Einführung in die Quantenmechanik: Werner Heisenberg

Introduction to Quantum Mechanics: Werner Heisenberg

  • Physik
  • Sekundarstufe I/Sekundarstufe II
  • 2 Unterrichtsstunden
  • Video, Arbeitsblatt, Didaktik/Methodik, Ablaufplan
  • 7 Arbeitsmaterialien

In dieser Unterrichtseinheit zur Quantenmechanik wird anhand einer Auseinandersetzung mit dem Leben und Wirken des Physikers und Nobelpreisträgers Werner Heisenberg die Quantenmechanik auf einfache und auf das reale Leben abbildbare Weise eingeführt.

BESCHREIBUNG DER UNTERRICHTSEINHEIT

In dieser Unterrichtseinheit zur Quantenmechanik werden die Schülerinnen und Schüler in mehreren Lernrunden zunächst über das Leben und Wirken von Werner Heisenberg anhand eines Videos informiert. Sein Leben bildet dabei eine Allegorie zu seiner Unschärferelation, welche im weiteren Verlauf durch das Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“ und anschließenden Messreihen an geometrischen Formen eingeleitet wird.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial-/Aktionsform

Einstieg

Als Einstieg wird ein Auszug aus der Biographie „Werner Heisenberg – ein Wanderer zwischen den Welten“ vorgelesen. Dieser regt zu einer kurzen Diskussion über Kopf und Herz beziehungsweise Musik und Mathematik an.

Plenum

10 Minuten

Erarbeitungsphase I

Die Lernenden informieren sich über Gegensätze im Leben von Werner Heisenberg mithilfe eines Erklärvideos zu seinem Leben. Sie versuchen, die Gegensätze zuzuordnen. (Arbeitsblatt 1)

Partnerarbeit

25 Minuten

Sicherungsphase I

Die Arbeitsergebnisse von Arbeitsblatt 1 werden in der Gruppe vorgestellt und diskutiert. Dies leitet über zum Unterschied zwischen der klassischen Physik und der Quantenphysik.

Gruppenarbeit

10 Minuten

Erarbeitungsphase II

Die Lernenden befassen sich mit dem Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“, um den Unterschied zwischen Messen und Besitzen von Eigenschaften herauszustellen. Im Weiteren experimentieren die Lernenden durch Messen an geometrischen Formen, was zur Hinführung auf die Heisenbergsche Unschärferelation dient. (Arbeitsblatt 2)

Einzelarbeit, (Internet-)Recherche, Partnerarbeit

20 Minuten

Sicherungsphase II

Die Gruppen stellen ihre Arbeitsergebnisse vor und die Lehrkraft bringt diese mit der Heisenbergschen Unschärferelation überein. Es bleibt die Fragestellung, ob die Unschärferelation eine Allegorie zum Leben von Werner Heisenberg ist, was mit „Ja“ beantwortet werden kann.

Gruppenarbeit, Diskussion

15 Minuten

Vertiefung / Überleitung

Als Vertiefung kann auf die Orts- und Impulsbestimmung eingegangen werden, was auf einen Versuch zum Doppelstrahl als Einführung in die Quantenmechanik überleitet.

Plenum

10 Minuten

Ausblick

In den folgenden Unterrichtsstunden ist es möglich, anhand eines Versuchs oder einer Simulation (siehe Links) die Inferenz am Doppelspalt zu erläutern. Somit kann das Thema Quantenmechanik weiter ausgeführt werden.

Experiment / Simulation

Minuten

Didaktisch-methodischer Kommentar

Die Themen Quantenmechanik und Werner Heisenberg im Unterricht

Diese Unterrichtseinheit zum Leben und Werk von Werner Heisenberg kann als Einstieg in die Quantenmechanik genutzt werden. Vor allem durch die Diversität seines Lebens lässt sich eine Allegorie zur Unschärferelation bilden; dies erlaubt einen sowohl historischen als auch praktischen Einstieg in das Thema. Die Thematik der Heisenbergschen Unschärferelation ist in den Rahmenlehrplänen im Bereich der Quantenphysik verankert.

Vorkenntnisse

Aufseiten der Lernenden werden keine speziellen Vorkenntnisse vorausgesetzt. Die Lehrkraft hingegen sollte mit dem Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“, mit dem Heisenbergschen Unschärferelation sowie mit den grundlegenden Aspekten der Quantenmechanik vertraut sein, auf die im Erklärvideo eingegangen wird. Diesbezüglich sollte sie zudem mit den Begriffen „Präparation“ und „Messen“ vertraut sein.

