Unterrichtsmaterialien zum Thema "Atomphysik"

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Licht als Fotonenströmung - RCL "Fotoeffekt"

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler experimentieren per Fernsteuerung mit einem traditionellen Lehrerdemonstrationsexperiment zur Erarbeitung des Fotonenmodells des Lichts. Die qualitative und quantitative Untersuchung des Fotoeffekts ist aufgrund seiner historischen und physikalischen Bedeutung ein fester Bestandteil des Physikunterrichts der Sekundarstufe II.In der Entwicklung der Fotonentechnologie fällt die theoretische "Grundsteinlegung" Einsteins auf den - historisch gesehen - halben Weg zwischen den ersten experimentellen Beobachtungen und dem Beginn der industriellen Fertigung von Solarzellen im späten 20. Jahrhundert. Didaktisch bedeutsam ist der Fotoeffekt, weil das Fotonenmodell des Lichts im Gegensatz zu Plancks theoretischer Beschreibung der Schwarzkörperstrahlung anhand einfacherer physikalischer Vorstellungen und mit Mathematikkenntnissen der Schule erarbeitet werden kann. Mit dem RCL "Fotoeffekt" können Schüler ein üblicherweise von der Lehrkraft durchgeführtes Demonstrationsexperiment auch zuhause in einfacher Weise durchführen. Darüber hinaus entfallen für die Lehrkraft experimentelle Probleme, wie die Beschränkung auf drei Farbfilter, der zeitaufwändige Versuchsaufbau oder unbrauchbare Messergebnisse durch Leckströme und gealterte Fotozellen. Die Zusammenhänge zwischen der Elektronenenergie und der Frequenz beziehungsweise der Intensität des Lichtes lassen sich mit dem RCL überzeugend und schnell untersuchen, so dass mehr Zeit bleibt für die Erklärung der Versuchsergebnisse im Wellen- und Fotonenmodell. Allerdings führt der Photoeffekt nicht zwingend zum Fotonenmodell des Lichts, weil keine einzelnen Fotonen nachgewiesen werden können. Weitere Information im Beitrag Quantenphysik mit einzelnen Photonen .Wellen- und Fotonenmodell des Lichts sind in ihrer Struktur sehr unterschiedlich: Ist beim Wellenmodell die Lichtenergie über den Raum verteilt, abhängig von der Amplitude und unabhängig von der Frequenz der elektromagnetischen Welle, so ist beim Fotonenmodell die Lichtenergie in einzelnen Fotonen konzentriert und frequenzabhängig. Schülerinnen und Schüler mit dem Fotoeffekt vom Wellen- zum Fotonenmodell zu führen, ist nicht einfach: Anhand eines Versuchs sollen relevante experimentelle Ergebnisse gewonnen und als im Wellenmodell nicht erklärbar erkannt werden. Das Fotonenmodell wird eingeführt und der Fotoeffekt damit erklärt. Die Unterrichtseinheit folgt diesem Weg und versucht die genannten Schritte zum besseren Verständnis für die Lernenden möglichst klar gegeneinander abzugrenzen. Das RCL "Fotoeffekt", eine Tabelle und Aufgaben sind dazu die wichtigsten Medien und Materialien dieser Unterrichtseinheit. Hinweise zum Unterrichtsverlauf und Materialien Lernvoraussetzungen, Unterrichtsverlauf, Steckbrief des RCLs "Fotoeffekt" und Arbeitsmaterialien zur Unterrichtseinheit Die Schülerinnen und Schüler