Patrick Bronner
24.08.2009

Quantenphysik mit einzelnen Photonen

Die Quantenphysik hat im letzten Jahrhundert zu Umwälzungen in der Physik geführt und das deterministische Weltbild verändert. Anwendungen wie die Quantenkryptographie sind inzwischen kommerziell erhältlich. Der Unterricht zur Quantenphysik an Schulen orientiert sich jedoch häufig noch am wissenschaftlichen Stand von 1930. Dieser Beitrag stellt einen neuen Zugang zur Quantenphysik über Realexperimente mit einzelnen Photonen für die Sekundarstufen I und II vor.
 

Experimente zur Quantenphysik, wie der Photoeffekt und der Comptoneffekt, sind Bestandteile jeder physikalischen Ausbildung. Die Experimente haben allerdings einen Nachteil: Sie sind kein Nachweis für die Quantennatur des Lichts. Zur Erklärung der Experimente wird das Photon als Quantenobjekt nicht benötigt. Im Folgenden wird ein neuer Zugang zur Quantenphysik für die 10. Klasse des Gymnasiums vorgestellt (Fortsetzung in der Oberstufe möglich), in dessen Mittelpunkt Experimente mit einzelnen Photonen stehen. Die Quanteneigenschaften sind phänomenorientiert direkt am Experiment zugänglich und werden mit Anwendungen aus dem Bereich der Quanteninformation verknüpft. Alle Experimente arbeiten mit Methoden aus der aktuellen Forschung und sind als interaktive Bildschirmexperimente (IBE) im Klassenzimmer durchführbar. Als Ergänzung zu den IBE wurde an der Universität Erlangen-Nürnberg ein Schülerlabor zur Quantenoptik eingerichtet, das von Schulklassen kostenlos genutzt werden kann.

 

Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • die grundlegenden Gedanken der Quantenphysik, Quantenphänomene und Untersuchungsmethoden beschreiben können.
  • wissen, dass die Quantenphysik zu einem fundamental anderen physikalischen Weltbild führt.
  • moderne kommerziell verfügbare Anwendungen der Quantenphysik, wie den Quantenzufallsgenerator oder das Verfahren der Quantenkryptographie, beschreiben können.

Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial

ThemaQuantenphysik mit einzelnen Photonen
AutorPatrick Bronner
FachPhysik
ZielgruppeKlasse 10 (Fortsetzung in der Oberstufe möglich)
ZeitraumDie drei Teile des Unterrichtskonzepts können nahezu unabhängig voneinander durchgeführt werden:
Teil 1 - Unterrichtseinheit, 7-12 Stunden
Teil 2 - Projektarbeit zur Quantenkryptographie, 4-8 Stunden
Teil 3 - Besuch des Schülerlabors an der Universität Erlangen-Nürnberg
Technische VoraussetzungenComputer mit Beamer, Internetzugang, Macromedia Flash Player (kostenloser Download), Interferometer

Didaktisch-methodischer Kommentar

Das Unterrichtskonzept steht Lehrerinnen und Lehrern mit interaktiven Experimenten, Erklärungen, Arbeitsblättern und Lösungen auf der Webseite QuantumLab kostenlos zum Download zur Verfügung. Zum Download müssen Sie lediglich ein Formular ausfüllen und an die Physikdidaktik in Erlangen senden. Sie erhalten dann einen Benutzernamen und ein Passwort für den Zugriff auf das gesamte Material. Zur Einführung in das neue Gebiet werden Fortbildungen kostenfrei angeboten.

Internetadresse

Informationen zum Autor

Dr. Patrick Bronner ist Gymnasiallehrer am Friedrich-Gymnasium Freiburg. In seiner Promotion befasste er sich mit der Frage, wie moderne quantenphysikalische Experimente in den Physikunterricht integriert werden können (www.QuantumLab.de). Zur methodischen Bereicherung des Unterrichts arbeitet er momentan bei den Projekten Primas und Mascil der Pädagogischen Hochschule Freiburg mit.

  • Mehr Infos im Autorenverzeichnis
    Hier können Sie Kontakt mit Herrn Bronner aufnehmen. Zudem finden Sie hier eine Liste mit weiteren Lehrer-Online-Beiträgen des Autors.
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