Die kleine Welt sichtbar machen(Teilchenphysik – Quantenphysik)

Lernszenario

Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

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Die kleine Welt sichtbar machen(Teilchenphysik – Quantenphysik)

Lernszenario

Einleitung Kurzbeschreibung:• SchülerInnen erkennen, dass auch mit unseren Sinnen nicht erfassbares,

sichtbar gemacht werden kann• Simulationen und Plausibilitätsbeispiele vertiefen das Verständnis• SchülerInnen können durch einen Versuch selbst die Erfahrung machen, dass

die unsichtbare Welt sichtbar gemacht werden kann• SchülerInnen lernen über Teilchen mit Hilfe von interaktiven Simulationen und

Videos

Alter der SchülerInnen: 16- 17

Lernbereiche: Schule

Zeitlicher Aufwand: 2 - 4 Stunden, wenn man nur das Experiment und die unmittelbaren Folgerungen in Betracht zieht

Lehrplanbezug: moderne Physik, Teilchenphysik, Quantenphysik

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pre visit phase 1 - Wecken der Neugier: Durchführung eines Gedankenexperimentes

• Du bist in einer Höhle, du hast keine Taschenlampe, jede Nacht wird dir ein Stück Brot gestohlen; wie kannst du den Täter ausfindig machen.

• Nach einiger Diskussion, stellt sich heraus, dass man Hilfsmittel benötigt.

• Bewusst machen: warum brauche ich Hilfsmittel?

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pre visit phase 1 - Verknüpfung zur Physik finden:Auf bestehendes Wissen zurückgreifen

Was kann ich ohne Hilfsmittel sehen?Sehen ohne Hilfsmittel kann ich Licht im sichtbaren Bereich von 440nm – 800nm und Größen bis ca. 0,1mm. wie weit hilft ein MikroskopLichtmikroskop: bis 10-6 mTransmissionselektronenmikroskop: bis 10-9 mRastertunnelmikroskop: bis 10-10 m

Siehe auch: www.educ.ethz.ch/unt/um/phy/mp/quantenmechanik/index

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pre visit Phase 2 - AktivesLösungsvorschläge erarbeiten und Verknüpfung mit dem Gedankenexperiment herstellen

Was kommt danach - für kleinere Teilchen?Gibt es in der Physik ähnliches wie unsere Spuren im Sand?

Was kennen wir: elektrischen Strom, magnetischen Eigenschaften, Wasser und die Aggregatzustände von Wasser oder irgend ein anderes chemisches Element oder eine chemische Verbindung?

Welche Teilchen wollen wir sichtbar machen?

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pre visit Phase 2 - AktivesLösungsvorschläge erarbeiten und Verknüpfung mit dem Gedankenexperiment

herstellenDurch gezieltes Hinführen sollen 3 Fragen aufgeworfen werden:• Frage 1: welche Eigenschaften haben die kleinen Teilchen• Frage 2: kann man diese Eigenschaften nutzen um sie sichtbar zu machen• Frage 3: kann man ihre Wechselwirkung mit anderen Teilchen nutzen um sie sichtbar zu

machen?

Moderierte Internetrecherche kann eine Hilfe zur Lösungsfindung sein:http://education.web.cern.ch/education/Chapter2/Teaching/PP.htmlhttp://www.virtuelleschule.at/mobil/elementarteilchen/elementarteilchen.swfhttp://www.virtuelleschule.at/mobil/atlas/atlas.swf

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pre visit phase 2 - Aktives Forschenerste Lösungsansätze finden, was kennen wir

Geigerzähler kann Teilchen hörbar machen Film wird schwarz durch Röntgenstrahlen Haut verbrennt durch UV – Strahlen Erkenntnis: unsichtbare Teilchen können durch ihre Wirkungen sichtbar gemacht werden.Teilchendetektoren können Teilchen sichtbar machen und „messen“

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Visit Phase 3 - Experimentieren

Nebelkammerworkshop beim CERN Nebelkammer selbst zusammenbauen Beobachten der Teilchen beim Durchqueren

der Nebelkammer

Siehe auch: http://teachers.web.cern.ch/teachers/document/cloud-final.pdfSlide show

