Physik     zurück



Einleitung

Was ist die Physik ?  http://linux.brgkepler.asn-graz.ac.at/rath/veroeff/was_ph.htm

Die Physik (griech.: physica=Natur) ist die Wissenschaft von der unbelebten Materie, ihren Eigenschaften und ihrem Verhalten in Raum und Zeit. Sie gilt als die grundlegende Naturwissenschaft, auf der andere Naturwissenschaften wie die Astronomie, die Chemie und letztlich auch die Biologie aufbauen. Physikalische Prinzipien und Modelle finden ihre Anwendung in den Ingenieurwissenschaften.

Primäre Aufgabe der Physik ist es, das Verhalten physikalischer Systeme quantitativ mittels naturwissenschaftlicher Modelle, so genannter Theorien, zu beschreiben und damit vorhersagbar zu machen. Dazu verwendet die Physik die Sprache der Mathematik. Wie in jeder anderen Naturwissenschaft auch muss sich jede Theorie am Experiment messen lassen: Physikalische Experimente sind das fundamentale Maß dafür, welche Theorien die Wirklichkeit angemessen beschreiben.

Die 4 Kräfte der Physik

Die 3 Basisgrößen der Physik

Die Basiseinheiten der Physik

Einteilung nach Methodik

Nach der Art der Erkenntnisgewinnung lassen sich grob vier verschiene Richtungen in der Physik unterscheiden, die allerdings untereinander in steter Wechselwirkung stehen:

Die Experimentalphysik versucht einerseits, durch Experimente Gesetzmäßigkeiten in der Natur aufzuspüren und mittels empirischer Modelle zu beschreiben, und überprüft andererseits die von der theoretischen Physik gemachten Voraussagen.

Die theoretische Physik bemüht sich, die empirischen Modelle der Experimentalphysik mathematisch auf bekannte Grundlagentheorien zurückzuführen oder, falls dies nicht möglich ist, durch eine möglichst kleine Anzahl von Grundannahmen (Axiomen) zu beschreiben. Sie leitet weiterhin aus bereits bekannten Modellen empirisch überprüfbare Voraussagen ab.

Die mathematische Physik betrachtet physikalische Modelle aus mathematischer Sicht, verallgemeinert sie und studiert ihre Eigenschaften in von der konkreten Anwendung abstrahierender Form.

Die angewandte Physik wendet physikalische Erkenntnisse zur Entwicklung neuer technologischer Verfahren an.

Teilgebiete der Physik  http://www.schulphysik.de/sucher1.html

Gebiete der Physik

PhysikalischeGrößen, SI-Einheiten und Symbole. Messen und Meßfehler.

Mechanik: Geschwindigkeit und Beschleunigung. Fall und Wurf. Masse und Kraft. Impuls, Arbeit, Leistung. Reibung. Druck. Strömungen. Schwingungen und Wellen.

Akustik: Schall und Schallquellen.

Thermodynamik: Wärmekapazität. Gasgesetze. Maschinen und Arbeitsdiagramme. Diffusion. Optik und Strahlung: Lichtausbreitung. Reflexion und Spiegel. Brechung. Elektronenoptik. Strahlungsgesetze. Laser. Interferenz des Lichtes.

Elektrizität und Magnetismus:

Elektrische Ladungen. Leiter. Dipole. Felder und Feldlinien. Influenz. Potential. Kapazität. Piezoeffekt. Strom. Widerstand. Akkumulator. Thermoelektrische Effekte. Magnetostatik. Lorentz-Kraft. Gleichstrom. Wechselstrom. Drehstrom. Generatoren. Elektromagnetische Wellen. Freie Elektronen. Elektronenröhren.

Halbleiter. Rückkopplung. Impedanz. Kathoden- und Kanalstrahlen.

Festkörperphysik: Kristalle und Gitter.

Elektronische Halbleiter.

Moderne Physik: Quantenmechanik. Raum, Zeit und Relativität.

