Die kleine Welt sichtbar machen (Teilchenphysik – Quantenphysik) Lernszenario

1. Die kleine Welt sichtbar machen(Teilchenphysik – Quantenphysik)Lernszenario Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

2. 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 • SchülerInnenkönnen 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 Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

3. Die kleine Welt sichtbar machen(Teilchenphysik – Quantenphysik)Lernszenario • previsitphase 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? Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

4. Die kleine Welt sichtbar machen(Teilchenphysik – Quantenphysik)Lernszenario previsitphase 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 Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

5. Die kleine Welt sichtbar machen(Teilchenphysik – Quantenphysik)Lernszenario previsit Phase 2 - Aktives Lösungsvorschläge 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, Wasserund die Aggregatzustände von Wasser oder irgend ein anderes chemisches Element oder eine chemische Verbindung? Welche Teilchen wollen wir sichtbar machen? Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

6. previsit Phase 2 - Aktives Lösungsvorschläge erarbeiten und Verknüpfung mit dem Gedankenexperiment herstellen • Durch 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.swf http://www.virtuelleschule.at/mobil/atlas/atlas.swf Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

7. previsitphase 2 - Aktives Forschen erste 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“ Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

8. VisitPhase 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.pdf Slide show Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

9. Visit Phase 3 – Teaching Diskussion – Ergebnis • Ergebnis • Wir haben unterschiedliche Spuren gesehen • Wir schließen daraus, dass die unterschiedlichen Spuren von unterschiedlichen Teilchen stammen Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

10. Post visit Phase 4 – Teaching Diskussion, 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. Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

11. Post visit Phase 4 – Teaching Diskussion, 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 Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

12. Phase 5 – Teaching Diskussion, Erklärungen und weitere Anwendungen finden • Das Prinzip der Nebelkammer verallgemeinern • Informationen zum Geigerzähler im Internet findenwww.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 Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

13. Phase 5 – Teaching Diskussion, 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. Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

14. Post Visit Phase6 – Diskussion und Analyse • Ideen sammeln und präsentieren • Wichtig für mich: Nachweis von radioaktiven Strahlen • Teilchenphysik – LHC wird verständlicher • Quantenphysik – Quantenkryptografie, Quantencomputer Herta Pichler BHAK Oberpullendorf

15. Dieses Experiment kann verwendet werden in Verbindung mit folgenden bereits existierenden Lernmodulen Mobile cern und mobile cosmos http://www.learningwithatlas-portal.eu/de http://www.virtuelleschule.at/mobil/atlas/atlas.swf http://www.virtuelleschule.at/mobil/cern_cosmos/cern.swf Dunkle Materien http://www.virtuelleschule.at/materialien/dunkle_materie/Lernpfad_dunkle_materie.pdf Herta Pichler BHAK Oberpullendorf