuchungsdesign

58 Summative Evaluation 15 Klassen an sechs bayerischen Gymnasien (N = 362) Naturwissenschaftlich-technologischer, sprachlicher, musischer, wirtschafts- und sozialwissenschaftlicher Zweig

59 Summative Evaluation Vortest ausgewählte Items zum Wissen über Wellen und Quantenphysik Keinerlei Vorwissen

60 Summative Evaluation Treatment Test nach jedem Kapitel: Wissen Interesse Verständlichkeit

61 Summative Evaluation Nachtest Ausgewählte Items: Wissen Interesse

62 Summative Evaluation - Kapitel 2 1: können Körpern die Eigenschaften Ort und Geschwindigkeit zu keinem Zeitpunkt zugeschrieben werden. 2: können Körpern die Eigenschaften Ort und Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt zugeschrieben werden. 3: kann Körpern nur eine der Eigenschaften Ort und Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt zugeschrieben werden.

63 Summative Evaluation - Kapitel 3 (erster Teil) 1: zu jedem Zeitpunkt an einem bestimmten Ort. 2: nicht zu jedem Zeitpunkt an einem bestimmten Ort.

64 Summative Evaluation - Kapitel 3 (erster Teil)

65 Summative Evaluation - Kapitel 3 (erster Teil)

66 Summative Evaluation Kapitel 3 (zweiter Teil) 1: sind gleichzeitig realisierbar. 2: schließen sich gegenseitig aus.

67 Summative Evaluation - Kapitel 3 (zweiter Teil) 1: Man kann an einem Quantenobjekt prinzipiell jederzeit die Eigenschaft Ort messen. 2: Quantenobjekte besitzen jederzeit die Eigenschaft Ort. 3: Erhält man bei der Messung der Eigenschaft Ort einen Messwert, kann man daraus nicht schließen, dass das Quantenobjekt vor der Messung die Eigenschaft Ort besessen hat.

68 Summative Evaluation Kapitel 3 (zweiter Teil): Sonstige Bemerkungen Ich finde die Computeranimationen sehr hilfreich! sehr anschauliche Beispiele (Elektronen- Skilauf, Schrödingers Katze) gutes Verständnis des Themas. jetzt wird s interessant!

69 Summative Evaluation Kapitel 3 (zweiter Teil): Sonstige Bemerkungen Dosis facit venenum Übertreiben Sie es mit dem verwirrenden Stoff nicht! Hab ich das Thema jetzt verstanden, wenn ich s nicht verstanden hab!

70 Summative Evaluation Kapitel 3 (zweiter Teil): Sonstige Bemerkungen Wer sagt, er hat die Quantenmechanik verstanden, der lügt! es ist jedoch anzumerken, dass der Unterricht interessant und verständlich gestaltet wurde. Sehr gut!

71 Summative Evaluation Kapitel 4

72 Summative Evaluation Kapitel 4: Sonstige Bemerkungen Mehr Quantenphysik im Physikunterricht!!! Das Ganze war viel interessanter als die gesamte 9. Klasse in Physik. Lustig wars und verrückt!!!

73 Summative Evaluation Abschließende Fragen

74 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! inhalt_materialien/quantenphysik_sek1/index.html