11. – 13. Schuljahr

Cool Physics

Lernstationen für die Sekundarstufe II zu verschiedenen Methoden der Kühlung

„Wärme erhält man leichter als Kälte. Ein Feuer kann entzündet und aufrecht erhalten werden. Der Kälte muss man nachlaufen, auf die Höhen der Berge, in Erdhöhlen, tiefen Kellern, oder man muss auf sie warten, bis sie da ist, auch dann lässt sie sich nicht halten. [1]
Wärme erhält man nicht nur leichter als Kälte, wie schon Francis Bacon im 17. Jahrhundert feststellte als Lebensmittelkühlung zur Verlängerung der Haltbarkeit noch keine Selbstverständlichkeit und Speiseeis oder Klimaanlagen fast unvorstellbar waren. Wärme versteht man auch leichter als Kälte: Wenn ich mechanische Arbeit verrichte und einen Generator antreibe, an den ein Lastwiderstand angeschlossen ist, dann erzeuge ich Wärme. Das solchen Umwandlungsketten zugrundeliegende Prinzip der Energieerhaltung zu verstehen, ist ein zentrales Lernziel des Physikunterrichts. Ganz anders sieht es beim Mysterium der Kühlung aus: Obwohl Kühlung im Alltag allgegenwärtig ist, bleiben die physikalischen Grundlagen oft unverstanden.
Der Kontext der Kühlung liefert nicht nur einen motivierenden Alltagsbezug 1), sondern führt auch direkt hin zu aktuellen Forschungsthemen (s.u. und Kasten 4
Laserkühlung
Laserkühlung
Der Begriff der Laserkühlung erscheint zunächst widersprüchlich, transportiert Licht doch Energie. Der entscheidende Unterschied zu den üblichen Anwendungen, bei denen Laser zum Erhitzen genutzt werden, liegt darin, dass bei der Laserkühlung zwar zunächst ein Photon absorbiert, im darauffolgenden Schritt jedoch ein Photon mit größerer Energie reemittiert wird. Einem Gas wird so kinetische Energie entzogen.
Zur Kühlung liegt die Frequenz des Lasers geringfügig unter dem Wert, der zur Anregung ruhender Gasatome nötig ist. Nur wenn sich ein Atom auf den Laser zubewegt, kann es aufgrund des Dopplereffekts ein Photon absorbieren. Bei der Rückkehr in den Grundzustand wird ein Photon in eine beliebige Richtung emittiert. Durch Absorption oder Emission eines Photons ändert sich wegen der Impulserhaltung die Geschwindigkeit des Atoms. Nach ausreichend vielen Vorgängen hebt sich der mittlere Impulsübertrag durch die Emissionen auf, weil alle Emissionsrichtungen gleich wahrscheinlich sind; die Impulsüberträge durch die Absorption sind jedoch immer gleich gerichtet und sorgen so für eine Abbremsung des Atoms. Setzt man in jeder Raumrichtung zwei entgegengesetzt ausgerichtete Laser ein, so wird das Atom in beliebiger Bewegungsrichtung verlangsamt ([8], S. 9).
Ziel dieser Station ist, Basiswissen aus der Quantenphysik zu erarbeiten und aufbauend darauf ein im Vergleich zu den bisher vorgestellten Methoden grundsätzlich anderes Konzept der Kühlung verstehen. Vertieft wird dabei das Verständnis der Temperatur eines Gases im Teilchenmodell.
Experimentieren in einer Simulation
Einerseits eignet sich die Laserkühlung nicht für Schülerexperimente; andererseits ist gerade bei dieser Thematik, bei der viele konzeptionell neue Inhalte auftauchen, ein handelnder Zugang wichtig. Daher bietet es sich an, die Schülerinnen und Schüler das Prinzip der Laserkühlung mit einem Simulationsprogramm selbst ausprobieren zu lassen.
Damit jedoch die Kühlung in der Simulation nicht lediglich durch Ausprobieren „zufällig erreicht, sondern auch verstanden wird, werden die Grundlagen zuvor selbstständig mithilfe einer Präsentation erarbeitet, an deren Ende ein Selbsttest steht. Die Simulation wird erst gestartet, nachdem dieser Selbsttest erfolgreich bestandenem wurde und dient dann zur Visualisierung, zum Ausprobieren und damit zur Sicherung des Gelernten.
Bei der Erstellung der Powerpoint-Präsentation wurde auf Mathodenvielfalt Wert gelegt. Mit der Präsentation wiederholt die Kleingruppe den optischen Dopplereekt und den Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchenbewegung; außerdem erarbeitet sie die Grundlagen des Lichtquantenmodells und eines Atommodells mit diskreten...

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