Θέματα Κβαντικής Μηχανικής για Μαθητές Λυκείου

Quantum Mechanics for High School Students (Αγγλική)

  1. MSc thesis
  2. Παπαγεωργίου, Ευάγγελος
  3. Μεταπτυχιακή Ειδίκευση Καθηγητών των Φυσικών Επιστημών (ΚΦΕ)
  4. 29 Σεπτεμβρίου 2019 [2019-09-29]
  5. Ελληνικά
  6. 116
  7. Κεχαγιάς, Αλέξανδρος
  8. Στεφανίδου, Κωνσταντίνα | Σκορδούλης, Κωνσταντίνος
  9. Κβαντομηχανική | Quantum Mechanics | Δυσκολίες | Difficulties | Δράσεις | Actions
  10. 14
  11. 55
  12. Περιέχει : πίνακες, εικόνες
    • Στις αρχές του 20ου αιώνα ένα από τα πιο σημαντικά και ενδιαφέροντα προβλήματα ήταν η εξήγηση των φαινομένων του μικρόκοσμου. Τα φαινόμενα αυτά παρουσίαζαν συμπεριφορές εντελώς διαφορετικές από αυτές που περιέγραφε η κλασική φυσική. Για την εξήγηση τους διατυπώθηκε η θεωρία της κβαντικής μηχανικής. Το πρώτο στάδιο διατύπωσης αυτής της θεωρίας ήταν η παλιά κβαντική θεωρία η οποία διατήρησε κάποιες από τις κλασικές ιδέες. Ταυτόχρονα όμως πρόσθεσε και νέες όπως ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός σύμφωνα με τον οποίο ένα σώμα έχει και σωματιδιακές, αλλά και κυματικές ιδιότητες οι οποίες ήταν εντελώς αντίθετες από τις κλασικές αντιλήψεις. Η νέα κβαντική θεωρία η οποία διατυπώθηκε το 1925 είναι μια πιθανοκρατική θεωρία. Ο ακρογωνιαίος λίθος της είναι η Αρχή της Απροσδιοριστίας και η φυσική πραγματικότητά της, λόγω φυσικών νόμων αδυναμίας της ταυτόχρονης μέτρησης των τιμών συγκεκριμένων ζευγών φυσικών μεγεθών. Η κλασική έννοια της τροχιάς αντικαθίσταται από την έννοια του τροχιακού και της πιθανότητας μέτρησης σε μια θέση ενός σωματιδίου. Εισάγονται καινούργιες θεμελιώδεις ιδιότητες των σωμάτων, χωρίς κλασικά ανάλογα, όπως το σπιν. Μεγέθη τα οποία στην κλασική φυσική μπορούσαν να πάρουν όλες τις τιμές, όπως η ενέργεια κβαντίζονται, δηλαδή παίρνουν πια συγκεκριμένες τιμές. Τέλος με τις κβαντικές θεωρίες πεδίου εξηγείται ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός, καθώς και οι συμπεριφορές πεδίων, όπως το ΗΜ που μέχρι τότε περιγράφονταν από την κλασική φυσική. Η Κβαντική Μηχανική, παρά τις σημαντικές εφαρμογές που έχει στη σημερινή τεχνολογία, βρίσκεται στο μεγαλύτερο μέρος εκτός των αναλυτικών προγραμμάτων της Β’θμιας Εκπαίδευσης. Τα τελευταία χρόνια έχει αρχίσει να εισάγεται στα προγράμματα αρκετών χωρών. Στην Ελλάδα, αν και στο αναλυτικό πρόγραμμα της Φυσικής της Γ Λυκείου προβλεπόταν η αναλυτική διδασκαλία της, τελικά τμήματα της διδάσκονται αποσπασματικά στην Β Λυκείου και στη Χημεία της Γ Λυκείου. Το γεγονός της ίδιας της φύσης της θεωρίας που έρχεται σε αντίθεση με όσα έχουν διδαχθεί οι μαθητές στην κλασική φυσική, αλλά και η αποσπασματικότητα της διδασκαλίας της, δημιουργεί πολλά προβλήματα στους μαθητές να αντιληφθούν τις νέες έννοιες. Η κατανόηση του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού, της Αρχής της Απροσδιοριστίας, της πιθανότητας μέτρησης διαφορετικών θέσεων του ηλεκτρονίου στην ίδια κατάσταση στο άτομο έρχονται σε πλήρη αντίθεση με τα όσα διδάχθηκαν μέχρι εκείνη τη στιγμή. Οι μαθητές και πολλές φορές οι εκπαιδευτικοί προσπαθούν με κλασικές εικόνες, οι οποίες τελικά επιτείνουν τη σύγχυση των μαθητών, να βοηθήσουν στην κατανόηση αυτών των εννοιών. Τα τελευταία χρόνια αναπτύχθηκε ένας σημαντικό αριθμός από προσομοιώσεις φυσικής που με τη χρήση του υπολογιστή αναπαριστούν τα φαινόμενα του μικρόκοσμου. Με τη βοήθεια αυτών των προσομοιώσεων, παρουσιάζουμε δράσεις, οι οποίες μπορούν να πραγματοποιηθούν μέσα στην τάξη ως εικονικά πειράματα, ώστε να βοηθηθούν οι μαθητές να κατανοήσουν τις δύσκολες έννοιες και τις για την καθημερινή ζωή παράξενες προβλέψεις της ΚΜ.
    • At the beginning of the 20th century one of the most important and interesting problems was the explanation of the phenomena at the atomic scale. These phenomena displayed behaviors quite different from those described by classical physics. The theory of quantum mechanics was formulated for their explanation. The first stage in formulating this theory was the old quantum theory that preserved some of the classic ideas. At the same time, however, it added new ones such as wave-particle dualism, according to which a body has both particle and wave properties, that were totally opposed to classical perceptions. The new quantum theory formulated in 1925 is a probabilistic theory. Its cornerstone is the Principle of Uncertainty. The physical reality is that the laws of nature forbid the simultaneously measurement of the values of specific pairs of physical sizes. The classical concept of trajectory is replaced by the concept of orbital and the probability of measuring the particle at a single location. New fundamental properties of bodies are introduced without classical counterparts such as spin. Physical properties that in classical physics could get all the values as the energy, are now quantized, that is, they now get eigenvalues from a specific set of values. Finally, quantum field theories explain waveform dualism as well as field behaviours such as the HM field, that until then were described by classical physics of waves. Quantum Mechanics, despite its major applications in today's technology, is largely outside the secondary school curricula. In recent years several countries introduced QM in their secondary school curricula. In Greece, although in the curriculum of the Physics of Lyceum the QM was included to be taught analytically, this never happened. Today it is taught fragmentarily in the 2nd grade of Lyceum and in the Chemistry of the 3rd Grade. The fact that the very nature of theory contradicts totally, what the students have been taught in classical physics, but also the fragmentation of QM teaching, creates many problems for the students. They study a too difficult to understand subject. Phenomena such as the wave-particle dualism, the Uncertainty Principle, the probability of measuring different positions (radii from the nucleus) of the electron, when it occupies the same state, are concepts that are in complete contrast to their classical knowledge. Students and teachers often try with classic pictures and models to understand these concepts. Unfortunately some of these models increase students' confusion as in the spin case. In recent years a significant number of physics simulations have been developed. Their task is to use a computer to image phenomena of the atomic scale outside of the laboratory. With the help of these simulations we present actions that can be carried out within the classroom as virtual experiments to help students understand the difficult concepts and its complete opposite of our everyday life experience QM predictions.
  14. Items in Apothesis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.