Våg-partikeldualitet på gymnasiet : Ett steg i jakten på att avlägsna motsägelserna och kunskapsgapen

Sammanfattning: I det centrala innehållet för fysik på gymnasiet ingår att kunna förstå och förklara den så kallade våg-partikeldualiteten. Samtidigt uppmärksammar den internationella forskningen löpande om elevers svårigheter att förstå kvantfysik, bland annat våg-partikeldualiteten. Syftet med denna uppsats är att identifiera orsaker till varför så är fallet. Vad innebär då begreppet våg-partikeldualitet? En mekanisk analogi till vad som avses går att föreställa sig genom att tänka sig en liten partikel som rör sig genom ett medium som det finns vågrörelser i. Partikeln påverkas av stående vågor i mediet, motsvarande dem i en vibrerande sträng, fast i tre dimensioner, som guidar in den i specifika spår. En del av dessa kan ha genererats av partikeln själv vid tidigare tidpunkter. Det går inte att förutspå exakt vilken väg partikeln kommer att ta genom mediet fyllt av vågor, eftersom små slumpmässiga störningar i känsliga positioner kan förändra dess bana helt. Däremot kan sannolikheten att den anländer till en viss slutposition ändå bestämmas, eftersom de stående vågorna i mediet skapar mönster som gör vissa potentiella slutpositioner mer sannolika än andra. Den lilla partikeln ”har” i denna mening alltså även vågegenskaper. Uppsatsen inleds med en översikt av den senaste internationella forskningen om undervisning inom kvantfysik på motsvarande gymnasienivå eller högre. Metoden för att besvara forskningsfrågan, dvs vad det finns för motsägelser och kunskapsgap i och mellan gymnasieläroböcker avseende våg-partikeldualitet, består i att reda ut oklarheter genom att analysera kapitlen som behandlar våg-partikeldualitet i fyra samtida läroböcker i ämnet. I diskussionsavsnittet presenteras ett kompletterande förslag på kapitelinnehåll som tagits fram utifrån ett schema (en så kallad CoRe) som guidar lärarens tankar till att utgå från elevernas synsätt. Studien kan alltså ses som en jämförelse mellan fem läroböcker i ämnet, varav en är fiktiv. Resultatet av studien är att motsägelser förekommer; dels mellan läroböckerna men även gentemot ett antal påståenden avgörande för förståelsen av begreppet våg-partikeldualitet. Det råder även ett kunskapsgap som förhindrar en kontinuerlig övergång från klassisk till modern fysik i samtliga läroböcker. Motsägelserna skulle behöva undersökas för att få klarhet i vilka påståenden som är korrekta och vilka som behöver korrigeras inför en ny upplaga. Kunskapsgapet behöver slutas av pedagogiska skäl. Motsägelserna behöver naturligtvis avlägsnas, bland annat för ökade möjligheter till rättssäker betygssättning. Appendixet är huvudsakligen avsett för fysiklärare och blivande fysiklärare eftersom det innehåller matematiska formler. Syftet med att inkludera det är att visa hur framställningen av kvantfysik kan avmystifieras, bland annat genom att visa hur den imaginära enheten kan fås att försvinna i Schrödingerekvationen. Där visas även hur begreppet kvantum uppkommer och beskrivs matematiskt, likheter mellan Schrödingerekvationen för en fri partikel och ekvationen för böjvågor i fasta material, likheter mellan utstrålning av ljud från ytor och den fotoelektriska effekten samt likheter mellan Schrödingerekvationen och kopplade diffusions-/koncentrationsprocesser. Det visas även varför endast plana vågor på sinusform kan propagera oförändrade, vilket sprider nytt ljus över materievågor och deBroglie-våglängden.