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Veröffentlichungen, Tagungsbeiträge
Lehrerfortbildung, Schule und Universität
Aktuelle Forschung - Impulse
für zeitgemäßen Unterricht
Die
Fakultät für Physik und Astronomie der
Universität Würzburg und die Bezirksfachgruppe
M/Ph in Unterfranken richteten am Donnerstag, 6.4.2000 eine
ganztägige Fortbildungsveranstaltung an der
Universität Würzburg aus. Dabei verstanden es die
Referenten in didaktisch hervorragend aufbereiteten
Vorträgen, schwierige Themen verständlich zu
präsentieren und deren Relevanz und Umsetzung in einem
zeitgemäßen Physikunterricht
aufzuzeigen.
Vorträge:
Prof. Dr. W.
Kinzel
Eröffnung der Tagung und Vortrag zum Thema: Physik
2000
Zusammenfassung
des Vortrags
Prof. Dr. J.
Fricke
Energietechnik, ein lohnendes Arbeitsgebiet für
Physiker: Energieeinsparung und Nutzung regenerativer
Energien.
Arbeitsgebiete
Prof.Dr.Fricke
Bayerisches
Zentrum für angewandte Energieforschung
Prof. Dr. L.
Molenkamp
Quantencomputer und Spin Injection
Vortragsfolien englisch (pdf-file,
2 MB)
Dipl.-Phys. B.
Kiefer
Femtochemie: Revolution durch Evolution
Die Femtochemie erforscht den Ablauf chemischer Reaktionen
auf der ultraschnellen Zeitskala weniger Femtosekunden, der
Zeitskala der Atombewegungen. Mit einer neuartigen,
selbstlernenden Methode speziell geformter
Femtosekunden-Laserpulse ist es seit kurzem möglich,
diese Abläufe auf molekularer Ebene gezielt zu steuern.
Dadurch wird es möglich, neue chemische Substanzen mit
erhöhter Effizienz unter gleichzeitiger Verringerung
unerwünschter Nebenprodukte herzustellen.
Vortragsübersicht mit Abbildungen (pdf-file,
610 kB)
Femto-Welt
- Steuerung chemischer Reaktionen mit
Femtosekunden-Laserpulsen
(JAVA-Applikation)
Dr.
E. Arrigoni
Hochtemperatur-Supraleitung: Strom ohne Widerstand und
schwebende Magneten
Nach dem Ohmschen Gesetz ist der Ladungstransport in einem
Metall immer von einem Widerstand begleitet, der zu
Energieverlusten führt. 1911 entdeckte Kamerlingh
Onnes, dass beim Abkühlen von Quecksilber unter 3 K
dieser Widerstand abrupt verschwand. Dieses Verhalten wurde
in der Folgezeit auch bei vielen anderen Metallen gefunden,
die dafür den Namen Supraleiter bekamen.
Für die Anwendung gestatten diese Supraleiter die
Realisierung verschiedener Apparate, die inzwischen als
selbstverständlich gelten. Im medizinischen Bereich
kann als Beispiel die Computer-Tomographie genannt werden,
die sehr starke Magnetfelder benötigt. Weitere
Anwendungen stellen Hochpräzisions-Messapparaturen,
sowie Schaltelemente im Bereich der Mikroelektronik dar.
Ein großer Nachteil für die technische Nutzung
der Supraleiter stellt die sehr niedrige Temperatur dar
(ungefähr 20 K), auf die diese Materialien
abgekühlt werden müssen. Dafür ist ein sehr
großer Aufwand zu betreiben, da als Kühlmittel
nur das teure Helium verwendet werden kann.
Ein bedeutender Durchbruch erfolgte Ende der 80er Jahre, als
eine Reihe von Verbindungen entdeckt wurde, die auch bei
höheren Temperaturen (bis 130 K, daher auch der Name
"Hochtemperatur-Supraleiter") Supraleitung aufweisen.
Dadurch kann die Kühlung nun durch den günstigeren
flüssigen Stickstoff durchgeführt werden.
Zusätzlich zur Supraleitung zeigen diese neuen
Materialien eine Reihe interessanter Eigenschaften. Die
wichtigste ist der Antiferromagnetismus, der
möglicherweise auch eine wichtige Rolle in der
Entstehung der Supraleitung spielt. In dieser Phase sind die
Elektronen auf den Kupferplätzen wie kleine Magnete
angeordnet, die aber abwechselnd in entgegengesetzte
Richtung zeigen.