Einteilung nach Studienobjekt

Die Klassische Mechanik von Isaac Newton war die erste geschlossene physikalische Theorie überhaupt. Sie beschreibt die Bewegung von Körpern unter der Einwirkung von Kräften, einschließlich solcher Kräfte, die zwischen den Körpern wirken.

Die Kontinuumsmechanik ist die Verallgemeinerung der klassischen Mechanik auf kontinuierliche Medien.

Die Strömungsphysik behandelt die Bewegung von Fluiden, d.h. nicht fester Substanzen. Untergebiete sind die Hydrodynamik (Dynamik von Flüssigkeiten) und die Aerodynamik (Dynamik von Gasen).

Die Optik behandelt die Eigenschaften des Lichtes und seiner Beeinflussung durch Materie.

Die Akustik behandelt die Eigenschaften von Schallwellen.

Die Thermodynamik behandelt alle Vorgänge, bei denen Wärme und Temperatur eine Rolle spielen.

Die Statistische Mechanik führt die Gesetze der Thermodynamik auf die Gesetze der Mechanik bzw. der Quantenmechanik zurück.

Die Elektrodynamik beschreibt elektrische und magnetische Phänomene.

Die Quantenmechanik ist eine fundamentale Theorie der Welt, die die klassische Mechanik ersetzt und viele, zumeist mikroskopische, Phänomene erklärt, die mit der klassischen Mechanik nicht erklärt werden können. Die Quantenmechanik bricht noch radikaler mit klassischen Vorstellungen als die Relativitätstheorie, und während sie experimentell immer wieder hervorragend bestätigt wird und die gesamte moderne Technologie auf ihr basiert, wird bis heute über ihre korrekte Interpretation gestritten.

Die Relativitätstheorien sind Theorien über Raum und Zeit, die die entsprechenden Vorstellungen der klassischen Mechanik ersetzen. Die spezielle Relativitätstheorie macht das Relativitätsprinzip mit der Elektrodynamik kompatibel, während die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitation als Krümmung der Raumzeit erklärt.

Die Quantenfeldtheorie ist die quantenmechanische Beschreibung von Feldern.

Die Stringtheorie ist ein Versuch, die fundamentalen Wechselwirkungen mit einer gemeinsamen Theorie zu beschreiben und dadurch insbesondere die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu vereinen.

Teilchenphysik

Beschleunigerphysik

Aufgabe der Atomphysik ist es, die Eigenschaften der Atome, insbesondere ihre Spektren zu erklaren. Sie beschränkt sich dabei in der Regel auf einen Energiebereich, in dem der Atomkern als strukturlos angesehen werden kann.

Molekularphysik

Festkörperphysik

Die Kernphysik studiert alle mit dem Atomkern zusammenhängenden Phänomene, die Kernstruktur und Kernreaktionen.

Reaktorphysik

Laserphysik siehe auch Spektroskopie

Tieftemperaturphysik

Die Plasmaphysik untersucht die Eigenschaften von Plasmen, d. h. hochgradig ionisierter Materiezustände.

Quantenelektronik

Die Astrophysik wendet physikalische Methoden auf das Studium astronomischer Phänomene an.

In der Biophysik werden die physikalischen Gesetzmässigkeiten, denen Lebewesen und ihre Wechselwirkung mit der Natur unterliegen, untersucht.

Die Geophysik nutzt physikalische Modelle zur Erklärung geologischer Strukturen und Vorgänge.

Die Physikalische Chemie liegt an der Schnittstelle von Physik und Chemie und befasst sich insbesondere damit, in der Chemie bekannte Eigenschaften komplexer Moleküle physikalisch zu erklären.

Aufgabe und Ziel der Physik

Aufgabe und Ziel der Physik ist es, die Objekte der Natur zu beobachten und ihre Eigenschaften, Zustände und Zustandsänderungen zu beschreiben. Dabei begnügt sie sich nicht mit qualitativen Angaben, sondern sucht immer quantitative Aussagen zu gewinnen, indem sie die gleichartigen Eigenschaften zweier Objekte vergleicht, oder indem sie gleichartige Ereignisse zählt.

