Vorstellungen zu Atomen und Quanten

Vorstellungen zu Atomen und Quanten
R. Erb
1
– Atomvorstellung gehört zur Schul- und Allgemeinbildung.
– Quantenphysikalische Vorstellungen gehören nicht zur
Allgemeinbildung und nur bedingt zur Schulbildung.
R. Erb
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Mythisch – religiöses Weltbild
Aristoteles
Mechanistisches Weltbild
Newton
Weltbild der modernen Physik
R. Erb
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aus: FCI (Force Concept Inventory)
R. Erb
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Mechanistisches Weltbild
Atomvorstellung
Newton
Weltbild der modernen Physik
Quantenphysik
R. Erb
Sek.II 11
Aristoteles
Sekundarstufe I
Mythisch – religiöses Weltbild
5
Nationale Bildungsstandards Physik für den mittleren Schulabschluss
–
Kompetenzbereiche
–
Basiskonzepte: Materie, Wechselwirkung, Systeme, Energie
R. Erb
6
–
Basiskonzepte: Materie, Wechselwirkung, Systeme, Energie
R. Erb
7
–
Anforderungsbereiche
„Wissen“
„Verstehen“
R. Erb
8
atomare Struktur
–
–
–
–
Diffusion
Gesetz der multiplen Proportionen
Brown‘sche Molekularbewegung
Öltröpfchenversuch
R. Erb
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Quantenphysik
– Photoeffekt
– Compton-Effekt
– Verschränkung (?)
R. Erb
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Z1
Photon 1
Photon 2
Z12
Z2
θ12 in Grad
Z
Z
θ12 in Grad
R. Erb
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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
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Übergang oder Wechsel?
Wie soll der Übergang von der
klassischen zur Quantenphysik
Verdeutlichen, dass
Quantenobjekte
im Physikunterricht erfolgen?
Behutsame
Weiterentwicklung
ermöglichen
Tiefe des Wechsels betonen
Eigenschaften haben, die
es auch in der klassischen
Physik gibt; z. B. wie
Wellen Interferenz
zeigen.
Verdeutlichen, dass
Quantenobjekte
Eigenschaften haben, die
es in der klassischen
Physik nicht gibt; z. B. die
Quantisierung
bestimmter Größen.
R. Erb
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Übergang oder Wechsel?
An welchem Beispiel soll das Neue der Quantenphysik
aufgezeigt werden?
Elektronen
Aus dem Physikunterricht
zuvor schon als
Ladungsträger
(„Teilchen“) bekannt
(Millikan 1909).
Licht (Photonen)
Aus dem Physikunterricht
zuvor schon als
(elektromagnetische)
Welle bekannt.
R. Erb
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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. 1992
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).
R. Erb
Heute: Neue Medien,
neue Experimente?
Bewusster Wechsel
Die Gefahr, das Elektron
als klassisches Teilchen
anzusehen, wiegt
schwerer.
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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
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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
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Item 1
90
80
70
Häufigkeit
60
50
40
30
20
10
0
a
b
c
d
Ausprägung
Kontinuum
Moleküle im
Kontinuum
R. Erb
Moleküle
keine
Aussage
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Item 1-4 & 6-8
50
45
Häu fig keit in P ro z en t
40
35
30
25
20
15
10
5
0
1
keine
Vorstellung
2
3
richtige
Atomvorstellung
Kontinuum
R. Erb
4
Mischvorstellung
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–
–
–
–
Rainer Müller: Münchener Internetprojekt zur Lehrerfortbildung in
Quantenmechanik (MILQ)
auch: Müller, Rainer (2003). Quantenphysik in der Schule. Berlin: Logos,
2003.
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, 1992.
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.
www.physik.ph-gmuend.de > Projekte > Material
R. Erb
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