Das zu Ende gehende 19. Jahrhundert und das beginnende 20. Jahrhundert waren für das Entstehen eines komplett neuen Teils der Physik ausschlaggebend – der Quantenphysik. Die Physik des Mikrokosmos, in dem es sowohl Wellen als auch Teilchen – mit fließenden Übergängen – geben sollte, wurde mit bis dahin völlig unvorstellbaren Thesen zum Leben erweckt. Innerhalb einer für die Physik kurzen Zeitspanne von wenigen Jahrzehnten konnten Physiker und Physikerinnen Gesetzmäßigkeiten herleiten, die unsere Welt mit den daraus entwickelten Technologien für immer verändern sollten.
Fotoeffekt und Lichtquantenhypothese als Einstieg in die Quantenphysik
Unterrichtseinheit
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Für den Einstieg in das Thema Quantenphysik werden in dieser Einheit die Schlagwörter Fotoeffekt und Lichtquantenhypothese in ihrem historischen Kontext eingeordnet. Mit in der Regel gut funktionierenden Versuchen wird dann der Fotoeffekt besprochen sowie die von Albert Einstein im Jahr 1905 aufgestellte Lichtquantenhypothese.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 3 Unterrichtsstunden
- Ablaufplan
- 2 Arbeitsmaterialien
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Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
In einem kurzen Statement stellt die Lehrkraft das Thema Quantenphysik vor. Diesem folgt eine historische Einordnung, gegebenenfalls auch in Form von Schülerreferaten.
20 Minuten -
Vorstellung und Beschreibung des Fotoeffektes
Anhand des Versuches von Hallwachs (Arbeitsblatt 1/1.) wird der Fotoeffekt dem Plenum vorgeführt und erläutert. Als Hausaufgabe sollen sich die Lernenden per Internetrecherche mit der Lichtquantenhypothese vertraut machen.
25 Minuten -
Vertiefung
Das Wichtigste zur Lichtquantenhypothese wird diskutiert, bevor eine genaue Auswertung des Fotoeffekts mittels Aufgabe 2 (Folie sowie Arbeitsblatt 1 und 2) oder durch Lehrerversuch durchgeführt wird.
30 Minuten -
Auswertung
Die Grafik zur Auswertung des Fotoeffektes für verschiedene Kathodenmaterialien (Abbildung 2 Arbeitsblatt 1) wird anhand der Fragen 2 a und 2 b besprochen. Die Bedeutung der Geradensteigung (Planck´sches Wirkungsquantum) wird erläutert. Hausaufgabe wird Übungsaufgabe 3 a Arbeitsblatt 1.
15 Minuten -
Besprechung der Hausaufgabe
Die von den Schülerinnen und Schülern zu erstellende Zeichnung wird verglichen (Arbeitsblatt 1 und 2). Grenzfrequenz und Ablösearbeit werden definiert und erläutert.
10 Minuten -
Festigung des Gelernten
Die Teilaufgaben 3 a...d (Arbeitsblatt 1) sollen von den Schülerinnen und Schülern bearbeitet werden, bevor die Lösungen genau besprochen werden (Arbeitsblatt 2).
35 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Fotoeffekt und Lichtquantenhypothese als Einstieg in die Quantenphysik
Der Einstieg in die Quantenphysik über den Fotoeffekt ist eine bewährte Methode, um bei Schülerinnen und Schülern das Interesse für eine völlig neue Vorstellung von Physik zu wecken. Am besten ist es natürlich, den Fotoeffekt in mehreren Versuchen einzuführen und dann auch an einem genauen Beispiel auszuwerten anhand der abzuleitenden Gesetzmäßigkeiten.
Für den Unterricht sollten Lehrkräfte gut präpariert sein, da es sich um ein schwieriges Thema handelt, das bei kritischen Fragen nur bei guter Sachkompetenz schülergerecht dargestellt werden kann.
Vorkenntnisse
Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können kaum vorausgesetzt werden, weil vermutlich die wenigsten Schülerinnen und Schüler die vielen technischen Geräte aus ihrem Alltag (Smartphones, PC, Scanner, Laser) mit der Quantenphysik in Verbindung bringen werden.
Didaktische Analyse
Die Besprechung des schwierigen Themas Quantenphysik im Unterricht der gymnasialen Oberstufe kann aber auch durchaus dazu führen, dass sich Schülerinnen und Schüler verstärkt dem Thema zuwenden, weil sie besser verstehen wollen, wie Dinge aus ihrem täglichen Leben eigentlich funktionieren.
Das Thema Quantenphysik könnte bei Lernenden also durchaus auf ein gewisses Interesse stoßen; allerdings wird die vertiefte Besprechung der zum Teil sehr schwierigen und komplex wirkenden Gleichungen in der Regel den Schülerinnen und Schülern vorbehalten sein, die auch über gute bis sehr gute mathematische Kenntnisse und Fähigkeiten verfügen.
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In diesem Arbeitsblatt werden Fotoeffekt und Lichtquantenhypothese zunächst historisch eingeordnet, bevor anhand des Fotoeffektes der Zugang zur Quantenphysik mit Beispielen und Aufgaben vorgestellt wird.
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In diesem Arbeitsblatt werden Fotoeffekt und Lichtquantenhypothese zunächst historisch eingeordnet, bevor anhand des Fotoeffektes der Zugang zur Quantenphysik mit Beispielen und Aufgaben vorgestellt wird.
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In diesem Arbeitsblatt werden die Fragen zum Fotoeffekt beantwortet und Lösungen für die Übungsaufgaben angegeben.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- wissen um die Bedeutung der Quantenphysik für die Technologie des 21. Jahrhunderts.
- wissen um die Vorstellungen der Quantenphysik zu einem Mikrokosmos, bei dem die Grenzen zwischen Wellen und Teilchen – im Gegensatz zur klassischen Physik – verschwimmen.
- können die Gleichungen zum Fotoeffekt anwenden und auswerten.
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 gewissen Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden diskutieren zu können.
Externe Links
- youtube.com
Unter diesem Link finden Sie Erklärungen und Beispiele zum Fotoeffekt und zur Lichtquantenhypothese.
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