Die meisten physikalischen Messungen bestehen aber nicht in einem einfachen Vergleich der Meßgrößen mit ihrer Einheit, sondern erfordern eine mehr oder weniger komplizierte Vergleichsapparatur. In vielen Fällen macht man sich die Gesetzmäßigkeiten komplizierter Vorgänge zunutze und berechnet die zu messende Größe aus einer Gleichung. Bei vielen Messungen wird die Messung der Meßgröße in die Messung einer Länge (Ablesung eines Zeigerausschlages auf einer Skala) übersetzt (z.B. Strommesser, Spannungsmesser, Uhr, Kraftmesser, Thermometer).

Messung einer physikalischen Größe

Die Messung einer physikalischen Größe bedeutet also den Vergleich mit einer Einheit dieser Größe. Wird dieser Vergleich unter gleichen Bedingungen wiederholt vorgenommen, so werden die Meßwerte voneinander, also auch von dem zu erwartenden wahren Wert der Meßgröße abweichen. Die Aufgabe besteht dann darin, aus den Meßwerten den bestmöglichen Schätzwert für den wahren Wert der Meßgröße, sowie ein Maß für die Unsicherheit des Schätzwertes zu ermitteln. Das Meßergebnis wird dann aus der Angabe dieses Schätzwertes und seiner Unsicherheit bestehen.

Geschichte

Die Physik ist eine Spezialwissenschaft innerhalb der exakten Naturwissenschaften. Wahrscheinlich prägte ARISTOTELES (384-322 v.Chr.) den Namen durch den Titel seines Werkes >physika< (Naturlehre). Die heutige Physik untersucht die Erscheinungen der unbelebten Natur, versucht sie zu interpretieren und Gesetze für das Verhalten der Natur zu finden. Dabei sind viele fließende Übergänge zu anderen Gebieten der Naturwissenschaften entstanden. Gleichzeitig stieg der Wissensumfang und die Spezialisierung in der Physik in den letzten Dekaden explosionsartig an.

Welche Aufgabe fällt in dieser Zeit der Physik an der Schule zu?

Es ist sicher nicht die Aufgabe der Schule, den Schülern ein enzyklopädisches Wissen der Physik "einzutrichtern". Vielmehr kann man den Physikunterricht an einer allgemeinbildenden Schule dadurch kennzeichnen, dass der Weg das Ziel ist. Hier gilt das Zitat: "Der Weg zum Richtigen führt über das Unklare, der Weg zum Exakten führt über das Ungenaue" (M.Wagenschein). Der Physikunterricht versucht also physikalische Phänomene (z.B. Blitz, Schwimmen, Fata Morgana, Regenbogen...) zu erklären. Dabei wird beobachtet, gemessen, werden Experimente geplant und durchgeführt, d.h. den Schülern wird die physikalische Arbeitsweise nahegebracht. Gleichzeitig werden physikalische Begriffe gebildet, die im Rahmen des Physikunterrichts den Aufbau einer Fachsprache deutlich werden lassen und zur einfachen Formulierung von Gesetzen führen. Dieser Unterricht erfordert eine intensive und zeitaufwendige Auseinandersetzung des Schülers mit dem Thema, wenn er Physik betreibt.

http://www.fulda-online.de/schulen/winfriedschule/physik.htm

http://www.raubfische.de/Physik.htm


Empfehlenswerte Bücher

Empfehlenswert sind die Bücher , die man in der Schule durchgearbeitet hat . Man sollte sich diese kaufen.

Für blutige Anfänger

Physik zum Schmökern.

Donnerwetter, Physik!.

Für Leute die unterhalten werden wollen

Regenbogen, Schneeflocken und Quarks.

Historische Versuche der Physik.

Das Top Quark, Picasso und Mercedes-Benz oder Was ist Physik?.

Und er würfelt doch:

Stephen W. Hawking - Eine kurze Geschichte der Zeit

Ein Buch, das Interesse an der Physik weckt. Stephen W. Hawking erzählt in allgemeinverständlicher Art und Weise die moderne Physik. Auch für Laien ist Eine kurze Geschichte der Zeit ein sehr schöner Zeitvertreib. Rowohlt Verlag,

1998, 271 Seiten.