sollen qualitative Experimente zum Fotoeffekt deuten können. Hypothesen zum Zusammenhang zwischen Größen des eingestrahlten Lichts und Größen der ausgelösten Elektronen formulieren. den Zusammenhang zwischen der Energie der Elektronen und der Frequenz beziehungsweise der Intensität des Lichts mit dem RCL "Fotoeffekt" untersuchen. begründet angeben können, welche Versuchsergebnisse zum Fotoeffekt sich im Wellenmodell nicht erklären lassen und wie diese im Fotonenmodell erklärt werden. technisch-physikalische Anwendungen des äußeren und inneren Fotoeffekts kennen lernen. Thema Fotoeffekt und Fotonenmodell des Lichts Autor Sebastian Gröber Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum etwa 4 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder zuhause, javafähiger Browser Software Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel), Computeralgebrasystem (zum Beispiel Maple ) oder spezielles Datenanalyseprogramm (zum Beispiel Origin ) für die Hochschule Wünschenswert sind folgende Lernvoraussetzungen: Schülerinnen und Schülern haben die Auf- und Entladung von Kondensatoren verstanden und können mit den Begriffen elektrische Arbeit und Energie sicher umgehen. In der Wellenoptik wurden bereits diskrete Spektren untersucht. Die Intensität einer elektromagnetischen Welle wurde bereits behandelt. Vorbereitende Kenntnisse Qualitative Versuche Quantitative Versuche mit dem RCL "Fotoeffekt" Deutung der Versuchsergebnisse im Wellen- und Fotonenmodell des Lichts Vertiefende Aufgaben und technisch-physikalische Anwendungen Versuchsaufbau In Abb. 1 ist der Versuchsaufbau des RCLs "Fotoeffekt" dargestellt und beschriftet. Abb. 2 zeigt die Laborseite mit Webcambild und Bedienfeld. Messung des Zusammenhangs zwischen Lichtintensität und kinetischer Energie der Elektronen bei konstanter Lichtfrequenz Messung des Zusammenhangs zwischen Wellenlänge beziehungsweise Frequenz des Lichts und kinetischer Energie der Elektronen Der aufwändige Versuchsaufbau und Probleme mit der Versuchsdurchführung (Leckströme, alte Fotozellen, nur drei Farbfilter vorhanden) entfallen. Die einfache und schnelle Versuchsdurchführung lässt mehr Zeit zur physikalischen Deutung des Fotoeffekts im Wellen- und Fotonenmodell des Lichts. Aufgaben zur Unterrichtseinheit Die Datei "aufgaben_fotoeffekt.pdf" enthält acht umfangreiche Aufgaben. Die Aufgaben - oder auch Teilaufgaben - können von Schülerinnen und Schülern in Gruppen gelöst werden oder als Anregung für Abituraufgaben oder Inhalte von Unterrichtsstunden dienen. Die Materialien der Datei "erklaerung_fotoeffekt.ppt/pdf" sollen Schülerinnen und Schüler in einem möglichst eigenständigen Lernprozess zum Fotonenmodell des Lichts führen: Tabelle zur Deutung der experimentellen Ergebnisse zum Fotoeffekt im Wellen- und Fotonenmodell des Lichts Interferenzmuster unter dem Mikroskop (Quelle: Metzler, Physik, Schroedel Verlag) Texte zu Plancks Strahlungsgesetz und zur Erklärung des Fotoeffekts im Fotonenmodell des Lichts (Quelle: Flachsel, 150 Physikrätsel, Klett Verlag)