Didaktische Analyse

Mit dieser Unterrichtseinheit zur Einführung in die Quantenmechanik wird eine Allegorie zwischen dem Leben und Wirken des Physikers und Nobelpreisträgers Werner Heisenberg verdeutlicht, was einen lebensnahen Aspekt mit der Theorie der Unschärferelation in Bezug setzt. An praktischen Beispielen lernen die Schülerinnen und Schüler Grundbegriffe der Quantenmechanik kennen. Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Aussagen und die Konsequenzen der Heisenbergschen Unschärferelation (Ort – Impuls, Energie – Zeit).

Methodische Analyse

Durch die methodische Aufbereitung der Unterrichtssequenz wird eine hohe Schüleraktivität erreicht. Der Einstieg wie auch das Erklärvideo als Medium sollen das Interesse und die Diskussionsbereitschaft der Lernenden schon zu Beginn der Sequenz wecken. Schwierige Arbeitsaufträge werden durch Partnerarbeiten und Experimente methodisch aufgefangen.

Unterrichtsmaterial

Unterrichtsmaterial zum Download

Mithilfe dieses Arbeitsblattes wird der Einstieg in die Quantenmechanik gegeben. Die Entwicklung zugrundeliegender Theorien lassen sich durch die Allegorie zum gegensätzlichen Leben des Werner Heisenberg erklären.

In diesem Arbeitsblatt zur Einführung in die Quantenmechanik lernen die Schülerinnen und Schüler das Leben von Werner Heisenberg und die vielen Gegensätze kennen, die sein Wirken ausgemacht haben. Die Aufgabe wird durch das angegebene Erklärvideo ergänzt.

In diesem Arbeitsblatt zu Werner Heisenberg wird zunächst auf das Messen und Besitzen von Eigenschaften anhand des Gedankenexperiments von „Schrödingers Katze“ eingegangen. Anschließend wird die Heisenbergsche Unschärferelation durch Messreihen an geometrischen Formen eingeleitet.

Teaching Guides for Download

Mithilfe dieses Worksheets wird der Einstieg in die Quantenmechanik gegeben. Die Entwicklung zugrundeliegender Theorien lassen sich durch die Allegorie zum gegensätzlichen Leben des Werner Heisenberg erklären. Hier können Sie das Arbeitsblatt auf Englisch herunterladen.

In diesem Worksheets zur Einführung in die Quantenmechanik lernen die Schülerinnen und Schüler das Leben von Werner Heisenberg und die vielen Gegensätze kennen, die sein Wirken ausgemacht haben. Die Aufgabe wird durch das angegebene Erklärvideo ergänzt. Hier können Sie das Arbeitsblatt auf Englisch herunterladen.

In diesem Worksheets zu Werner Heisenberg wird zunächst auf das Messen und Besitzen von Eigenschaften anhand des Gedankenexperiments von „Schrödingers Katze“ eingegangen. Anschließend wird die Heisenbergsche Unschärferelation durch Messreihen an geometrischen Formen eingeleitet. Hier können Sie das Arbeitsblatt auf Englisch herunterladen.

Externe Links

Hier finden Sie eine Simulation zum Doppelspalt-Experiment.

Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • können das Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“ erläutern.
  • kennen zentrale Aspekte aus dem Leben und Wirken des Physikers und Nobelpreisträgers Werner Heisenberg.
  • können die Begriffe „Messen“ und „Präparation“ erläutern und richtig anwenden.
  • erkennen eine Allegorie zwischen dem Leben von Werner Heisenberg und seiner Unschärferelation. 

Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler 

  • können den Informationsgehalt eines Erklärvideos erfassen, strukturiert und aufgabenbezogen wiedergeben und anwenden.
  • recherchieren Hintergrundinformationen im Internet.
  • spielen Videoclips sequentiell ab.

Sozialkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • arbeiten konstruktiv im Team zusamen.
  • setzen sich mit dem Arbeitsergebnissen anderer Gruppen konstruktiv auseinander.
  • entwickeln Fachwissen zu aktueller Technik, welche auf die physikalischen Grundkenntnisse abgebildet werden kann, und können dieses auch gegenüber anderen erläutern.

 

Werner Heisenberg (DE) (2015) - Werner Heisenberg gilt als einer der wichtigsten Begründer der Quantenmechanik.

