Unterrichtsmaterialien zum Thema "Quantentheorie"

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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

Quantenkryptographie mit "Schrödingers Schlüssel"

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler lernen mithilfe des Simulationsprogramms "Schrödingers Schlüssel" wie Informationen mit Quanten abhörsicher verschlüsselt und Abhörversuche entlarvt werden können.Seit Jahrtausenden versuchen Menschen, den Inhalt von Botschaften vor ungebetenen Abhörern zu verbergen. Dies ist in den Zeiten des Internet besonders wichtig und alltagsrelevant, zum Beispiel für eine sichere Übermittlung von Passwörtern und Bankgeheimnissen. Mit den heute verfügbaren numerischen Werkzeugen kann im Prinzip jeder Code in endlicher Zeit geknackt werden, auch wenn diese Zeit - zum Beispiel bei der Verschlüsselung mit großen Primzahlen - Jahrmilliarden in Anspruch nehmen würde. Das hört sich beruhigend an. Allerdings erwartet man, dass diese Zeit in einigen Jahren nur noch wenige Stunden betragen könnte. Erste Schritte auf dem Weg zu den dafür benötigten Quantencomputern, wie die Präparation einzelner Quantenbits, sind bereits gelungen. Die Methode der Quantenverschlüsselung ermöglicht die erste absolut abhörsichere Übertragung von Daten in der Geschichte der Informationsübertragung. Es gibt bereits entsprechende kommerzielle Geräte.Die Schülerinnen und Schüler sollen anhand einiger Bits (selbst gewählt oder mithilfe des Programms Schrödingers Schlüssel) zeigen können, wie man einen Zufallscode mit einer Polarisationsbasis übermitteln kann. zeigen können, dass diese Übermittlung nicht abhörsicher ist. mithilfe des Programms Schrödingers Schlüssel zeigen können, wie die Übermittlung von Zufallsbits mit zwei Polarisationsbasen funktioniert. mithilfe des Programms demonstrieren können, dass eine abhörende Person durch den Vergleich von Kontrollbits über kurz oder lang "auffliegt". Thema Quantenkryptographie - Simulationsprogramm zur Quantenverschlüsselung Autor Dr. Josef Küblbeck Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 2 Stunden Technische Voraussetzungen Windows XP-Rechner; im Idealfall Computerraum mit Demonstrationsrechner und Beamer; Rechner für jeweils 1-3 Lernende Vor dem Einsatz des Programms "Schrödingers Schlüssel" sollten die Schülerinnen und Schüler wissen, wie und mit welchen Wahrscheinlichkeiten Photonen beim Auftreffen auf einen Polarisationsfilter umpräpariert werden. Das vom Autor entwickelte Programm steht bei Lehrer-Online kostenfrei zum Download zur Verfügung. Wie üblich wird darin der Sender Alice, der Empfänger Bob und der Abhörer Eve genannt. Abb. 1 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt einen Screenshot aus "Schrödingers Schlüssel": Schülerinnen und Schüler können zwischen der Übermittlung mit einer oder zwei Basen wechseln, den Abhörer Eve wahlweise hinzuschalten und die durch Eve verursachten Übermittlungsfehler aufdecken. Das Downloadpaket enthält neben dem Programm auch eine detaillierte Anleitung mit Erläuterungen zum Verschlüsselungsverfahren. Weitere ausführliche Informationen und interaktive Übungen zur Quantenkryptographie finden Sie auf der Webseite QuantumLab (siehe Zusatzinformationen). Scarani, Valerio Physik in Quanten, Eine kurze Begegnung mit Wellen, Teilchen und den realen physikalischen Zuständen, 2007, Spektrum Verlag Singh, Simon Geheime Botschaften, Die Kunst der Verschlüsselung von der Antike bis in die Zeiten des Internet, 2000, Hanser Verlag.

