1 Modell- und begriffsorientierte Lehre: ein PlädoyerA.Ziegler, R.Vortmeyer-Kley Universität Osnabrück

2 Leseprobe: www.europa-lehrmittel.de/57822.html

3 Warum ein weiteres Lehrbuch?es wird ein Mangel empfunden generelles Defizit: zuviel „wie“, zuwenig „warum“ Folgen: fällt vom Himmel kein roter Faden voraussetzungslos DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

4 DPG Frühjahrstagung 2017, DresdenAufbau: Anschauung Begriffsbildung Modellbildung Formalisierung DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

5 DPG Frühjahrstagung 2017, DresdenKraft und Arbeit KRAFT: werden Körper verformt oder wird ihr Bewegungszustand geändert, so greifen Kräfte an ihnen an (Dorn-Bader 2001) ARBEIT: Arbeit ist die mit Hilfe einer Kraft vom Betrag F längs des Weges übertragene Energie W = Fs (Dorn-Bader 2001) Arbeit ist eine Form des Energietransports, bei der die Zahl der möglichen Quantenzustände des energieaufnehmenden bzw. –abgebenden Systems unverändert bleibt (Bergmann-Schäfer 1998) DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

6 Kraft und Arbeit NewtonJeder Körper beharrt in seinem Zustand der Ruhe oder gleichförmigen geradlinigen Bewegung, wenn er nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern Die Änderung der Bewegung ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional und geschieht nach der Richtung derjenigen geraden Linie, nach welcher jene Kraft wirkt Die Wirkung ist stets der Gegenwirkung gleich, oder die Wirkungen zweier Körper aufeinander sind stets gleich und von entgegengesetzter Richtung DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

7 Kraft und Arbeit NewtonDie absolute, wahre und mathematische Zeit verfließt an sich und vermöge ihrer Natur gleichförmig und ohne Beziehung auf einen äußeren Gegenstand. Sie wird so auch mit dem Namen Dauer belegt. Der absolute Raum bleibt vermöge seiner Natur und ohne Beziehung auf einen äußeren Gegenstand stets gleich und unbeweglich. DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

8 Kraft und Arbeit Abhilfe 1Kraft und Arbeit: anthropomorphe Begriffe Kraftbegriff bei Aristoteles natürliche Bewegung (geschieht von selbst) gewaltsame Bewegung (erzwungen): ⇨ Kraft ist Gewaltausübung HIER und JETZT Arbeit: Erfahrung an einfachen Maschinen DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

9 Kraft und Arbeit Abhilfe 2Kraft ist Ausdruck von Wechselwirkung Inertialsystem: jedes Teilchen ohne Wechselwirkung bewegt sich geradlinig Zeit: jedes Teilchen ohne Wechselwirkung im Inertialsystem hat konstante Geschwindigkeit „time is defined so motion looks simple“ Kraft  Dv = 0 Erfahrung: Dv ~ Dt, Dv ~ 1/m sinnvolle Festlegung: F = m Dv/Dt = m a DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

10 Kraft und Arbeit unterbelichtet: RelativitätsprinzipSymptom: kein Protest gegen Lorentzkraft F = q (v x B) Abhilfe: qualitative Beispiele qualitative Übungen DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

11 DPG Frühjahrstagung 2017, DresdenCarnot und Entropie 1 – 2, 3 – 4: isotherm 2 – 3, 4 – 1: adiabatisch => vollständig reversibel => nicht zu übertreffen DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

12 DPG Frühjahrstagung 2017, DresdenCarnot und Entropie Wärme erkennbar keine Zustandsgröße aber: reduzierte Wärme (Entropie) S = Q/T ist eine Zustandsgröße: Qh/Th = Qk/Tk Offenbar Maß für Irreversibilität: Temperaturausgleich D S = -Q/Th + Q/Tk > 0 DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

13 Carnot und Entropie Deutung der Entropie:Ausbreitung über möglichst viele Freiheitsgrade Bsp.: angeregtes Wasserstoffatom DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

14 DPG Frühjahrstagung 2017, DresdenFeldbegriff Newton: Fernwirkung Faraday: Nahwirkung ⇨ Feldbegriff Erfahrung: F ~ q (Empfängerladung) ⇨ Feldstärke E = F/q Nachteil: Asymmetrie Sender – Empfänger DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

