Logo Universiteit Utrecht

Handboek Natuurkundedidactiek

4.2.11 Quantumwereld

Literatuur

Achtergrond

Quantumwereld – Talloze hulpmiddelen staan de leraar ter beschikking om de quantumwereld zelf beter te leren begrijpen en om de uitleg te ondersteunen. Onder de zeer vele populair-wetenschappelijke boeken en studieboeken twee aanbevelingen: Quantum Physics (Rae, 2005) en Introduction to Nanoscience (Lindsay, 2010).

In het boek Quantum Physics laat Alistair Rae zien wat de praktische consequenties zijn van concepten als het deeltje-in-een-doos, en hij doet dit op een niveau dat uitstijgt boven de populair-wetenschappelijke beschrijving, zonder te wiskundig te worden.

Voor het begrijpen van nanotechnologie heb je inzicht in de quantumwereld nodig. In het boek Introduction to Nanoscience beschrijft Stuart Lindsay de benodigde quantummechanica met dit praktische doel voor ogen. Daardoor is de benadering moderner dan beschouwingen over het mysterieuze karakter van de quantumconcepten die je vaak ziet en die op zich interessant zijn, maar die minder goed passen bij de inzichten die gekozen zijn in het examenprogramma, die praktischer en toetsbaarder zijn. Ook is het mooi dat Feynmans beroemde lezing There’s Plenty of Room at the Bottom, het veel aangehaalde begin van de nanowetenschap, in zijn geheel is gereproduceerd.

  • Rae, A.I.M. (2005). Quantum Physics, A Beginner’s Guide. Oxford: Oneworld Publications. ISBN 978-1-85168-369-7.
  • Lindsay, S.M. (2010. Introduction to Nanoscience. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-019-954421-9.

Deze twee aanbevelingen werden ook gegeven bij de door Hans van Bemmel en Lodewijk Koopman ontwikkelde nascholingscursus Quantumwereld. Veel van de praktische toepassingen van de quantummechanica die in deze cursus waren opgenomen, zijn later uitgewerkt tot korte artikelen onder de titel Quantumlesjes, gepubliceerd in NVOX in 2013-2015 (zie het onderdeel ‘Lesmaterialen’ hieronder). Ook in het Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde staat af en toe iets van belang, zoals in juli 2015 een artikel over quantumkisten die de universiteiten beschikbaar stellen voor scholen.

Ten slotte een al wat oudere, maar Nederlandstalige optie voor verdere verdieping:

Lespraktijk – De artikelen hieronder geven aandachtspunten voor de lespraktijk bij het werken aan het onderwerp quantumwereld.

Curriculum en examens – In een drietal artikelen wordt vanuit de ervaringen in het Project Moderne Natuurkunde (PMN) commentaar geleverd op de invulling die in het examenprogramma aan het leerstofdomein Quantumwereld is gegeven. Naast tevredenheid over die invulling zijn er ook enkele wensen: het Pauli-verbod terug, het deeltje in een doosje (de ‘energieput met oneindig hoge wanden’) weer in twee of drie dimensies, impuls als vector, en de onbepaaldheidsrelatie van Heisenberg eruit.

Lesmaterialen

Lessenseries

 Lespraktijk

Hulpmiddelen

Demonstraties en simulaties – In de les valt op dat een deel van de leerlingen de quantumwereld op zich intrigerend vindt en dat een deel pas wordt getriggerd door tastbare zaken. Het doen van demonstratieproeven over het foto-elektrisch effect (je kunt een negatief geladen elektroscoop ontladen via een geschuurd plaatje zink waarop uv-straling invalt), het golfkarakter van elektronen (diffractie aan grafiet) en spectra (fluorescentie van quantumdots of van olijfolie) is zeer aan te bevelen.

Over al deze zaken zijn ook applets te vinden, met name het pakket van Paul Falstad op http://www.falstad.com/ is aan te bevelen. Bekend zijn ook de phet-simulaties over quantumverschijnselen (University of Colorado),  bruikbaar in een browser als firefox, die nog java ondersteunt.

Opgaven – Net als bij andere onderwerpen is het van belang zowel kwalitatieve als kwantitatieve vragen aan de leerlingen voor te leggen, van verschillend niveau. Opgaven zijn uiteraard te vinden in alle zes de series schoolboeken die in Nederland bestaan, in buitenlandse schoolboeken, voor een flink aantal onderwerpen in oude examens, voor de nieuwste onderwerpen in de examens van PMN (zie www.nvon.nl) en in de collectie voorbeeldexamenopgaven die het CvTE beschikbaar heeft gesteld (zie www.natuurkunde.nl). Die collectie, hoewel hier en daar iets te pittig, biedt mooi oefenmateriaal, ook omdat de quantumwereld opduikt in verassende contexten zoals onderzoek naar metaalmoeheid in vliegtuigvleugels. Verder zal het aantal examens met quantumvragen in de loop der jaren groeien. Ook zijn leraren in verschillende professionele leergemeenschappen bezig met het ontwikkelen van oefen- en toetsmateriaal.