Welle oder Teilchen? – Zusammenführung zweier scheinbar unvereinbarer Phänomene

Unterrichtseinheit

Im Alltag sind Wellen und Teilchen völlig verschiedene Phänomene: Teilchen sind zu einem definierten Zeitpunkt nur an einem bestimmten Ort zu finden, während Wellen sich überall ausbreiten. In der Physik hat es sich deshalb durchgesetzt, bei physikalischen Versuchen die Ergebnisse entweder im Wellen- oder Teilchenbild zu beschreiben. Das seltsame Verhalten von Quantenobjekten, weder ganz Welle noch ganz Teilchen zu sein, stellt ein Grundprinzip der Natur dar. Mithilfe von Beispielen und der Auswertung des Doppelspaltversuches wird die gedanklich nicht zu verstehende Diskrepanz den Schülerinnen und Schülern nähergebracht.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe II
  • 2 Unterrichtsstunden
  • Ablaufplan, Übung
  • 2 Arbeitsmaterialien

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Stellt man die Frage, ob Photonen oder Elektronen Wellen oder Teilchen sind, so kann diese Frage nicht beantwortet werden! Vielmehr handelt es sich bei ihnen um sogenannte Quantenobjekte, die sowohl Wellen als auch Teilcheneigenschaften aufweisen und abhängig von der Art der Beobachtung oder Messung unterschiedliche Eigenschaften zeigen. Man spricht in diesem Zusammenhang vom Welle-Teilchen-Dualismus.

Werden Teilchen beispielsweise im Doppelspaltexperiment beobachtet, entstehen hinter dem Doppelspalt die für Wellen typischen Interferenzmuster. Bei jeder Art von Messung kollabiert jedoch das Interferenzmuster – wie von Zauberhand gesteuert! Das Quantenobjekt verhält sich jetzt wie ein Teilchen.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial- / Aktionsform

Didaktisch-methodischer Kommentar

Quantenphysik: Welle-Teilchen-Dualismus

Den Lernenden wird bei diesem Thema sehr schnell klar werden, dass es sich bei der Quantenphysik um einen Bereich der Physik handelt, der sich als ein Naturgesetz darstellt, das sich dem direkten Verständnis entzieht. Gleichwohl beschreiben schwierige Formeln (auch in der Sek II allerdings nur sehr eingeschränkt nachvollziehbar und einsetzbar) das Verhalten von Wellen oder Teilchen sehr exakt, wenngleich es für das menschliche Vorstellungsvermögen kaum möglich ist nachzuvollziehen, dass Quantenobjekte scheinbar völlig widersprüchliche Aspekte von Wellen und Teilchen in sich vereinen sollen.   

Vorkenntnisse

Vorkenntnisse sind nur dahingehend vorhanden, dass sich aus der Überlagerung von Wellen (zum Beispiel Wasserwellen) Verstärkungen und Auslöschungen ergeben, ähnlich den Interferenzen von Lichtwellen.  

Didaktische Analyse

Der Welle-Teilchen-Dualismus eignet sich nach der Besprechung des Fotoeffektes sehr gut als weiterer Einstieg in das immer wichtiger werdende Thema Quantenphysik. Als Lehrkraft sollte man sehr darauf bedacht sein, dass man den Welle-Teilchen-Dualismus als Grundprinzip der Natur darstellt, das mit dem menschlichen Verstand nicht einfach mal so in Einklang gebracht werden kann, aber für die Beschreibung vieler quantenphysikalischer Phänomene die richtigen Formeln bereitstellt.  

Methodische Analyse

Bei der Vermittlung des Stoffes sollte man sich auf anschauliche Darstellungen oder Animationen sowie auf gut nachvollziehbare Grundversuche beschränken – gegebenenfalls kann auch das Internet seinen Beitrag mit entsprechenden Beispielen und Erklärungen helfen. Bei der Fragen- und Aufgabenstellung sollte man darauf achten, dass man den Schwierigkeitsgrad zunächst einfach und anschaulich hält.

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Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • wissen um die Bedeutung des Welle-Teilchen-Dualismus für die Erforschung der Quantenphysik.              
  • haben erkannt, dass das seltsame Verhalten von Quantenobjekten – weder ganz Welle noch ganz Teilchen – ein Grundprinzip der Natur ist. 
  • können den Welle-Teilchen-Dualismus anhand von "einfachen" Versuchen beschreiben und deuten.

Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet.
  • können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen.   

Sozialkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team.
  • setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. 
  • erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Autor

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Wolfgang Vogg

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