15 Zusammenfassung: Das neuartige Lehrbuchbehebt bestehenden Mangel betont „Warum“ physikalischen Vorgehens macht Begriffs- und Modellbildungen der Physik durchschaubar DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

16

17 Wissenschaftliche AussagenNur wenn X anwesend ist, funktioniert das Fernsehgerät. Bei Vollmond werden mehr Mädchen geboren. Nahe der Venus kreist ein Asteroid. Im Vakuum fallen alle Gegenstände gleich schnell. Es gibt kein Leben auf anderen Planeten. DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

18 Wörterbuch Wissenschaft UmgangsspracheSehr wahrscheinlich Theorie Vermutung Glauben Hypothese Willkürliche Vermutung Sicher Sicheres Wissen Theorie Wissen Begründete Vermutung Hypothese DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

19

20 Wissenschaftliche RevolutionenKopernikanisches Weltbild Bewegungslehre des Aristoteles Quantenmechanik Spezielle Relativitätstheorie Allgemeine Relativitätstheorie Feldbegriff Der Fall Mach DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

21 Kopernikanisches WeltbildVorher: Alles dreht sich um die Erde Nachher: Planeten drehen sich um die Sonne DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

22 Aristotelische BewegungslehreVorher: Bewegung erfordert Kraft Nachher: Bewegungsänderungen erfordern Kraft DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

23 DPG Frühjahrstagung 2017, DresdenQuantenmechanik Vorher: Teilchen ist Teilchen Welle ist Welle Nachher: alles ist Teilchen UND Welle DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

24 Spezielle RelativitätstheorieVorher: Zeit ist für alle gleich Nachher: Zeit hängt vom Beobachter ab DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

25 Allgemeine RelativitätstheorieVorher: Die Raumzeit ist euklidisch Nachher: Die Raumzeit ist gekrümmt DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

26 DPG Frühjahrstagung 2017, DresdenFeldbegriff Vorher: Kraft überträgt sich sofort Nachher: Kraft wird durch ein Feld übertragen DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

27 DPG Frühjahrstagung 2017, DresdenErnst Mach Eine absolute Zeit gibt es nicht Einen absoluten Raum gibt es nicht Raum gibt es überhaupt nicht: „wird einem schwindlig, wenn man sich als einziger Gegenstand im Universum dreht?“ Atome gibt es nicht DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

28 Rekonnexion: Eine FallstudieAufheizung der Korona: durch Rekonnexion der Magnetlinien Problem: viel zu langsam Petschek-Mechanismus: theoretisch unbegründet Computerberechnung: falsch stimmt dennoch DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

29 Noch einmal „Science Wars“Nicht gleichberechtigt „nur“ Wissenschaft Beweise gibt es nicht Nicht reproduzierbar Unwissenschaftlich Nur eine von vielen nur eine Theorie ... nicht bewiesen Sterne bestimmen unser Leben Telepathie DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

30 Physikalische Erklärungen funktionieren!Erklärung des Magnetismus von Stoffen Farbe von Stoffen DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

31 DPG Frühjahrstagung 2017, DresdenZusammenfassung Naturwissenschaft ist Menschenwerk Naturwissenschaft ist Ergebnis lebendiger Diskussionen Eine wissenschaftliche Erkenntnis kann morgen unter anderem Blickwinkel erscheinen Naturwissenschaft ist KEINE Weltdeutung unter anderen Naturwissenschaft ist maßlos erfolgreich DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

32 Also: nur Kommunikation verbessern?NEIN! DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

33 Bauchgefühl dominiert gegenüber Fakten

34 DPG Frühjahrstagung 2017, DresdenGRÜNDE Firmen: verzerrte Darstellung Institutionen: Vertrauen mißbraucht Wissenschaft: Journalistenkontrolle Medien: erziehen statt informieren DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

35 NICHTLÖSUNG: Beschimpfung!

36 DPG Frühjahrstagung 2017, DresdenLÖSUNG: Vertrauen wiederherstellen aber: es ist schwer verschüttetes Wasser wieder einzusammeln DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden