Mecânica Quântica. Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física Instituto de Física - UFRJ. 1º período letivo, 2014

Transcrição

1 Mecânica Quântica Carlos Eduardo Aguiar Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física Instituto de Física - UFRJ 1º período letivo, 2014

2 Ensino e aprendizagem de mecânica quântica Dificuldades conceituais Superposição quântica Probabilidade subjetiva x objetiva Complementaridade O problema da medida Realismo vs. localidade Dificuldades matemáticas Vetores Números complexos Espaços vetoriais complexos Operadores, autovalores, autovetores Dimensão infinita, operadores diferenciais, funções especiais C.E. Aguiar / Mecânica Quântica /

3 Sobre o ensino e aprendizagem de mecânica quântica D. F. Styer, Commonmisconceptions regarding quantum mechanics, American Journal of Physics 64, 31, I. D. Johnston, K. Crawford, P. R. Fletcher, Student difficulties in learning quantum mechanics, International Journal of Science Education 20, 427, S. Vokos, P. S. Shaffer, B. S. Ambrose, L. C. McDermott, Student understanding of the wave nature of matter: Diffraction and interference of particles, American Journal of Physics 68, S42, G. Ireson, The quantum understanding of pre-university physics students, Physics Education 35, 15, M. A. Moreira, I. M. Greca, Uma revisão da literatura sobre estudos relativos ao ensino da mecânica quântica introdutória, Investigações em Ensino de Ciências 6, 29, I. M. Greca, M. A. Moreira, V.E.Herscovitz, Uma proposta para o ensino de mecânica quântica, Revista Brasileira de Ensino de Física 33, 444, C. Singh, Student understanding of quantum mechanics, American Journal of Physics 69, 885, E. Cataloglu, R. W. Robinett, Testing the development of student conceptual and visualization understanding in quantum mechanics through the undergraduate career, American Journal of Physics 70, 238, K. Mannila, I. T. Koponen, J. A. Niskanen, Building a picture of students conceptions of wave- and particle-like properties of quantum entities, European Journal of Physics 23, 45, R. Müller, H. Wiesner, Teaching quantum mechanics on an introductory level, American Journal of Physics70, 200, 2002; ver também Am. J. Phys. 70, 887, C.E. Aguiar / Mecânica Quântica /

4 Sobre o ensino e aprendizagem de mecânica quântica I. M. Greca,O. FreireJr, Does an emphasis on the concept of quantum states enhance students understanding of quantum mechanics?, Science& Education 12, 541, F. Ostermann, T. F. Ricci, Construindo uma unidade didática conceitual sobre mecânica quântica: um estudo na formação de professores de física, Ciência & Educação 10, 235, D. T. Brookes, E. Etkina, Using conceptual metaphor and functional grammar to explore how language used in physics affects student learning, Physical Review Special Topics -Physics Education Research 3, , S. B. McKagan, K. K. Perkins, C. E. Wieman, Why we should teach the Bohr model and how to teach it effectively, Physical Review Special Topics -Physics Education Research 4, 10103, C. Singh, Student understanding of quantum mechanics at the beginning of graduate instruction, American Journal of Physics 76, 277, C. Singh, Interactive learning tutorials on quantum mechanics, American Journal of Physics 76, 400, L. D. Carr, S. B. McKagan, Graduate quantum mechanics reform, American Journal of Physics 77, 308, M. Dubson, S. Goldhaber, S. Pollock, K. Perkins, Faculty Disagreement about the Teaching of Quantum Mechanics, 2009 Physics Education Research Conference, AIP Conference Proceedings 1179, 137, C. Baily, N. D. Finkelstein, Development of quantum perspectives in modern physics, Physical Review Special Topics - Physics Education Research 5, 10106, C. Baily, N. D. Finkelstein, Teaching and understanding of quantum interpretations in modern physics courses, Physical Review Special Topics - Physics Education Research 6, 10101, C.E. Aguiar / Mecânica Quântica /

