Vom Licht zum Atom: ein Unterrichtskonzept zur Quantenphysik unter Nutzung des Zeigermodells
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Berlin
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Einleitung 1
TEIL
І З
1 Quantenphysik in der Schule 3
1.1 Zur gegenwärtigen Schulsituation 3
1.2 Modelle im Optikunterricht 6
1.3 Atommodelle im Chemie- und Physikunterricht 6
2 Schülervorstellungen 9
2.1 Der Einfluß des Physik- und Chemieunterrichtes der Mittelstufe 9
2.2 Schülervorstellungen zu Beginn der Oberstufe 11
2.2.1 Vorstellungen vom Licht in der Sek.
II
11
2.2.2 Vorstellungen von Materie 12
2.2.3 Vorstellungen zu wissenschaftstheoretischen Aspekten 13
2.3 Einfluß des Unterrichtes in Quantenphysik auf die Schülervorstellungen 14
2.3.1 Veränderung der Schulervorstellungen 14
2.3.2 Stabilität klassischer Vorstellungen 15
2.4 Zusammenfassung Schülervorstellungen 16
3 Unterrichtskonzepte als Ergebnis fachdidaktischer Forschung 18
3.1
Curricula
zur Quantenphysik 18
. 1 Das Elektronium im Karlsruher Physikkurs 18
.2 Der Berliner Quantenphysikkurs 20
.3 Das Fundamentalprinzip von BRACHNER und FlCHTNER 21
.4 Eine Quantenwelt ohne Dualismus nach Bader 22
1.5 Ein anschauliches Quantenmodell aus Bremen 23
3.1.6 Eine Einführung in die Quantentheorie nach WIESNER 23
3.1.7 Abschließende Bewertung der
Curricula
zur Quantenphysik 24
3.2 Das Lichtwegcurriculum 25
3.2.1 Das Lichtwegkonzept 26
3.2.2 Inhalte des Curriculums 27
3.2.2.1 Vom Sehen zur Optik 27
3.2.2.2 Geometrische Optik mit dem Fermat-Prinzip 28
3.2.2.3 Weiterführende Optik mit dem Zeigermodell 30
4 Kriterien zur Curriculumsentwicklung 31
4.1 Leitlinien für einen Unterricht zur Quantenphysik 32
4.2 Erläuterung und Diskussion der Leitlinien 34
4.2.1 Die Anschlußfähigkeit der Unterrichtsinhalte 34
4.2.2 Der Aspekt der Modellbildung 35
4.2.3 Kann Quantenphysik anschaulich sein? 37
4.2.4 Tragfähigkeit, Abstraktion und Anschaulichkeit von Atommodellen 38
4.2.5 Die Sprache in der Quantenphysik 40
4.2.6 Die Deutungsdebatte der Quantentheorie 42
4.2.7 Das mathematische Niveau 43
5 Vom Licht zum Atom: Didaktische Elementarisierung 45
5.1 Bemerkungen zu Tragfähigkeit und Abstraktheit der Modelle des
Lichtwegcurriculums 45
5.2 Zentrale Begriffe in der Quantenphysik 47
5.2.1 Wahrscheinlichkeitsamplituden und Schrödingergleichung 47
5.2.2 Begriffe im Lichtwegcurriculum 50
5.2.3 Das Medium Elektronium 50
5.2.4 Lichtwege und Raummaße 51
5.3 Die Funktion der im
Curriculum
verwendeten Modelle 52
5.3.1 Das Zeigermodell 52
5.3.1.1 Der Zeigerformalismus 53
5.3.1.2 Die Beschreibung von Elektronium im Zeigermodell 58
5.3.1.3 Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Licht und Elektronium 62
5.3.1.4 Das quantenmechanische Fundamentalprinzip 63
5.3.2 Das
Å-Rohr
67
5.3.3 Ein Orbitalmodell mit Zeigern 73
5.3.3.1 Die Grenze des Zeiger-Orbitalmodells 76
5.3.4 Das Wasserstoffatom 82
5.4 Die Gliederung des Curriculums als Ergebnis der didaktischen
Elementarisierung 86
5.4.1 Interferenzoptik mit Zeigern 88
5.4.2 Quantenphysik mit Zeigern 88
5.4.2.1 Quantenoptik 88
5.4.2.2 Atomphysik 89
6 Erprobung 91
6.1 Ziele der Untersuchung 91
6.1.1 Erlernbarkeit der Unterrichtsinhalte 92
6.1.2 Erhebung von Schülervorstellungen und ihrer Veränderung 92
6.1.3 Aufdecken von Verständnis- oder Lernschwierigkeiten 93
6.1.4 Akzeptanz der Unterrichtseinheiten seitens der Schülerinnen und Schüler 93