  • Astronomie  / Physik
  • Sekundarstufe II

Quantenphysik mit einzelnen Photonen

Unterrichtseinheit

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.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. Konzept und Interaktive Bildschirmexperimente Phänomene der Quantenwelt, wie die Nichtteilbarkeit, die Zufälligkeit oder die Verschränkung, treten bei den Experimenten unmittelbar in Erscheinung. 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. Thema Quantenphysik mit einzelnen Photonen Autor Patrick Bronner Fach Physik Zielgruppe Klasse 10 (Fortsetzung in der Oberstufe möglich) Zeitraum Die 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 Voraussetzungen Computer mit Beamer, Internetzugang, Macromedia Flash Player (kostenloser Download), Interferometer Das Photon als exemplarisches Quantenobjekt Die Grundlagen der Quantenphysik können mit verschiedenen Quantenobjekten vermittelt werden, zum Beispiel Photonen, Elektronen, Atome, Moleküle und Fullerene. Zur Untersuchung der Quanteneigenschaften wurde exemplarisch das Photon als Quantenobjekt gewählt. Photonen lassen sich leicht erzeugen, sie zeigen während des Experiments keine Dekohärenz und sind mit Detektoren leicht nachweisbar. Experimente mit Licht benötigen kein Vakuum und können bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Photonen besitzen zudem eine große Bedeutung in der Quanteninformationsverarbeitung. Auf diesem Gebiet werden einzelne Quantenobjekte gezielt zur Informationsübertragung genutzt. Erste Anwendungen werden bereits kommerziell eingesetzt und sollten Bestandteil eines modernen Physikunterrichts sein. Historische Experimente mit Photonen in der Schulausbildung Standardexperimente zur Quantenphysik wie der Photoeffekt, der Comptoneffekt, der Doppelspaltversuch und Experimente mit Interferometern sind Bestandteile jeder physikalischen Ausbildung. Alle Experimente sind allerdings kein Nachweis für die Quantennatur des Lichts. Der Comptoneffekt, der Doppelspaltversuch und die Interferometer lassen sich klassisch mit einer elektromagnetischen Welle beschreiben. Der Photoeffekt lässt sich semiklassisch mit einer elektromagnetischen Welle und quantisierter Materie im Detektor erklären. Die Experimente können höchstens einen Hinweis auf die Quantennatur von Licht geben. Zur Erklärung der Experimente wird das Photon als Quantenobjekt nicht benötigt. Ein neuer Ansatz zur Quantenphysik für die Schule Als Grundlage einer Einführung in die Quantenphysik werden an der Abteilung für Didaktik der Physik der Universität Erlangen-Nürnberg Experimente entwickelt, die eindeutig die Quantennatur von Licht zeigen. Mit den Experimenten sollen die Phänomene der Quantenwelt wie die Nichtteilbarkeit, die Zufälligkeit oder die Verschränkung unmittelbar in Erscheinung treten. Der qualitative Zugang über das Experiment wird intensiver behandelt als der mathematische Formalismus. Neben den Quantenphänomenen werden moderne Anwendungen aus der Quanteninformation vermittelt. Mit den Experimenten erhalten Schülerinnen und Schüler Einblicke in die Grundlagenforschung, da dort die gleichen Methoden und Geräte eingesetzt werden. Der didaktische Ansatz, um die quantenphysikalischen Grundlagen über das Experiment zu vermitteln, ist eine Kombination aus Internetauftritt (QuantumLab-Homepage, siehe Internetadresse) mit interaktiven quantenoptischen Bildschirmexperimenten, einem Schülerlabor mit Realexperimenten und einem Unterrichtskonzept. Der neue Zugang zur Quantenphysik wird in enger Kooperation mit dem Max-Planck Institut zur Physik des Lichts in Erlangen entwickelt. Das Unterrichtskonzept "Quantenphysik mit einzelnen Photonen" wird mittlerweile an mehreren Gymnasien in der Sekundarstufe I und II unterrichtet. Das Konzept umfasst drei Teile, die nahezu unabhängig voneinander durchgeführt werden können: Teil 1 Unterrichtseinheit Teil 2 Projektarbeit zur Quantenkryptographie Teil 3 Besuch des Schülerlabors an der Universität Erlangen-Nürnberg Bei der Unterrichtseinheit wurde viel Wert auf qualitative Wissensvermittlung und schüleraktivierende Methoden gelegt. Detaillierte Informationen und Materialien sind der QuantumLab-Homepage zu entnehmen. Zur Einführung in das neue Gebiet für Lehrerinnen und Lehrer werden Fortbildungen kostenfrei angeboten. Die aufwändigen und teuren Experimente sollen auch ohne das Realexperiment zur Ausbildung eingesetzt werden können. Als Methode wurden quantenoptische interaktive Bildschirmexperimente entwickelt (Abb. 1). Grundlage jedes interaktiven Experiments ist der reale Versuchsaufbau, der in verschiedenen Perspektiven und Einstellungen fotografiert wurde. Der Benutzer kann am Computer zum Beispiel den Laser an- und ausschalten oder die Stellung von Polarisatoren mit der Computermaus verändern. Die angezeigten Messergebnisse zur jeweiligen Einstellung stammen aus dem eigentlichen Experiment und werden nicht berechnet. Das interaktive Experiment ist somit keine Simulation. Die experimentellen Daten können getrennt vom interaktiven Experiment heruntergeladen und separat ausgewertet werden. Für Echtzeitdaten ist es möglich, das IBE direkt mit dem Laborserver und damit mit dem Realexperiment zu verbinden.

  • Astronomie  / Physik
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II