© Horst Hübel Würzburg
2005 - 2014
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Fragen zur Beurteilung von didaktischen Konzepten der Quantenphysik |
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Von unterschiedlichen Autoren wurden unterschiedliche didaktische Konzepte zur Quantenphysik an der Schule entwickelt. Versuchsweise können sie in mehrere Gruppen eingeteilt werden: "Modellphilosophien", "modifizierende", ausgehend von klassischen Erwartungen, die dann getäuscht werden, historische Zugänge, experimentelle und axiomatische. Hier werden Fragen bzw. Kriterien zur Beurteilung solcher Konzepte vorgeschlagen.
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1. Was ist mit "Wellen" gemeint?
a) unspezifiziert: Ursache für Interferenz
b) (1) klassische elektromagnetische Wellen (sie breiten sich im 3-dimensionalen Anschauungsraum aus) /
(2) klassisches 3-dim. Schrödinger-Feld im Anschauungsraum (beschreibt die Physik bei Mehrteilchenzuständen nicht richtig)
c) (1) elektromagnetische Wellen (quantisiert als Operator-Feld (!) im 3-dimensionalen Anschauungsraum) /
(2) 3-dim. Schrödinger-Feld quantisiert als Operator-Feld (!) im Anschauungsraum
d) Lösungen der Teilchen-SG (Wellenfunktionen) / ( Es gibt keine Entsprechung bei Photonen )
e) Wellen im 3-dim. Anschauungsraum
f) Wellen in evtl. höherdimensionalen Konfigurationsräumen
g) Erwartungswerte der Feldoperatoren E und B, die sinusförmig von x und t abhängen
(1b2 stammt aus der Zeit vor der Etablierung der Quantentheorie (QT) und wäre nach der heutigen Quantentheorie falsch bzw. ungeeignet. Operator-Felder nach 1c verbieten sich in der Schule; die Aussage wäre aber korrekt.)
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2. Was ist mit "Welle-Teilchen-Dualismus" gemeint?
a) Elektronen und Photonen sind (!) zugleich Welle wie Teilchen
b) Elektronen und Photonen sind (!) zugleich (klassische) Welle wie (klassische) Teilchen
c) Elektronen und Photonen verhalten sich manchmal wie (klassische) Wellen, manchmal wie (klassische) Teilchen
d) Elektronen und Photonen verhalten sich manchmal wie (klassische) Teilchen, manchmal anders
e) für Elektronen und Photonen passt manchmal ein Wellenmodell, manchmal ein Teilchenmodell, jeweils mit klassischen Wellen bzw. klassischen Teilchen
f) Quantenteilchen (QT) werden als Teilchen nachgewiesen. Die Wahrscheinlichkeit für ein be-stimmtes Messergebnis wird durch Wellen (in welchem Raum?) bestimmt. Je nach Wahl des Raumes ist die Aussage richtig oder falsch.
f) QT sind abzählbare Quantenobjekte. Abweichungen vom Verhalten klassischer Teilchen ähneln manchmal dem von klassischen Wellen bzw. können durch Wellengleichungen erfasst werden.
(2a, 2b, 2c wären nach der QT sicher falsch.)
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3. Was sollte es heißen, wenn von einem Quantenobjekt (QO) behauptet wird, es "verhalte sich wie eine Welle" (Zitat)?
a) QO breitet sich wie eine Welle im Anschauungs-Raum aus (periodische Abhängigkeit von x und t)
b) QO zeigt Interferenz
c) QO hat im Anschauungsraum kontinuierliche Energieverteilung
d) QO ist wie die Welle an vielen Orten des Anschauungsraums gleichzeitig.
(außer evtl. 3b alles problematische Formulierungen; siehe 4c)
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4. Wenn anlässlich eines Doppelspalt-Versuchs betont wird, dass sich ein QO "beim Auftreffen auf einen Schirm als (klassisches) Teilchen verhält" (Zitat), wie verhält es sich dann sonst?
a) als Welle
b) als (nichtklassisches) Quantenteilchen
c) es "verhält sich" - streng genommen - überhaupt nicht. Eine wesentliche Rolle spielt die Fragestellung bzw. das Experiment.
(4c ist korrekt)
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5. Lässt sich das Konzept auf Mehrteilchen- oder gar Vielteilchen-Zustände übertragen?
( Diese können zwar in der Schule höchstens eine qualitative Rolle spielen. Für das Verständnis der seit den 30-er Jahren etablierten Quantentheorie sind sie jedoch wesentlich.)
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6. Vermeidet das Konzept den "Geburtsfehler der herkömmlichen Didaktik der Quantenphysik"?
Der "Geburtsfehler der herkömmlichen Didaktik der Quantenphysik" besteht darin, dass angenommen wird, bei den Wellenfunktionen handle es sich um Wellen im dreidimensionalen Anschauungsraum und nicht etwa - wie die QT lehrt - um Wellen in abstrakten Konfigurationsräumen.
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7. Grenzt sich das Konzept genügend klar von der "Modellphilosophie" ab? Wird den Schülern klargemacht, dass die so genannte "Modellphilosophie" nur eine Vorstufe zur Quantentheorie bzw. ihrer korrekten Deutung ist?
"Modellphilosophie": Verschiedene manchmal auch heute noch - qualitativ argumentierend - gebrauchte Konzepte aus der Zeit vor Etablierung der Quantentheorie (ab 1926, als die statistische Deutung schon bekannt war), nach dem Quantenobjekte je nach Experiment mehr mit einem Teilchen- oder einem Wellenmodell qualitativ beschrieben werden müssen/können. Unterstellt wird dabei implizit, dass zur Beschreibung klassische Teilchen oder Wellen im dreidimensionalen Anschauungsraum herangezogen werden, und dass dies der wesentliche Inhalt der Quantentheorie sei. Das Konzept versagt bereits bei Zweiteilchen-Zuständen, weil Schüler nur Wellen im Anschauungsraum kennen. Es ist wohl dennoch sinnvoll, dieses Konzept anzusprechen, weil populärwissenschaftlich und in manchen Schulbüchern so argumentiert wird.
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8. Macht das Konzept Wesensaussagen zu Quantenobjekten (QO), z.B. in dem Sinn, dass ein QO beim Durchtritt durch den Doppelspalt "Wellencharakter" habe, beim Nachweis "Teilchencharakter". Wenn ja, wird erkennbar, dass dies nicht wörtlich zu nehmen ist?
Wesensaussagen sind in der Quantenphysik wohl generell auszuschließen, da sich die Quantentheorie nicht zum "Wesen" oder dem "Charakter" von QO äußert, sondern nur dazu, "was wir über QO sagen können" (Zeilinger).
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© Horst Hübel, www.forphys.de/overview.html
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( November 2014 )