Für Fortgeschrittene

Feynman, Leighton, Sands: Vorlesungen über Physik.

Oldenbourg 1999 ISBN 3486258575

Halliday, Resnick, Walker: Physik von Halliday.

Wiley 2003 ISBN 3-527-40366-3 (didaktisch sehr gut gemachtes Physiklehrbuch mit CD-ROM)

Paul A. Tipler - Physik

Eine schöne Übersicht über alle relevanten Themen der klassischen Physik. 1500 Seiten mit vielen Farbfotos und Abbildungen. Außerdem viele Rechenaufgaben zum Überprüfen des eigenen Wissens, aber auch Beispielrechnungen. Das Buch ist ein optimaler Begleiter durch das Grundstudium.

Spektrum Verlag, 1994, 1522 Seiten.

Christian Gerthsen - Gerthsen Physik

Dieses Buch, das man auch als großformatiges Handbuch der Physik verstehen kann, ist ein sehr gutes Nachschlagewerk für so ziemlich alle Bereiche der Physik. Auf die einzelnen Themen wird nicht sehr tief eingegangen, man bekommt allerdings einen guten Überblick. Wenn man über ein Thema schon ein bisschen Bescheid weiß, kann einem dieses Buch helfen, das Wissen zu erweitern oder zu bestätigen.

Springer Verlag, 1999, 1262 Seiten.

dtv Atlas Physik:


Gute Internetseiten

Physik.de

http://www.physik.de

Physik.de informiert Sie über aktuelle Berichte der Tages- und Fachpresse zum Thema "Physik". Außerdem besteht die Möglichkeit Patente zu recherchieren oder in einem umfangreichen Archiv zu stöbern. Leider ist der Downloadbereich noch im Aufbau.

Lehr- und Lernsystem zur Teilchenphysik

http://iphlehramt.physik.uni-mainz.de/lehrsystem/inhalt.html

Ein kompletter Onlinekurs zur Einführung in die Teilchenphysik, der auch eine umfangreiche Literaturliste enthält. Für einen ersten Überblick wird eine Tour durch die Teilchenphysik geboten, deren einzelne Stationen dann im Rahmen des Onlinekurses vertieft werden.

Java-Applets zur Physik

Walter Fendt stellt auf seinen Seiten Java-Applets vor, die physikalische Prinzipien aus den Bereichen Kernphysik, Thermodynamik, Mechanic, etc.von der abstrakten Ebene der Formeln loslösen und dem Betrachter die Möglichkeit geben, physikalische Gesetze visuell zu verstehen, wobei Sie hier selbst zum Experimentator werden können.

Grundlagen zur Teilchenphysik

http://www.physik.uni-erlangen.de/Didaktik/Grundl_d_TPh/titelseite.html

Ein umfangreicher Volltextkurs zur Teilchenphysik. Von den Grundlagen, über die Geschichte und die Standardmodelle bis hin zu den modernen Teilchenbeschleunigern und ihrer Funktionsweise. Dazu gibt es ein Physiklexikon und eine Rubrik mit Experimenten.

Volltextzeitschriften für Physik

Von dieser Seite aus haben Sie die Möglichkeit, auf viele Volltextversionen von Fachzeitschriften des Fachbereichs Physik direkt zuzugreifen. Die Zeitschriftentitel sind alphabetisch aufgelistet und decken alle Teilbereiche der Physik ab.

Physikalische Institute

Hier finden Sie Linksammlungen zu Online-Zeitschriften, physikalischen Instituten und Forschungseinrichtungen in ganz Deutschland. Die Links sind zwar ungeordnet, aber dennoch sehr ergiebig. Zusätzlich dazu können Sie sich über Kongresse und Berufe in der Physik informieren.

Donalds Physik-Links

http://donald.ikp.physik.tu-darmstadt.de/show/links.html

Diese Linkliste ist sehr kompakt und sehr übersichtlich gestaltet und enthält neben den Rubriken Kernphysik, Laser/Plasma-Physik und Astrophysik auch Tabellen, Formeln, Literaturhinweise, News und Skripte.