  • Astronomie  / Physik
  • Sekundarstufe II

Der Potentialtopf als vereinfachtes Atommodell

Unterrichtseinheit

Die Unterrichtseinheit mit dem Thema "Der Potentialtopf als vereinfachtes Atommodell" macht die Schülerinnen und Schüler mit den tatsächlichen Abläufen in einem Atom bekannt. Dabei dient dieses Atom-Modell als ein Übergangsmodell – weg vom Bohrschen Bahnbegriff und hin zu einem Wellenmodell, das auf stationären stehenden Wellen beruht. Allerdings wird auch bei diesem Modell zum einfacheren Verständnis noch auf die anziehende Wirkung des Atomkernes und damit auf den Potentialbegriff verzichtet. Es wird für Schülerinnen und Schüler benötigt, die Physik als Leistungsfach und gegebenenfalls als Abiturfach gewählt haben.Mit dem Potentialtopf-Modell werden die Lernenden auf die quantenphysikalischen Gegebenheiten in einem Atom vorbereitet. Dabei müssen sich die Schülerinnen und Schüler gedanklich von den aus der klassischen Physik bekannten Abläufen verabschieden und sich mit abstrakten und nicht mehr direkt zugänglichen Vorgängen vertraut machen. Zunächst wird dabei der lineare Potentialtopf benützt, mit dem man in einer Dimension das in einem "Topf" eingesperrte Elektron beschreibt. Daran anschließend können die Erkenntnisse und sich ergebenden Gleichungen auf den dreidimensionalen Potentialtopf übertragen werden, der sich den in einer späteren Unterrichtseinheit folgenden realen Verhältnissen in einem Wasserstoff-Atom grob annähert. Der Potentialtopf als vereinfachtes Atommodell Dieses bewährte Modell bildet eine gute Möglichkeit, die Schülerinnen und Schüler auf ein quantenmechanisches Atommodell des Wasserstoffatoms vorzubereiten. Dabei wird es für die Lehrenden sehr wichtig werden, auf möglichst anschauliches und nachvollziehbares Unterrichtsmaterial zurückgreifen zu können. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können in der Weise vorausgesetzt werden, dass Schülerinnen und Schüler sowohl in der Mechanik als auch in der Elektrodynamik den Wellenbegriff bereits kennengelernt haben. Somit kann auf die entsprechenden Gleichungen – zumindest bis zu einem bestimmten Grad – zurückgegriffen werden. Didaktische Analyse Bei der Behandlung dieses Themas läuft man leicht Gefahr, die Lernenden gedanklich und mathematisch zu überfordern. Insbesondere dann, wenn man auch die schwer zu verstehenden Gleichungen herleiten will. Dies sollte man gegebenenfalls nur den sehr interessierten und mathematisch fortgeschrittenen Lernenden zumuten. Die Beschreibung der Vorgänge im Atom ist extrem komplex und schwierig. Selbst das einfachste Atom – das Wasserstoffatom – kann nur eingeschränkt beschrieben werden und erfordert gute bis sehr gute mathematische Kenntnisse. Mit dem Potentialtopf-Modell können aber die wesentlichen Grundlagen vermittelt werden, so dass dann in einer späteren Unterrichtseinheit auch das Wasserstoffatom ausreichend gut beschrieben werden kann. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Komplexität der Beschreibung der Vorgänge im Atom. wissen, dass die Vorgänge im Atom einer direkten Beobachtung nicht zugänglich sind. können die modellartige Funktion des linearen und dreidimensionalen Potentialtopfs beschreiben und einordnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. überprüfen die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden wertfrei diskutieren zu können.

