Einführung von "Unbestimmtheit" als einem Grundphänomen der Quantenphysik: Mithilfe von vergleichenden Betrachtungen von klassischer Physik und Quantenphysik wird die völlig andere Welt der Mikrophysik im Unterricht besprochen. Dabei wird deutlich, welche entscheidende Rolle bei atomaren Größenordnungen das vom Fotoeffekt her bereits bekannte Planck'sche Wirkungsquantum h spielt.
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Zunächst wird die sogenannte "Unbestimmtheit" als ein Grundphänomen der Quantenphysik in den historischen Kontext eingeordnet. Im Jahr 1927 fand der spätere Nobelpreisträger Werner Heisenberg Gesetzmäßigkeiten, die alle bis dahin als elementar geltenden Vorstellungen über die Physik des Mikrokosmos auf den Kopf stellen sollten. Mit seiner Unschärferelation konnte er die Grenzen dessen definieren, was sich über die Welt des Allerkleinsten aussagen lässt. Im Prinzip besagt seine Heisenberg'sche Unschärferelation, dass zwei bestimmte Eigenschaften eines Teilchens nicht beliebig genau gleichzeitig gemessen werden können.
Mithilfe von vergleichenden Betrachtungen von klassischer Physik und Quantenphysik wird die völlig andere Welt der Mikrophysik im Unterricht besprochen; dabei wird deutlich, welche entscheidende Rolle bei atomaren Größenordnungen das vom Fotoeffekt her bereits bekannte Planck'sche Wirkungsquantum h spielt.
Didaktisch-methodischer Kommentar
Unbestimmtheit – ein Phänomen der Quantenphysik
Die Eigenheiten der Quantenwelt zeigen sich einmal mehr, wenn man etwa bestimmte physikalische Größen – wie Ort und Geschwindigkeit – eines Teilchens gleichzeitig messen möchte: Egal wie genau die Messmethode auch sein mag – die beiden Eigenschaften lassen sich nicht gleichzeitig exakt bestimmen! Ist die Position eines Teilchens sehr genau bekannt, ist seine Geschwindigkeit weitestgehend unbestimmbar. Umgekehrt wissen wir kaum etwas über seinen Aufenthaltsort, wenn wir seine Geschwindigkeit und damit seinen Impuls sehr genau kennen. Der Physiker Werner Heisenberg erkannte dieses für Quantenobjekte charakteristische Naturgesetz und formulierte es mathematisch mit seiner berühmten – nach ihm benannten – Unschärferelation (HUR).
Vorkenntnisse
Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden sind sicher nur – wenn überhaupt – sehr begrenzt vorhanden. Viele Gesetze der Quantenphysik widersprechen dem gesunden Menschenverstand, gehören aber neben der Relativitätstheorie zu den Säulen der modernen Physik mit ihren nicht mehr wegzudenkenden Anwendungen wie Navigationsgeräten oder – in absehbarer Zeit – Quantencomputern. Für viele Menschen scheinbar "unsinnige" Gesetze erklären, wie die Welt im Allerkleinsten funktioniert; deshalb sollten auch Lernende sich unbedingt mit diesen Themen halbwegs vertraut machen.
Didaktische Analyse
Die HUR bedeutet für die Lernenden, dass sie den aus der klassischen Physik gewohnten Begriff der Bahn eines Teilchens nicht mehr anwenden können. Vielmehr können bei Quantenobjekten wie etwa Elektronen oder Photonen niemals die Eigenschaften "Ort" und "Impuls" – wie in der klassischen Physik selbstverständlich – gleichzeitig exakt bestimmt werden. Dennoch scheinen in einer Röhre erzeugte Elektronen bei Schulversuchen durchaus auf einer wohldefinierten Bahn zu fliegen – diese nur scheinbare Diskrepanz findet aber bei Berechnungen ihre anschauliche Erklärung!
Die Behandlung des schwierigen Themas "Unbestimmtheit" im Physikunterricht sollte für das Gros der Lernenden zu der Erkenntnis führen, dass die zugehörige Physik keine Hexerei, sondern ein von einem genialen Wissenschaftler gefundenes Naturgesetz ist, das einen nahezu unzugänglichen Mikrokosmos beschreibt, ohne den aber die Welt nicht so funktionieren würde wie sie es tut!
Für den Unterricht sollten Lehrkräfte auf jeden Fall gut präpariert sein, um auf kritische Fragen sachkompetent eingehen und antworten zu können.
Methodische Analyse
Mit der HUR werden die Lernenden mit einem im Detail sehr schwierigen Stoff in der Sek II konfrontiert. Deshalb sollte man bei der Vermittlung des Stoffes darauf achten, dass die Fakten mithilfe von anschaulichen Abbildungen, Animationen, entsprechenden Videos und ergänzenden Übungsaufgaben so präsentiert werden, dass die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten verstanden werden können.
Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- wissen, dass es sich bei der HUR trotz der schwer nachvollziehbaren Mikrophysik um ein sehr bedeutsames Naturgesetz handelt.
- können die Gesetzmäßigkeiten der HUR in seiner einfachen Form gut herleiten und Berechnungen ausführen.
- kennen die Bedeutung der HUR im Rahmen der Quantenphysik für die Mikrophysik und daraus resultierende praktische Anwendungen.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet.
- können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen.
Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team.
- müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.
- erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden etc. diskutieren zu können.