6.2 Probandengruppe 93
6.3 Untersuchungsmethoden 94
6.3.1 Konventionelle Lernkontrollen 94
6.3.2 Fragebogen 95
6.3.3
Concept Mapping
95
6.4 Ergebnisse 97
6.4.1 Erreichen der Lernziele 98
6.4.2 Schülervorstellungen 100
6.4.3 Anpassung der Unterrichtseinheiten 105
6.4.4 Akzeptanz der Unterrichtseinheiten 105
6.5 Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse 107
TEIL
II
109
7 Lehrerhandreichung 109
7.1 Vorbemerkung 109
7.2 Methodik 111
7.3 Unterrichtspläne 112
7.3.1 Unterrichtseinheit: Einführung in die Optik mit Lichtwegen 112
7.3.1.1 Die Spiegelwelt
Das Reflexionsgesetz 112
7.3.1.2 Brechung und Fermat-Prinzip
Grenzen der geometrischen Optik am Beispiel der partiellen Reflexion 117
7.3.2 Unterrichtseinheit: Interferenzoptik mit Zeigern 122
7.3.2.1 Partielle Reflexion
Einführung des Zeigerformalismus 122
7.3.2.2 Der Poissonsche Fleck
Das Michelson-Interferometer - Bestimmung der Basislänge
λ
128
7.3.2.3 Berechnung der Lichtintensitäten bei der partiellen Reflexion an einer Glasplatte 131
7.3.2.4 Die Bragg-Reflexion 136
7.3.2.5 Beugung am Doppelspalt
Beugung am Einzelspalt 139
7.3.2.6 Berechnung der Intensitätsverteilung des Beugungsbildes eines Einzelspaltes
Konstruktion eines Reflexionsgitters 143
7.3.3 Unterrichtseinheit: Quantenphysik mit Zeigern 148
7.3.3.1 Das Taylor-Experiment
Das Photon 148
7.3.3.2 Der Photoeffekt 152
7.3.3.3 Impuls des Photons
Weg des Lichtes und Fundamentalprinzip der Interferenz 156
7.3.3.4 Elektronium 161
7.3.3.5 Einführung in Atommodelle 166
7.3.3.6 Stehende Welle Das
Å-Rohr
168
7.3.3.7 Das Kugelmodell vom Atom
Die Energieniveaus der Atome 172
7.3.3.8 Wechselwirkung von Licht und Materie
Das Wasserstoffspektrum 176
7.4 Abschlußbemerkung 179
Zusammenfassung und Ausblick 181
Literatur 183
ANHANG A: Unterrichtsmaterialien 189
ANHANG B: Tests 204
ANHANG C:
Concept
Maps
der Schülerinnen und Schüler 209
Unter Anwendung eines Zeigerformalismus zur Beschreibung von
Interferenz- und Beugungserscheinungen, welcher auf eine Idee von
FEYNMAN zurückgeht, ist in den letzten Jahren ein interessantes
Konzept für den Optikunterricht, das Lichtwegkonzept, entwickelt
worden.
In dem vorliegenden Band wird untersucht, ob es möglich ist, den
Zeigerformalismus im Sinne dieses Lichtwegkonzeptes über die Optik
hinaus auch in der Atomphysik anzuwenden und ein quantenmecha¬
nisches Atommodell zu entwickeln. Es wird versucht, die physikali¬
sche Beschreibung von gebundenen Elektronen mit Hilfe von Zeigern
in einen Unterrichtsentwurf zum Einstieg in die Atomphysik zu über¬
setzen. Das bestehende Lichtwegkonzept, mit seinen besonderen Struk¬
turen, bildet den Rahmen, in den sich die neue Unterrichtseinheit
einfügt. Darüber hinaus werden Ergebnisse der in den letzten Jah¬
ren in der Physikdidaktik geführten Diskussion über den Unterricht
der Quantenphysik sowie Untersuchungen über Schülervorstellungen
vor und nach dem Unterricht über Atomphysik berücksichtigt. Die
Durchführbarkeit eines Unterrichtes nach dem neuen Entwurf wurde
getestet und aufgrund des Erwartungshorizontes zuvor formulierter
Lernziele beurteilt.
Um interessierten Lehrerinnen und Lehrern die Durchführung eines
ähnlichen Unterrichts zu erleichtern, wird das neue Konzept im zwei¬
ten Teil dieses Bandes in Form einer Handreichung für den Unterricht
präsentiert.
Logos Verlag Berlin
ISBN 3-89722-471-2
ISSN 1435-5280
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