Unterrichtsmaterialien zum Thema "Elementarteilchen"

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

Zur Vermittlung einer zeitgemäßen Atomvorstellung wird in dieser Unterrichtseinheit das Elektronium-Modell verwendet. In diesem Modell wird das Elektron als Fluidum beschrieben, das eine Dichte hat und strömen kann. Mit einer solchen stofflichen Vorstellung können Schülerinnen und Schüler an alltägliche Erfahrungen anknüpfen.In den Bildungsstandards für Physik in Baden-Württemberg für die Klassen 9 und 10 wird gefordert, dass die Schülerinnen und Schüler eine zeitgemäße Atomvorstellung kennen. Atomphysik in der Mittelstufe - sind die Schülerinnen und Schüler dem gewachsen? Im Folgenden wird eine erprobte Unterrichtseinheit zu einer zeitgemäßen und schülergerechten Atomvorstellung dargestellt, in der Animationen und interaktive Darstellungen zum Einsatz kommen. Neben der qualitativen Wissensvermittlung wird sehr viel Wert auf schüleraktive Methoden und Analogien gelegt. Die Einheit kann in der Sekundarstufe II fortgesetzt werden.Mit dieser Unterrichtseinheit zur Vermittlung einer zeitgemäßen Atomvorstellung wird an stoffliche Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler angeknüpft. Quantentheorie und Schrödinger-Modell Zur Vermittlung einer zeitgemäßen Atomvorstellung müsste man sich eigentlich der Quantentheorie bedienen. Die Quantentheorie ist jedoch eine rein mathematische Theorie und somit für den Unterricht in der Mittelstufe nicht geeignet. Um hier trotzdem eine zeitgemäße Atomvorstellung vermitteln zu können, müssen Bilder, Analogien und vor allem Modelle herangezogen werden, die die Quantentheorie veranschaulichen. Die Lehrerin oder der Lehrer kann sich hier verschiedener Modelle bedienen. Das bekannte Schrödinger-Modell des Atoms ist zwar zeitgemäß, enthält jedoch aufgrund von Begriffen wie "Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons als Teilchen" große Lern- und Verständnishindernisse für die Schülerinnen und Schüler. Um diese Schwierigkeiten in der Mittelstufe zu umgehen, wurde in der hier vorgestellten Unterrichtseinheit das Elektronium-Modell verwendet. Elektronium-Modell Das Elektron als Fluidum Das Elektronium-Modell wurde an der Abteilung für Didaktik der Physik an der Universität Karlsruhe entwickelt. Das Elektron wird dabei nicht mehr als Teilchen, sondern als Fluidum beschrieben. Dieses hat eine Dichte und kann strömen. Mit einer solchen stofflichen Vorstellung können Schülerinnen und Schüler an alltägliche Erfahrungen anknüpfen. Bei Verwendung des Elektronium-Modells bleiben die Bilder des Atoms im Vergleich zum Schrödinger-Modell gleich. Der einzige Unterschied ist die Interpretation: Man redet nicht mehr von der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons, sondern von der Dichte eines Stoffes. Erfahrungen aus dem Unterricht In zwei zehnten Klassen wurde untersucht, wie sich die Schülerkonzepte anhand unterschiedlicher Atommodelle - Elektronium-Modell und Aufenthaltswahrscheinlichkeit - über längere Zeit entwickelten. Durch den direkten Vergleich der beiden Modelle in zwei Klassen sind keine handfesten Aussagen über Vor- und Nachteile der Modelle im Unterricht möglich. Der Vergleich kann lediglich Hinweise geben. Übertragbarkeit auf die Eigenschaften von Festkörpern Das Elektronium-Modell findet nicht nur Anwendung zur Beschreibung der Atomphysik, sondern kann ganz ungezwungen auch auf die Eigenschaften von Festkörpern übertragen werden. Näheres dazu im Karlsruher Physikkurs (Band 3).Die Schülerinnen und Schüler kennen eine zeitgemäße Atomvorstellung. können die Entstehung von Licht beschreiben. haben Kenntnisse über die geschichtliche Entwicklung von Modellen. können physikalische Größen darstellen und interpretieren. kennen den Zusammenhang zwischen Linienspektren und atomaren Übergängen. können die Spektralanalyse anwenden und physikalisch erklären. Zur Vermittlung einer zeitgemäßen Atomvorstellung müsste man sich eigentlich der Quantentheorie bedienen. Die Quantentheorie ist jedoch eine rein mathematische Theorie und somit für den Unterricht in der Mittelstufe nicht geeignet. Um hier trotzdem eine zeitgemäße Atomvorstellung vermitteln zu können, müssen Bilder, Analogien und vor allem Modelle herangezogen werden, die die Quantentheorie veranschaulichen. Die Lehrerin oder der Lehrer können sich hier verschiedener Modelle bedienen. Das bekannte Schrödinger-Modell des Atoms ist zwar zeitgemäß, enthält jedoch aufgrund von Begriffen wie "Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons als Teilchen" große Lern- und Verständnishindernisse für die Schülerinnen und Schüler. Um diese Schwierigkeiten in der Mittelstufe zu umgehen, wurde in der hier vorgestellten Unterrichtseinheit das Elektronium-Modell verwendet. Das Elektron als Fluidum Das Elektronium-Modell wurde an der Abteilung für Didaktik der Physik an der Universität Karlsruhe entwickelt. Das Elektron wird dabei nicht mehr als Teilchen, sondern als Fluidum beschrieben. Dieses hat eine Dichte und kann strömen. Mit einer solchen stofflichen Vorstellung können Schülerinnen und Schüler an alltägliche Erfahrungen anknüpfen. Bei Verwendung des Elektronium-Modells bleiben die Bilder des Atoms im Vergleich zum Schrödinger-Modell gleich. Der einzige Unterschied ist die Interpretation: Man redet nicht mehr von der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons, sondern von der Dichte eines Stoffes. Erfahrungen aus dem Unterricht In zwei zehnten Klassen wurde untersucht, wie sich die Schülerkonzepte anhand unterschiedlicher Atommodelle - Elektronium-Modell und Aufenthaltswahrscheinlichkeit - über längere Zeit entwickelten. Durch den direkten Vergleich der beiden Modelle in zwei Klassen sind keine handfesten Aussagen über Vor- und Nachteile der Modelle im Unterricht möglich. Der Vergleich kann lediglich Hinweise geben. Didaktische Hinweise zur Unterrichtseinheit "Atomphysik für die Sek I" Zusammenfassung der Ergebnisse auf der Website HydrogenLab. Übertragbarkeit auf die Eigenschaften von Festkörpern Das Elektronium-Modell findet nicht nur Anwendung zur Beschreibung der Atomphysik, sondern kann ganz ungezwungen auch auf die Eigenschaften von Festkörpern übertragen werden. Näheres dazu im Karlsruher Physikkurs (Band 3). Karlsruher Physikkurs (Didaktik der Physik, Uni Karlsruhe) Der Karlsruher Physikkurs (KPK) wird seit 25 Jahren entwickelt und erprobt.