For him the smallest particles were the greatest: Werner Heisenberg, one of the founders of quantum mechanics. Few physics Nobel Prize winners forged such intense links with the Lindau Meetings. He came here to Lake Constance 15 times. The exchange with his peers and young scientists was a reason to keep coming. But who was this man, a genius and controversial figure, who decisively influenced the course of physics in the 20th century? Werner Karl Heisenberg was born on 5 December 1901 to Dr. August Heisenberg and Annie Wecklein in Würzburg. When he was eight years old the family moved to Munich. There his mathematical talent soon became apparent. He was also gifted musically. Playing the piano would become a lifelong passion. After completing school as a brilliant pupil, Heisenberg enrolled at the University of Munich where he studied theoretical physics under Arnold Sommerfeld, a pioneer of atomic theory. From the start Heisenberg was fascinated by questions of philosophical scope. Sommerfeld recognized the talent of his student and arranged for him to meet Niels Bohr. The encounter was a decisive event for the young Heisenberg and marked the start of his scientific development. After three years of study Heisenberg submitted an outstanding doctoral thesis which however due to differences with the experimental physicist Wilhelm Wien only received a passing grade. That setback did not however harm Heisenberg’s career and he became assistant to Max Born at the University of Göttingen receiving his “habilitation” a year later. In 1925 he made his most significant contribution to physics, the mathematical foundations of quantum mechanics. His view was that in measuring a system we impact it, that humans are the co-creators of their own reality. It was a completely new way of looking at things and a theoretical breakthrough in atomic physics. Expanding his idea together with Max Born and Pascual Jordan he produced the first mathematical formulation of quantum-mechanical phenomena. The tireless work and many discussions on the new theory led him in 1927 to what is now called the Heisenberg uncertainty principle, still one of the most important rules of quantum mechanics. This new understanding of the world of the smallest particles continues to be of immense importance in physics. But this period of upheaval was a difficult one. Quantum mechanics is the most successful of all the frameworks that we have discovered to describe physical reality. It works, it makes sense and it is hard to modify. Some of the boldest pioneers of quantum mechanics notably Einstein, resisted the replacement of classical determinism with a theory that can often only make probabilistic predictions. And even harder to get used to was the idea that in quantum mechanics one can describe a system in many incompatible different ways. There is no unique exhaustive description. Even a pioneer of quantum physics like Albert Einstein had his problems with the concepts, especially with the philosophical consequences. He is often quoted as saying: “I am convinced that God does not throw dice.” At the age of 26 Heisenberg was a star in the physics firmament and was appointed professor of theoretical physics at Leipzig University. He was at the high point of his career. In 1932 he received the Nobel Prize for his work in creating quantum mechanics. Soon after he met his wife Elisabeth Schumacher with whom he would go on to have seven children. But this was also a dark time. When the Nazis came to power, many scientists left Germany. Werner Heisenberg stayed –an ambiguous situation. On the one hand he was criticized for working for the Nazis. On the other hand he also met with hostility in Germany; his work was attacked as ‘Jewish physics’. Heisenberg felt isolated, both academically and socially. The discovery of nuclear fission suddenly made modern physics interesting to the Nazis. Werner Heisenberg and other scientists were drafted into the so-called “uranium project”. Heisenberg’s research was important to the war effort and he soon became a leading figure in the war-time fission research. Germany did not succeed in building an atomic bomb during the war. Did Heisenberg actively delay the development of a nuclear weapon or did he lack the scientific competence? Were technical problems the crucial stumbling-block or financial cuts on the part of the German army command? Heisenberg’s role is still disputed today. After the war and one year of internment in England, Heisenberg put much time and energy into rebuilding the scientific landscape in West Germany, both in the field of physics and in reestablishing international contacts. Those were interests that linked him with the ideas of the Lindau Nobel Laureate Meetings. In his own scientific work beginning in the 1950s Heisenberg focused on the search for a unified quantum theory of physics, sometimes called the World Formula, but this proved to be a scientific dead end. His institutional and public activities grew in importance. He supported nuclear research for civilian purposes but strongly opposed its military use. He underscored that view in Lindau, where he signed the Mainau Declaration in 1955. In a time overshadowed by the Cold War and the threat of nuclear warfare the Nobel laureates took a clear position: On July 15, 1955 18 Nobel Prize winners signed the declaration, among them Max Born, Werner Heisenberg and Otto Hahn. Within a year they were joined by 34 more Nobel Prize winners. Heisenberg and other scientists also used the stage in Lindau for other discussions. The meetings were ideal for the planning of large international projects. There is one feature that marked the Lindau dialogue from the start. Its orientation towards the future. Lindau has been an ideal forum to raise new ideas. Here for example Werner Heisenberg initiated the process leading to the establishment of CERN. In Lindau visions of the future in science and research have always been discussed Heisenberg not only acted behind the scenes but also enjoyed giving lectures about future international projects. On 1 February 1976, three years after his last visit to Lake Constance, Werner Heisenberg died of cancer at the age of 74. The beauty of nature, as revealed to Heisenberg in the mathematical world of the smallest particles, fascinated him all his life. The principles of the quantum mechanics he founded continue to fascinate us today.

Werner Heisenberg (DE) (2015): Werner Heisenberg gilt als einer der wichtigsten Begründer der Quantenmechanik.