als pdf-file - Didaktik der Physik

Moderne Physik im Unterricht
Photonik macht Schule
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das Erlanger Schülerlabor zur Quantenoptik
Aktuelle Themen fördern das Interesse
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Jan-Peter Meyn
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[email protected]
Themen in den Medien
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3.
4.
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Quantenphysik in der Schule
Das Photon aus didaktischer Sicht
Erlanger Konzept zur Quantenphysik
Schülerlabor: Photonik macht Schule
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…und damit den Lernerfolg
Informationstechnologie
Kosmologie
Energie
Medizin
These: Physik des 21. Jhd. ist zu selten Gegenstand des PU
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Rückblick: Abituraufgaben
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Abituraufgaben spiegeln wesentliche Unterrichtsinhalte wieder
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Experimente aus der Frühzeit der Quantenphysik (-1930)
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Exemplarisch: Quecksilberspektrum 2006
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Spektralanalyse (Abitur 2006)
?
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Experimental-Praktikum?
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Linie bei 365nm ist leicht beobachtbar…(Papierfluoreszenz)
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So genau soll man hinschauen
Wellenlängenskala stimmt für Beugungsgitter
Wellenlängen unterhalb 350nm werden absorbiert
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UV-Spektrum
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254nm Linie optimiert
Linse aus Quarzglas
Chromatische Aberration dominiert das Experiment
Reflexionsgitter (500nm blaze)
313nm
254nm
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Reflexionsspiegel f = 250mm, UV enhanced aluminum
Gitter mit 250nm blaze
313nm
254nm
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313nm
365nm
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Fazit Quecksilberspektrum
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Anspruch: „Experimental-Praktikum“
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Auswändiges Wissen abgefragt: Farbe vs. Wellenlänge
Fehlerhafte Aufgabenstellung zum UV-Spektrum
Methoden der Spektroskopie werden nicht behandelt
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Moderner Physikunterricht in Bayern
Transmission
Chromatische Aberration
Nichtlineare Dispersion eines Quarzprismas
Gitter-Blaze
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Konventionelle Experimente
Aktuelle Vorschläge zur Quantenphysik
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Münchner Unterrichtskonzept zur Quantenmechanik
[Müller und Wiesner, z.B. Am. J. Phys 70, 200 (2002)]
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Reale Experimente mit Tradition
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Vgl. ISB Handreichung
Umfangreiche Bibliographie in der Dissertationsschrift Müller 2003
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5.
F. Bader: Eine Quantenwelt ohne Dualismus, 1996
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Simulationsprogramme mit Anleitung
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[Schrödinger 1927, Mandel et al. 1964, Dodd 1983, …]
Theoretische Grundlagen und Beschreibung moderner Experimente
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Interpretation: Licht als elektromagnetische Welle
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J. Küblbeck, R. Müller: Die Wesenszüge der Quantenphysik, 2002
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Photoeffekt mit K-Zelle
Franck-Hertz-Versuch
Compton-Effekt
Milikan-Öltröpfchen
Neu: Quantenradierer [J. Küblbeck, PdN-Ph, 8/49, 22 (2000)]
Begriff des Photons wird benutzt, aber nicht authentisch motiviert
…viele Simulationen, keine neuen Experimente
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Photonen sind…
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…Objekte der Quantenelektrodynamik
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Herstellung erfordert QED-Prozess
Nachweis einzelner Photonen
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Gern gebrauchtes Argument: PMT klickt ⇒ Photon existiert
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Spontane Emission
Parametrische Fluoreszenz
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Makroskopische Analogie
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Wahre Aussage: Klick kann mit Photonen erklärt werden
Falsche Aussage: Photon ist die einzige sinnvolle Erklärung
Ganze Blätter fallen ⇒ Wind ist quantisiert
[Greenstein&Zajonc]
Für Photonen gibt es kein klassisches Modell
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Insbesondere kein Teilchenmodell
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Stochastische Bildentstehung mit hellem Licht
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Young‘scher Doppelspalt
Webcam
Detektorelektronik