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Visit Phase 3 – TeachingDiskussion – Ergebnis

Ergebnis Wir haben unterschiedliche Spuren gesehen Wir schließen daraus, dass die unterschiedlichen Spuren von

unterschiedlichen Teilchen stammen

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Post visit Phase 4 – TeachingDiskussion, Erklärungen finden

Prinzip der Nebelkammer: die Nebelkammer ist gesättigt mit Alkoholdampf auch in Bodennähe, wo es eigentlich zu kalt für den Alkoholdampf ist. Ein einfallendes Teilchen ionisiert das Gas und die Ionen sind die Kondensationskeime, es bilden sich Flüssigkeitstropfen, die wir als Spuren sehen.

Da die Wechselwirkungen der verschiedenen Teilchen mit den Alkoholmolekülen unterschiedlich sind, erzeugen sie auch unterschiedliche Spuren.

Damit ich überhaupt etwas sehen kann, müssen die Teilchen mit dem Alkohol in Wechselwirkung treten.

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Post visit Phase 4 – TeachingDiskussion, Erklärungen finden

Wiederholung des Versuches zu Hause mit einer Beta-Quelle und einer AlphaquelleUm herauszufinden welche Spuren unterschiedliche Teilchen hinterlassen, haben wir die Nebelkammer in der Schule gebaut und einen Betastrahler und einen Alphastrahler benutzt.

Das Ergebnis: Alphateilchen erzeugen kürzere dicke Spuren Betateilchen erzeugen längere dünnere Spuren

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Phase 5 – TeachingDiskussion, Erklärungen und weitere Anwendungen finden

Das Prinzip der Nebelkammer verallgemeinern Informationen zum Geigerzähler im Internet finden

www.leifiphysik.de/web_ph12/versuche/11gmz/animation.htm Information zu Atlas, über den wir bei unserem Besuch beim Cern auch viel

gehört haben, finden.twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/ApprovedPlotsATLASDetectoratlas.ch

Das Prinzip von Teilchendetektoren verstehenTeilchendetektoren dienen zum Nachweis von Teilchen und nutzen die Eigenschaften der Teilchen und deren Wechselwirkung mit den Materialien der Detektoren: Das Ionisationsvermögen der Teilchen, um sie sichtbar zu machen, um sie zu

zählen, um die Energie zu bestimmen Die elektromagnetische Wechselwirkung Die Erzeugung von Lichtquanten

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LernszenarioPhase 5 – TeachingDiskussion, Anwendungen im Alltag finden

Verschiedene Detektoren Nebel- und Blasenkammer Gasgefüllte Detektoren Halbleiterdetektoren Szintillationszähler Kalorimeter

Alltägliches Geiger Müller Zählrohr: ist ein Detektor, der das Ionisationsvermögen der

radioaktiven Strahlung nutzt, gemessen wird der Ionenstrom, der einen Spannungsimpuls auslöst, der gezählt wird. Bei richtiger Eichung kann die Zahl der Teilchen abgelesen werden.

Röntgenbild: ist ein „Detektor“, der die Eigenschaft von Röntgenstrahlen nutzt, dass sie einen Film schwärzen. Das machen auch andere Strahlen. Dies nutzt man auch in der Personenüberwachung bei den Filmdosimetern.

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Post Visit Phase6 – Diskussion und Analyse

Ideen sammeln und präsentieren Wichtig für mich: Nachweis von radioaktiven Strahlen Teilchenphysik – LHC wird verständlicher Quantenphysik – Quantenkryptografie, Quantencomputer

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Die kleine Welt sichtbar machen(Teilchenphysik – Quantenphysik)

Lernszenario

Dieses Experiment kann verwendet werden in Verbindung mit folgenden bereits existierenden LernmodulenMobile cern und mobile cosmoshttp://www.learningwithatlas-portal.eu/dehttp://www.virtuelleschule.at/mobil/atlas/atlas.swfhttp://www.virtuelleschule.at/mobil/cern_cosmos/cern.swf

Dunkle Materienhttp://www.virtuelleschule.at/materialien/dunkle_materie/Lernpfad_dunkle_materie.pdf