Präsentation der Experimentierwippe während des

SCIENCE-ON-STAGE-FESTIVALS

in Genf (CERN) im November 2005

Ein kontinuierlicher Verlauf des Physikunterrichts ist im Sinne von Schülern und Lehrern; er wird durch den unter dem Namen Experimentierwippe  bekannten Messwandler für Kräfte und Wege sehr begünstigt, denn dieses vielseitige, zum Anschluss an einen Rechner entwickelte Gerät regt die Schüler immer wieder zu neuen weiterführenden Experimenten an. Es ist leicht verständlich, vielseitig und bei Nutzung  des CASSY-LAB (Leybold)  oder des Messprogramms MAuS (CASSY - E, AD_1 in seiner Handhabung so einfach ist, dass es sich auch als Praktikumsgerät für Schüler gut eignet . Die Vielseitigkeit dieses Gerätes macht es möglich, dass außer dem Gravitationsgesetz alle wichtigen Gesetze der Mechanik experimentell erarbeitet werden können. Da zur Registrierung der Messergebnisse ein Rechner dient, kann für jeden Schüler schnell die Kopie eines Messdiagramms bereitgestellt werden und alle anwesenden Schüler können an der Auswertung teilnehmen.

Im Unterricht über Elektrizitätslehre kann es sehr gut zur Messung kleiner elektrischer und magnetischer Kräfte  eingesetzt werden. Als Beispiel ist die Messung der Kraft zu nennen, die das magnetische Erdfeld auf einen von einem elektrischen Strom durchflossenen Leiter ausübt.

Aus Lehrerkreisen wurden Bedenken gegen den allzu häufigen Einsatz der Experimentierwippe geäußert, man war der Meinung, dass dies den Schüler ermüde. Diese Befürchtung entspricht nicht den Erfahrungen. Die meisten Schüler sehen sehr bald nicht mehr so sehr die Wippe, sondern vernünftigerweise mehr die Phänomene, die mit diesem Gerät gezeigt werden. Hierbei müssen sie sich nicht mehr mit immer neuen Meßmethoden vertraut machen, können stattdessen ihre Aufmerksamkeit voll auf die eigentlich physikalischen Erscheinungen konzentrieren. Besonders gern wird die Wippe von den Schülern dann angenommen, wenn sie selbst die Unterrichtsexperimente ausführen dürfen, wozu auch die weniger geschickten nach kurzer Unterweisung fähig sind.

Aus didaktischen Gründen ist erwähnenswert, dass der Experimentator beim Umgang mit diesem Gerät zu immer neuen Versuchsvariationen neigt, wobei er zwanglos zu Experimenten gelangt, die zur Formulierung wichtiger Gesetze der Mechanik wie z.B. des Schwerpunkt- und Impulssatzes Anlass geben.

Der Impulssatz sollte entgegen den in der Schulliteratur üblichen Gepflogenheiten der Einführung des Kraftmaßes vorangehen, da die Definition dieser Größe nach F=d(m·v)/dt  erst im Rückblick auf dieses Gesetz sinnvoll erscheint. Nur mit dem Impulssatz kann überzeugend dargelegt werden, dass Δ(m·v) ein passendes Maß für eine äußere Einwirkung ist, außerdem spricht für die hier gewünschte Stellung des Impulssatzes die Tatsache, dass nach Einführung des Kraftmaßes mit ihm sowohl das Wechselwirkungsgesetz wie das Additionsgesetz der Kräfte deduktiv hergeleitet werden können. Die vorgeschlagene Folge entspricht dem axiomatischen Aufbau Newtons. Lex prima ist unter Berücksichtigung der ihm vorangestellten Definitionen über die Größe der Bewegung als Impulssatz aufzufassen (siehe Lehrbuch der Theoretischen Mechanik von Sommerfeld). In den neuen Lehrplänen für den Physikunterricht in Bayern (G 8) ist vom Impulssatz nicht mehr die Rede- ein Zweifel an der fachlichen Kompetenz der zuständigen Ministerialbeamten erscheint gerechtfertigt.

