Unterrichtsmaterialien und Schulexperimente zur Teilchenphysik
Unterrichtsmaterialien und Schulexperimente zur Teilchenphysik
Unterrichtsmaterialien und Schulexperimente zur Teilchenphysik
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<strong>Unterrichtsmaterialien</strong> <strong>und</strong><br />
<strong>Schulexperimente</strong> <strong>zur</strong> <strong>Teilchenphysik</strong><br />
...von der Fadenstrahlröhre zum Large<br />
Hadron Collider<br />
1 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Inhalt<br />
Materialien <strong>zur</strong> <strong>Teilchenphysik</strong><br />
• Website www.teilchenphysik.de<br />
• Website www.weltmaschine.de<br />
• Lernsysteme<br />
Materialien zu CERN <strong>und</strong> LHC<br />
• Website http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />
• Virtueller R<strong>und</strong>gang durch den LHC<br />
Demonstrationsexperimente <strong>zur</strong> <strong>Teilchenphysik</strong><br />
2 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Materialien <strong>zur</strong> <strong>Teilchenphysik</strong><br />
3 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
www.teilchenphysik.de<br />
4 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
www.weltmaschine.de<br />
5 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Materialien zu CERN <strong>und</strong> LHC<br />
6 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Large Hadron Rap<br />
7 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Large Hadron Rap<br />
8 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />
9 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />
Sammlung deutschsprachiger CERN-Materialien<br />
Broschüren<br />
10 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />
Sammlung deutschsprachiger CERN-Materialien<br />
Broschüren<br />
Multimedia<br />
• Spiele etc.<br />
11 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />
Sammlung deutschsprachiger CERN-Materialien<br />
Broschüren<br />
Multimedia<br />
• Spiele etc.<br />
Filme<br />
12 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />
Sammlung deutschsprachiger CERN-Materialien<br />
Broschüren<br />
Multimedia<br />
• Spiele etc.<br />
Filme<br />
Vorlesungen<br />
13 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />
Sammlung deutschsprachiger CERN-Materialien<br />
Broschüren<br />
Multimedia<br />
• Spiele etc.<br />
Filme<br />
Vorlesungen<br />
14 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />
Virtueller R<strong>und</strong>gang durch den LHC<br />
15 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />
Virtueller R<strong>und</strong>gang durch den LHC<br />
16 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
17 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />
<strong>Teilchenphysik</strong> multimedial<br />
18 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />
Unterrichtsst<strong>und</strong>en<br />
• Powerpoint-Präsentationen incl.<br />
Videos <strong>und</strong> Animationen für<br />
eine Doppelst<strong>und</strong>e (Oberstufe)<br />
<strong>und</strong> eine Einzelst<strong>und</strong>e<br />
(Mittelstufe)<br />
19 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Demonstrationsexperimente <strong>zur</strong><br />
<strong>Teilchenphysik</strong><br />
20 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
<strong>Teilchenphysik</strong><br />
Entdeckung des Elektrons<br />
• Braun‘sche Röhre<br />
U<br />
21 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
<strong>Teilchenphysik</strong><br />
Entdeckung des Atomkerns<br />
• Rutherford-Versuch<br />
22 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
<strong>Teilchenphysik</strong><br />
Entdeckung weiterer Elementarteilchen in der kosmischen<br />
Strahlung (Myon, Positron, ...)<br />
• Funkenkammer, Nebelkammer, Myonenkanne<br />
Myon<br />
23 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
<strong>Teilchenphysik</strong><br />
Entdeckung weiterer Elementarteilchen in der kosmischen<br />
Strahlung (Myon, Positron, ...)<br />
• Funkenkammer, Nebelkammer, Myonenkanne<br />
Myon<br />
Photomultiplier<br />
Thermoskanne<br />
Wasser<br />
geladenes Teilchen<br />
24 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
<strong>Teilchenphysik</strong><br />
Myonenkanne: Koinzidenz-Messung<br />
• kosmische Herkunft der Strahlung<br />
104 38<br />
25 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
<strong>Teilchenphysik</strong><br />
Myonenkanne: Koinzidenz-Messung<br />
• ausgedehnte Luftschauer<br />
16<br />
26 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
<strong>Teilchenphysik</strong><br />
Myonenkanne: Koinzidenz-Messung<br />
• ausgedehnte Luftschauer<br />
27 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
<strong>Teilchenphysik</strong><br />
Entdeckung der Quarks<br />
• Elektronenbeugungsröhre<br />
U A<br />
Graphitfolie<br />
28 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Teilchenerzeugung<br />
• Röhrenfernseher, Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre<br />
Kathode<br />
U A<br />
Metallzylinder<br />
Anode<br />
29 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Teilchenerzeugung<br />