5 Sobre o ensino e aprendizagem de mecânica quântica S. B. McKagan, K. K. Perkins, C. E. Wieman, Design and validation of the Quantum Mechanics Conceptual Survey, Physical Review Special Topics - Physics Education Research 6, , L. Deslauriers, C. E. Wieman, Learning and retention of quantum concepts with different teaching methods, Physical Review Special Topics - Physics Education Research 7, , M. Ayene, J. Kriek, B. Damtie, Wave-particle duality and uncertainty principle: Phenomenographic categories of description of tertiary physics students depictions, Physical Review Special Topics - Physics Education Research 7, , G. Zhu, C. Singh, Improving students understanding of quantum mechanics via the Stern Gerlach experiment, American Journal of Physics 79, 499, G. Zhu, C. Singh, Improving students understanding of quantum measurement. I. Investigation of difficulties, Physical Review Special Topics -Physics Education Research 8, , G. Zhu, C. Singh, Improving students understanding of quantum measurement. II. Development of research-based learning tools, Physical Review Special Topics -Physics Education Research 8, , O. Levrini, P. Fantini, Encountering Productive Forms of Complexity in Learning Modern Physics, Science & Education 22,1895, A. Kohnleet al., A new introductory quantum mechanics curriculum, European Journal of Physics 35, , J. Castrillon, O. Freire Jr, B. Rodriguez, Mecánica cuántica fundamental, una propuesta didáctica, Revista Brasileira de Ensino de Física 36, 1505, C.E. Aguiar / Mecânica Quântica /

6 Leituras recomendadas R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, Lições de Física de Feynman, vol. III, Bookman, R. P. Feynman, QED - A estranha teoria da luz e da matéria, Gradiva, H. M. Nussenzveig, Curso de Física Básica: Ótica, Relatividade, Física Quântica, Blucher, O. Pessoa Jr, Conceitos de Física Quântica, Livraria da Física, A. Zeilinger, A Face Oculta da Natureza, Globo, M. Le Bellac, The Quantum World, World Scientific, T. Hey, P. Walters, The New Quantum Universe, Cambridge UP, V. Scarani, Quantum physics: a first encounter, Oxford UP, B. Rosenblum,F. Kuttner, Quantum Enigma: Physics Encounters Consciousness, Oxford UP, L. Susskind, A. Friedman, Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum, Basic Books, 2014 A. Rae, Quantum Physics: Illusion or Reality?, Cambridge UP, J. Polkinghorne, Quantum Theory: A Very Short Introduction, Oxford UP, D. F. Styer, The Strange World of Quantum Mechanics, Cambridge UP, D. McIntyre, C. A. Manogue, J. Tate, Quantum Mechanics: A Paradigms Approach, Addison- Wesley, M. Le Bellac, Quantum Physics, Cambridge UP, C.E. Aguiar / Mecânica Quântica /

7 Simulações Interferômetro de Mach-Zehnder(Universidade Federal do Rio Grande do Sul) Experiência de Stern-Gerlach (Universidade Federal do Rio Grande do Sul) QuantumLab(Universität Erlangen-Nürnberg) PhET(University of Colorado) SPINS (Oregon State University) Quantum physics(école Polytechnique) C.E. Aguiar / Mecânica Quântica /

8 Internet Quantum Physics(IoP) Quantum Mechanics(Leonard Susskind) Quantum Entanglement(Leonard Susskind) Advanced Quantum Mechanics(Leonard Susskind) C.E. Aguiar / Mecânica Quântica /

9 Sumário 1. Fenômenos quânticos 2. Princípios da mecânica quântica 3. Sistemas quânticos simples: aplicações 4. Realismo, contextualidade e não-localidade 5. Partículas idênticas 6. Operadores, autovalores e autovetores 7. Simetrias 8. Posição e momentum 9. Partícula em uma dimensão não estão nestas notas C.E. Aguiar / Mecânica Quântica /