Mithilfe von interaktiven Arbeitsblättern und Animationen setzen sich Schülerinnen und Schüler mit dem Lernbereich "Kernumwandlungen – Nutzen und Gefahren" in Einzel- oder Partnerarbeit auseinander.Beim Einstieg in die Thematik wird auf die Entwicklung der wichtigsten Atommodelle eingegangen. Die Bildung von Ionen und Isotopen spielt dabei als Grundlage für die folgenden Themen eine wichtige Rolle. Den zweiten Schwerpunkt bilden der Spontanzerfall und die Freisetzung von radioaktiver Strahlung. Die künstlichen Kernumwandlungen werden mittels Computeranimationen erklärt. Zum Abschluss werden Kenntnisse zur gesteuerten und ungesteuerten Kettenreaktion vermittelt. Dieser Zusammenhang kann ebenfalls in Form von Computeranimationen veranschaulicht und interaktiv bearbeitet werden. Einsatz im Unterricht Der Einsatz der Sammlung von interaktiven Übungen und 3D-Animationen zur Atomphysik sollte unterrichtsbegleitend erfolgen. Nach der Behandlung des jeweiligen Themas im Unterricht (Arbeitsblätter als Word-Dokumente im Download-Paket "atomphysik_materialien.zip") können Übungsphasen im Computerkabinett den Unterricht lebendiger gestalten und zur Binnendifferenzierung genutzt werden. Die Verwendung der 3D-Animationen soll dabei die Anschaulichkeit erhöhen und die Visualisierung der Aufgabenstellung gerade bei den "unsichtbaren" Sachverhalten im submikroskopischen Bereich vereinfachen. Hinweise zur Nutzung der interaktiven Arbeitsblätter In der Klassenstufe 9 hat sich der Einsatz des Beamers bewährt, wenn die Schülerinnen und Schüler die Arbeit mit interaktiven Arbeitsblättern noch nicht gewohnt waren. Für die Eingaben in die Formularfelder der interaktiven Übungen sollte ein Hinweis auf die Notwendigkeit einer korrekten Schreibweise erfolgen. Dies führt zu erhöhter Konzentration und weniger Frusterlebnissen, wenn Fragen inhaltlich richtig, aber infolge falscher Rechtschreibung als falsch beantwortet wurden. Auch Partnerarbeit von Lernenden mit guten Deutschkenntnissen zusammen mit Schülerinnen und Schülern, welchen die deutsche Sprache schwer fällt (Integrationskinder), ist hier gut möglich. Technische Hinweise Um die 3D-Modelle öffnen zu können, ist ein VRML-Plugin nötig. Alle animierten GIFs und interaktiven 3D-Animationen der verwendeten Übungen wurden vom Autor der Unterrichtseinheit mithilfe des 3D-CAD-Programmes FluxStudio erzeugt. Dieses Programm ist für die pädagogische Arbeit als Freeware verfügbar.Die Schülerinnen und Schüler sollen Atommodelle kennen. die alpha-, beta und gamma-Strahlung kennen. künstliche Kernumwandlungen kennen. das Aufstellen von Zerfallsgleichungen beherrschen. erkennen, dass der Unterschied zwischen gesteuerter und ungesteuerter Kettenreaktion für die Nutzung der Kernenergie immens wichtig ist.

... Durch Versuche wie dem Magnetisieren einer Schere begreifen die Lernenden in der Gruppe die Elementarteilchen und ihre Ordnung. Das aktive Tun hilft im Sinne der Handlungs- und Produktionsorientierung dabei ...

... n. Dies unterstützt das Verständnis der Vorgänge in dem für uns unsichtbaren Universum der Elementarteilchen.Dieser Selbstlernkurs soll den Schülerinnen und Schülern der Mittelstufe helfen, die komplexe ...

... Betazerfalls, erfahren, welche Rolle das Neutrino dabei spielt und welche Eigenschaften dieses Elementarteilchen besitzt. Die Arbeitsblätter nehmen dabei Bezug auf ein Erklärvideo zum Thema Neutrinos. Die ...