  • Physik
  • Sekundarstufe II

Elektron als Welle - RCL „Elektronenbeugung“

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler entdecken die Welleneigenschaft des Elektrons beim Experimentieren mit einem Remotely Controlled Laboratory (RCL).Beschießt man ein Plättchen aus Graphit mit beschleunigten Elektronen, dann beobachtet man auf einem Fluoreszenzschirm ein Muster aus konzentrischen Ringen. Das Erstaunliche dabei ist, dass mit dem ?Materieteilchen? Elektron von der Struktur her die gleichen Beugungsmuster erzeugt werden wie mit elektromagnetischen Wellen (Röntgenstrahlung). Mit dem RCL ?Elektronenbeugung? können Schülerinnen und Schüler dieses Phänomen im Vergleich zum traditionellen Unterricht in einem ersten Schritt eigenständiger und ohne den lenkenden Einfluss der Lehrkraft entdecken und beginnen, es zu verstehen.Wie die Mehrzahl der Oberstufenversuche muss auch der Versuch zur Elektronenbeugung als Lehrerdemonstrationsexperiment mit eingeschränkten Beteiligungsmöglichkeiten der Schülerinnen und Schüler durchgeführt werden. Bei der Elektronenbeugung kommt hinzu, dass das Phänomen den Lernenden nicht bekannt ist und es ihnen schwer fällt, bisher klassisch betrachtete Materieteilchen als Welle zu beschreiben. Zwischen der Lehrkraft und den Schülern entsteht so häufig eine einseitige 1:n-Kommunikation, in der einseitig Informationen an andere verteilt werden. Diese Unterrichtseinheit soll durch zwei methodische Maßnahmen eine lernförderlichere Umgebung schaffen: Das Debye-Scherrer-Verfahren wird vor der Elektronenbeugung am Beispiel des polykristallinen Graphits behandelt (siehe Lernvoraussetzungen). Dadurch liegt der Fokus des Versuchs zur Elektronenbeugung auf dem Erkennen und Verstehen der Welleneigenschaft des Elektrons. Weiterhin kann das Debye-Scherrer-Verfahren von den Schülerinnen und Schülern vertiefend angewendet werden. Die Lernenden beobachten die Elektronenbeugung zum ersten Mal nicht gemeinsam im Kurs, sondern individuell (gegebenenfalls in Kleingruppen mit Mitschülerinnen und Mitschülern) mit dem RCL am heimischen Rechner. Dadurch haben sie Gelegenheit sich eigenständig, im eigenen Lerntempo und ohne den direkt-lenkenden Einfluss der Lehrperson mit dem Phänomen auseinanderzusetzen. Hinweise zum Unterrichtsverlauf und Materialien Lernvoraussetzungen, Unterrichtsverlauf, Steckbrief des RCLs "Elektronenbeugung" und Materialien zur Unterrichtseinheit Die Schülerinnen und Schüler sollen Kenntnisse zur Röntgenbeugung an polykristallinen Kristallen im Versuch zur Elektronenbeugung anwenden. erkennen, dass Elektronen Welleneigenschaften zugeordnet werden können. ihre Arbeitsergebnisse an der Tafel oder mit einer PowerPoint-Präsentation vorstellen. Thema Elektronenbeugung - das Elektron als Welle Autor Sebastian Gröber Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 2-3 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss in der Schule oder Zuhause, javafähiger Browser Software Bei der Messung der Ringradien kommen ein Zeichenprogramm (zum Beispiel Paint) und ein Tabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) zum Einsatz. Für die Durchführung der Unterrichtseinheit sind folgende Lernvoraussetzungen notwendig: Röntgenbeugung an polykristallinem Graphit nach dem Debye-Scherrer-Verfahren Zusammenhang zwischen Beschleunigungsspannung und Geschwindigkeit/Impuls geladener Teilchen Elektronenbeugung als Phänomen Theorie zum Versuch Universeller Wellencharakter der Materie Aufgaben und Test zur Vertiefung Versuchsaufbau Abb. 1 (zur Vergrößerung anklicken) zeigt den beschrifteten Versuchsaufbau des RCLs "Elektronenbeugung". Abb. 2 zeigt die Laborseite mit Webcambild und Bedienfeld. Qualitative und quantitative Messung des Zusammenhangs zwischen Beschleunigungsspannung und Radius der Beugungsringe Bestimmung der Netzebenenabstände von Graphit oder der Elektronenwellenlänge Quantitative Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Impuls und Wellenlänge der Elektronen, Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums Ein zentrales Phänomen/Experiment der Quantenphysik kann von Schülerinnen und Schülern selbstständig durchgeführt und beobachtet werden. Ringradien des Beugungsmusters lassen sich im Webcambild genauer bestimmen als am Experiment. Aufgabensammlung zur Elektronenbeugung Die Datei "aufgaben_elektronenbeugung.pdf" enthält neun Aufgaben mit Lösungen zur Theorie, zum Versuchsaufbau sowie zur Versuchsdurchführung und -auswertung. Die Aufgaben können im Rahmen der Unterrichtseinheit als Übungen im Unterricht oder als Hausaufgaben eingesetzt werden. Darüber hinaus können sie Grundlage für die Konzeption von Unterrichtsstunden sein oder als Anregung für Abituraufgaben dienen. Auswertung des Beugungsmusterbildes und der Messdaten Die Datei "bestimmung_ringdurchmesser.pdf" enthält eine Anleitung für Schülerinnen und Schüler zum Messen der Ringdurchmesser im Beugungsmuster mit dem Zeichenprogramm "Paint". Das Programm ist in den Betriebssystemen von Microsoft enthalten. Mit der Datei "bestimmung_ringdurchmesser.xls" können die Messungen automatisiert ausgewertet werden. Claus Jönsson, Amand Fässler (Herausgeber) Die Top Ten der schönsten physikalischen Experimente, Rowohlt Taschenbuch, Hamburg 2005, ISBN 3-499-61628-9

  • Astronomie  / Physik
  • Sekundarstufe II