• Röhrenfernseher, Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre<br />
90 kV<br />
Glühkathode<br />
Anode<br />
Wasserstoff<br />
30 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Teilchenerzeugung<br />
• Röhrenfernseher, Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre<br />
90 kV<br />
Glühkathode<br />
Anode<br />
Wasserstoff<br />
31 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Beschleunigung<br />
• Röhrenfernseher, Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre<br />
Kathode<br />
U A<br />
Anode<br />
32 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Beschleunigung<br />
• Röhrenfernseher, Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre<br />
Teilchenquelle<br />
Driftröhren aus Metall<br />
~<br />
Hochfrequenz-Generator<br />
(feste Frequenz)<br />
33 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Kreisbeschleuniger<br />
• Fadenstrahlröhre<br />
~<br />
34 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Kreisbeschleuniger<br />
• Fadenstrahlröhre<br />
B r<br />
35 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Zyklotron<br />
• Fadenstrahlröhre<br />
Ionenquelle<br />
DEEs<br />
Magnetfeld<br />
Strahl<br />
~<br />
Hochfrequenz-<br />
Generator<br />
(feste Frequenz)<br />
36 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Synchrotron<br />
• Fadenstrahlröhre<br />
37 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Fokussierung<br />
• Braun‘sche Röhre (Wehnelt-Zylinder)<br />
Leuchtschirm<br />
Kathode Wehnelt-Zylinder Anode<br />
U A<br />
38 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Fokussierung<br />
Beschleunigtes Teilchen<br />
Gasatom<br />
Strahlrohr<br />
39 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Fokussierung<br />
Beschleunigtes Teilchen<br />
Gasatom<br />
Strahlrohr<br />
40 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Fokussierung<br />
Beschleunigtes Teilchen<br />
Gasatom<br />
Strahlrohr<br />
41 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Fokussierung<br />
• Braun‘sche Röhre<br />
42 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger<br />
Vakuum<br />
• Braun‘sche Röhre, Elektronenbeugungsröhre<br />
43 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchendetektoren<br />
Ladungsbestimmung<br />
• Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre<br />
U A<br />
44 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchendetektoren<br />
Impulsbestimmung<br />
• Fadenstrahlröhre<br />
B r<br />
45 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchendetektoren<br />
Impulsbestimmung<br />
• Fadenstrahlröhre<br />
F<br />
L<br />
= F Z<br />
B r<br />
q ⋅ v ⋅ B<br />
q ⋅ B ⋅ r<br />
=<br />
=<br />
m ⋅ v<br />
r<br />
2<br />
m ⋅ v =<br />
r<br />
p<br />
46 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchendetektoren<br />
Impulsbestimmung<br />
• Fadenstrahlröhre<br />
F<br />
L<br />
= F Z<br />
B r<br />
q ⋅ v ⋅ B<br />
q ⋅ B ⋅ r<br />
=<br />
=<br />
m ⋅ v<br />
r<br />
2<br />
m ⋅ v =<br />
r<br />
p<br />
47 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchendetektoren<br />
Teilchendetektion mit Szintillatoren<br />
• Braun‘sche Röhre, Fadenstrahlröhre, ...<br />
ionisierendes<br />
Teilchen<br />
Photodetektor<br />
Szintillator<br />
Lichtleiter<br />
48 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchendetektoren<br />
Teilchendetektion mit Szintillatoren<br />
• Kalorimeter<br />
Szintillator<br />
Absorptionsmaterial<br />
Lichtleiter<br />
Photomultiplier<br />
49 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchendetektoren<br />
Myonenkammern<br />
• Gasdetektor = Geiger-Müller-Zählrohr<br />
Außenelektrode<br />
Innenelektrode<br />
Füllgas<br />
ionisierendes<br />
Teilchen<br />
Signal<br />
U 0<br />
50 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchendetektoren<br />
Myonenkammern<br />
• Vieldraht-Proportionalkammer<br />
ionisierendes Teilchen<br />
Anodendrähte<br />
Kathodendrähte<br />
51 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Einsatzmöglichkeiten<br />
<strong>Teilchenphysik</strong> erklärt mit Demonstrationsexperimenten<br />
Parallel zum Unterricht<br />
• Zusätzliche Aspekte <strong>und</strong> Aufgabenstellungen bei der Behandlung<br />
der klassischen Versuche<br />
Als Unterrichtseinheit kurz vor dem Abi<br />
• Wiederholung der klassischen Phänomene<br />
• Vorwissen der SchülerInnen, da Experimente bereits bekannt<br />
• Übergang <strong>zur</strong> Spitzenforschung am CERN<br />
52 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Vorteile<br />
<strong>Teilchenphysik</strong> erklärt mit Demonstrationsexperimenten<br />
Vermeidung von „Kreidephysik“<br />
Versuchsaufbauten in Schulen vorhanden<br />
Klärung der Frage: „Woher wissen wir...?“<br />
53 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Rückweg vom CMS-Detektor<br />
...in 1,5-facher Geschwindigkeit<br />
54 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
55 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
Weitere Informationen<br />
www.teilchenphysik.de<br />
www.weltmaschine.de<br />
http://cern.ch/PhysicsTeaching<br />
56 | J. Merkert | Institut für Experimentelle Kernphysik
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