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Photonen im Unterricht
Pixel wird ausgelesen
Helligkeit wird aus RGB berechnet
Helligkeit definiert Zerfallsrate
Poisson-Prozess für Zerfall wird simuliert
Zerfallenes Pixel wird angezeigt
Java-Programm von Andreas Strunz
online ab ca. 1/2009
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Möglichkeiten der Einführung
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Erscheinung vs. Präparation einer Erscheinung
Enge Kopplung an wissenschaftlichen Fortschritt
Photonen: spezifische Quanteneigenschaften des Lichts
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Reale Experimente nehmen zentrale Rolle ein
Quanteneffekte sind Abweichung von der klassischen Welt
Optische Quantenphänomene entdecken
Theoretische Vorhersagen (qualitativ) überprüfen
Wissenschaftliche Methoden exemplarisch zeigen
Funktion der Experimente steht im Vordergrund
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Feynman: QED – the strange theory of light and matter
Vorbild für viele Unterrichtsvorschläge
Zeigerformalismus
Klassische Physik ist Spezialfall der QED
Phänomen-orientiert
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Experimente leiten durch das Curriculum
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Planck, Bohr, …
Konventioneller Unterricht
Erfahrungsgemäß ohne die letzten 80 Jahre
Erläuterung der Theorie
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Historisch
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Erlanger Konzept zur Quantenoptik
Interferenz ist klassische Eigenschaft!
Klassenstufe 12 ist geeignet,
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teilweise auch Kl 10; Test: Patrick Bronner
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Erlangen Quantenoptik-Labor
Interaktive Bildschirmexperimente
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www.quantumlab.de
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Anwendung: Quantenkryptographie
Photonik macht Schule
Bob
Alice
Eve
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Photonik macht Schule
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Erlanger Schülerlabor zur Quantenoptik
Gefördert durch die Robert-Bosch-Stiftung ab 15.4.2008
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3-stufiges Konzept zur Physik des Photons
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Nutzung des Schülerlabors
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Schulklassen
Arbeitsgemeinschaften
Lehramtsstudierende
Referendare
Lehrer/innen
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Projektziele
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Praktische Arbeit mit experimentellen Methoden (2er-Gruppen)
– Polarisation
– Wellenleiter
– Kryptographie-Protokoll
Durchführung eines realen Experiments unter Anleitung
– Erzeugung von Quantenzufallszahlen
– BB84 mit einzelnen Photonen
– Verschränkung
Besuch der Max-Planck-Forschungsgruppe
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Quantenoptik in die Schule bringen
Besuch eines Forschungslabors intensiv vorbereiten
Experimente zur Quantenoptik weiter entwickeln
Erfahrungen sammeln mit neuen Unterrichtsmaterialen
Fortbildung von Lehrkräften
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Schülerlabor
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Schülerlabor
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Realisierung: Andreas Vetter
Praktische Arbeit mit wissenschaftlichen Geräten
Experiment selbst zusammen bauen
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Schülerlabor
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Schülerlabor
Modellexperiment mit hellen Lichtpulsen zum BB84 Protokoll
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Justieren lernen: Laser ausrichten mit Irisblenden
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Organisation des Schülerlabors
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Ausblick
Zielgruppe: Klasse 11 und 12
Begleitend zum regulären Unterricht
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Schülerlabor als Bestandteil des Physikunterrichts
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Formular am Didaktik-Tisch
per Email: [email protected]
homepage (ab November 2008)
Regionaler Schwerpunkt Franken
Kooperation mit Studienseminaren Stuttgart und Kaiserslautern
Entwicklung eines Curriculums zur Quantenphysik
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Festlegung eines Termins
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Offen für alle interessierten Schüler/innen
Anmeldung
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Basierend auf dem Quantenobjekt Photon
Reale Experimente und IBE mit nichtklassischem Licht
Anwendung Quantenkryptographie
Ganztägig oder 2 Nachmittage
Vor- und Nachbereitung durch verantwortliche Lehrkraft
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www.quantumlab.de
Unterrichtsmaterial zum Schülerlabor
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www.QuantumLab.de
P. Bronner*, A. Strunz*, C. Silberhorn+, J.J.-P. Meyn*
*Didaktik der Physik, +MaxMax-PlanckPlanck-Forschungsgruppe
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