  In vielen Schulbüchern wird die Kraft in einer Art eingeführt, die kritische Schüler nicht zufrieden stellen kann. Meistens geschieht dies in folgender Weise. Da wird zunächst so getan, als ob die Kraft schon definiert sei. Die Beziehung F ~ m · a wird experimentell nachgewiesen und anschließend die Krafteinheit so gewählt, dass F = m · a geschrieben werden kann. Ebenso fragwürdig ist dann auch die Einführung des Wechselwirkungsgesetzes. Zu seiner Begründung wird auf die Impulserhaltung in ganz speziellen Fällen verwiesen, in denen gleich schwere, anfangs ruhende Körper einander anziehen oder abstoßen. Diesen Ausführungen folgt dann noch ein Zirkelschluss; mit dem so gewonnenen Wechselwirkungsgesetz wird der Impulssatz hergeleitet. Manchmal wird das Wechselwirkungsgesetz mit gegeneinander wirkenden Federkraftmessern demonstriert. Da der Schüler davon ausgeht, dass derartige Kraftmesser statisch mit Gewichten kalibriert werden, dieses Kalibrierverfahren jedoch nicht ohne das Wechselwirkungsgesetz und das Additionsgesetz der Kräfte begründet werden kann, erscheint diese Demonstration sehr zweifelhaft. Wird der Impulssatz nicht scheinbar deduktiv, sondern stattdessen experimentell erarbeitet, dann ist seine Behandlung schon in den ersten Unterrichtsstunden über Mechanik möglich, und der Lehrer kann auf sehr interessante Anwendungen zu diesem wichtigen Satz eingehen. Ein besonders eindrucksvolles Beispiel ist die Aufnahme eines Ballistokardiogramms. Derartige Beispiele sind zur Auflockerung des etwas trockenen Stoffes unbedingt notwendig.

Anlass zu  einer in Schulen nicht üblichen, genauen Beschreibung der Schwerpunktseigenschaften gab ein lang anhaltender Streit um eine Schulaufgabe in einer 11. Klasse. Von einem Fachbetreuer Physik (Gymnasium) und Fachreferenten des zuständigen Kultusministeriums  wurden dazu derart fachlich falsche Entscheidungen getroffen, dass es angebracht erschien, die Aufgabe in der Praxis der Naturwissenschaften unter dem Titel „Ist der Impulssatz noch gültig ?“ (anklicken !)  zu veröffentlichen. In diesem Aufsatz wird gezeigt, dass die genannten Personen sehr wahrscheinlich bei besserer Kenntnis der Schwerpunktseigenschaften solche elementaren Fehler nicht gemacht hätten.

Der Relativitätstheorie wird entgegen den Gepflogenheiten im Schulunterricht ein großes Gewicht gegeben, damit sein  heuristischer Wert den Schülern bewusst wird. Als Übergang von der Mechanik zur Relativitätstheorie erscheint die Herleitungen der Beziehungen   m=m₀/(1–v²/c²)^½    und   ΔE = Δm· c² besonders gut geeignet. Einer solchen Einführung bringen die Schüler viel Interesse entgegen, weil ihnen die genannten Gesetze als bedeutend bekannt sind. Für Schüler der 10. und 11. Klassen leicht verständliche Herleitungen dieser Beziehungen, welche auf dem Relativitätsprinzip und dem Schwerpunktsatz basieren, sind im Kapitel „Relativitätstheorie“ dargestellt.

Die Relativitätstheorie wird zur Herleitung der fundamentalen Gesetze der Elektrizitätslehre  genutzt. Sie ermöglicht eine nahezu rein deduktive Behandlung des elektromagnetischen Feldes. Ist das Wechselwirkungsgesetz paralleler, von elektrischem Strom durchflossener Leiter bekannt, dann können alle weiteren Gesetze des elektromagnetischen Feldes einschließlich der Maxwellschen Gleichungen konsequent hergeleitet werden.

Nach den gängigen Lehrplänen für die Kollegstufe der Gymnasien ist die Elektrizitätslehre mit der Behandlung des elektrischen Feldes zu beginnen. Hierbei muss die Ladungseinheit A · s zunächst undefiniert verwendet werden, da die Stromstärkeeinheit Ampere erst anhand der magnetischen Wirkungen des elektrischen Stromes definiert wird. Die Influenzkonstante e₀ und später die magnetische Feldkonstante µ₀ werden in der Regel als neue Naturkonstanten eingeführt, wobei nicht deutlich wird, dass die Werte dieser Konstanten durch die Definition des Ampere festgelegt sind. Ebenfalls unbemerkt bleibt die Tatsache, dass die magnetischen und elektrischen Wirkungen den gleichen Ursprung haben, also nicht grundsätzlich verschieden sind. 

Die hier vorliegende  Darstellung der Elektrizitätslehre ist frei von diesen Mängeln.

Es muss noch darauf hingewiesen werden, dass am oberen Bildschirmrand das  Programm „Mathe.-Physik“ zur  Ausführung von Rechenprogrammen in einfacher Programmiersprache, zu Simulationen, zur Darstellung von Bilderserien.....  mit „START “ aufgerufen werden kann. Zuvor muss  in das links von der Starttaste liegende Eingabefeld eine die Aufgabe kennzeichnende Zahl eingegeben werden. So können im Schulunterricht  Bewegungen wie z.B. die  eines Planeten oder der schiefe Wurf mit Reibung quantitativ behandelt werden.      

Beispiel: Nach dem Eintrag von „15“ und „START“ erscheint ein Programm zur Darstellung eines „schiefen Wurfs“

Ein interessantes Beispiel für eine Simulation ist die Darstellung einer Schaukelbewegung nach „198“ und START“.

 Gerhard Höhne