Seit Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung werden auf
der ganzen Welt viele Experimente und Rechnungen mit dem
Ziel durchgeführt, eine umfassende Theorie zu
entwickeln, die die verschiedenen Eigenschaften dieser
Materialien erklären kann.
Die Arbeitsgruppe um Prof. W. Hanke gehört dabei zu den
internationalen Experten im Bereich der
Computer-Simulationen: Für verschiedene Modelle werden
die elektronischen Eigenschaften dieser Materialien getestet
und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Hier ergab
sich erstmals ein klarer numerischer Beleg für den
Zusammenhang zwischen Supraleitung und
Antiferromagnetismus.
Vortragsfolien (pdf-file,
1,4 MB)
Dr. J.
Küblbeck
Bildung einer Quantentheorie im Physikunterricht der
Oberstufe
In vielen Lehrplänen ist für die Physik des
20.Jahrhunderts nur wenig Raum vorgesehen, im Abitur findet
man kaum Aufgaben dazu. Wegen der überragenden
Bedeutung der Quantenphysik für fast alle Gebiete der
modernen Physik und für unser modernes Weltbild muss
die Quantenphysik über die dualistische Beschreibung
von einzelnen Experimenten deutlich hinausgehen. Dies
bedeutet die Grundprinzipien anhand eines einheitlichen
Modells deutlich werden zu lassen:
„Ganzheitlichkeit der Messung„
„Komplementaritätsprinzip„
„Existenz von Mischzuständen„
„Beschränkung auf
Wahrscheinlichkeitsaussagen„.
Dabei stellt sich die Frage: Wie kann das mit
Schulmathematik in knappem zeitlichen Rahmen unterrichtet
werden?
Folgende didaktische Mittel helfen:
1.Anstelle von komplexen Zahlen (oder gar Hilbertraum) wird
mit dem Zeigerformalismus nach Feynman und der Grundregel
der Quantenphysik gearbeitet.
2.Die Methode der (Theorie-)Modellbildung wird den
Schülern schon vorher vertraut gemacht und hier
explizit und pragmatisch angewandt.
3.Die Grundprinzipien der Quantenphysik können
besonders einfach anhand des Doppelspalt-Gedankenexperiments
mit und ohne Messung verdeutlicht werden.
Wegen 1. und 2. ist es für den hier dargestellten
Unterricht hilfreich, erstens den Zeigerformalismus schon
(bei Interferenz und Beugung von Licht) eingeführt zu
haben und zweitens mit den Schülern explizit
Theoriemodelle und ihre Bedeutung thematisiert zu haben.
Schulexperimente zur Beobachtung einzelner Quanten stehen
leider nicht zur Verfügung. Man kann aber für
kontinuierliches Licht einen Quantenradierer bauen, der mit
der im Unterricht gebildeten Quantentheorie beschrieben
werden kann.
Vortragsfolien (pdf-file,
330 kB)
Ergänzende Links:
Projekte zur Quantenphysik für Schulen (Didaktik an der
LMU-München):
Quantenmechanische Simulation des Doppelspalts (das im Vortrag verwendete Programm)Münchner Internetprojekt zur Lehrerfortbildung in Quantenmechanik
Führungen:
Ergänzend zu den Vorträgen wurden auch Führungen durch verschiedene Labors mit aktuellen Forschungsprojekten geboten. Die Themenvielfalt reichte von "Femtochemie: Revolution durch Evolution", "Rastertunnelmikroskopie - Atome sichtbar gemacht", "Oberflächenspektroskopie bei höchster Ortsauflösung", "Quantentransport in Nanostrukturen", "Messung magnetischer Hysteresekurven mit Hilfe des magnetooptischen Kerr-Effekts" und "Magnetische Kernresonanz in vivo " bis zur Besichtigung des europaweit einmaligen Mikrostrukturlabors zur Herstellung von Halbleiternanostrukturen und Halbleiterlasern.
Auf Wunsch vieler Teilnehmer wurde zusammen mit den Referenten eine Materialiensammlung mit Vortragszusammenfassungen und Folienvorlagen erstellt. Alle Teilnehmer der Tagung haben mittlerweile ein Materialienpaket mit einer CD-ROM mit den im Internet verfügbaren files (der Folien) und zusätzlichen gedruckten Materialien erhalten.
Die CD-ROM sowie
ausführliche Informationen zu Führungen in Labors
der Fakultät für Physik und Astronomie der
Universität Würzburg sind weiterhin für
Interessenten auf Anfrage verfügbar
(email:reusch@physik.uni-wuerzburg.de).
Die gedrucken Materialien zu den Vorträgen sind zum
Teil vergriffen.
Letzte
Änderung: 02/10/2000