Studienführer Physik

http://mathphys.fsk.uni-heidelberg.de/studi/

Studierende, die an einen Studienortwechsel denken, können sich über diese Seite über die Anforderungen und Modalitäten des Physikstudiums an allen deutschen Universitäten informieren. Die Darstellung ist für alle Unis einheitlich, so daß die Vergleichbarkeit untereinander für den User gegeben ist.

Links der Hmboldt-Universität

http://pmm08.physik.hu-berlin.de/links.htm

Von dieser Seite aus gelangen Sie zu wissenschaftlichen Instituten, Bibliotheken und Verlagen, die sich weltweit mit Physik beschäftigen. Als Besonderheit sind Verweise zu den Homepages wissenschaftlicher Tagungen und die Firmen-Links zu nennen.

Physik im Web

http://www.zbp.univie.ac.at/LinksPhysik.html

Die Liste der hier aufgeführten Ressourcen ist unterteilt in allgemeine Physik, spezielle Ressourcen, wie z.B. Nanotechnologie und Teilchenphysik, sowie Astrophysik und Astronomie. Außerdem sind viele Links speziell zur Geschichte der Physik vorhanden und auch das Thema Physik in der Schule wird behandelt, was auch die Didaktik des Faches einschließt.

Physik-Applets

http://home.s-planet.de/kwode/

Noch eine Seite mit Java-Appletts. Diese richtet sich allerdings eher an Anfänger, da hier lediglich die Funktionsweise verschiedener Motoren und Dampfmaschinen dargestellt wird. Für Erstsemester ist diese Seite aber auf jeden Fall zu empfehlen.

Simulationssoftware zur Quantenmechanik

http://www.wuenstel.de/qm.html

In der herunterladbaren Software (Demoversion) ist das Unterprogramm "Stationäre Zustände im endlich tiefen Potenzialtopf“ im vollen Umfang nutzbar und stellt für Studenten und Schüler, die erstmals mit der Quantenmechanik konfrontiert sind eine echte Verständnishilfe dar. Ferner finden sich auf der Seite weiterführende Links zur Quantenmechanik.

Linksammlung Physik

http://won.mayn.de/mm-physik/top.htm

Verweise auf zahlreiche Linksammlungen zur Physik, auf Forschungsinstitute und Aufsätze. Besonders interessant für Studienanfänger, aber auch für Lehrer, da auch Verweise auf Downloadseiten für Unterrichtsmaterialien vorhanden sind.

Jan Kellers Physik-Seite

http://www.jan-keller.de/physlinks.html

Jan Keller bietet Links für allgemein an Physik Interessierte an. In der Rubrik berühmte Physiker erhalten Sie biografische Daten zu Newton, Einstein oder Archimedes. Generell verweisen viele der Links auf populärwissenschaftliche Seiten, trotzdem eignet sich die Seite auch für Profis als Einstiegspunkt.

http://www.clackas.de/html/physik.shtml

Physiklinks

Weblinks



Physik allgemein

Kategorie "Physik" beim Internet-Katalog dmoz.de

Physik-Portale: physik.de, pro-physik.de PhysNet

http://www.uni-magdeburg.de/avp/physik_im_www.htm - gute Physik-Linkseite

http://www.ptb.de/de/blickpunkt/interviews/_index.html - Was ist Physik? Antworten prominenter Physiker

http://www.gym-hartberg.ac.at/gym/physik/them.htm

Anregende Zusammenstellung wichtiger Themen der Physik

Physikalische Kleinigkeiten Physikalisches Weblog

Multimedia Physik Viele Links aus der Physik

teilchen.at Aktuelles, Erklärungen und Links zu Kern- und Teilchenphysik (mit leichtem Bezug zur Situation in Österreich)

Linksammlung zum Thema Physik, Studium der Physik in Marburg:

http://www.wackerart.de/physik.html




Physiksoftware

Sieger 1998

(Leitung Prof. Wolfgang Fraunholz) zusammen mit dem Südwestfunk Ausbildungsprogramm/ Telekolleg

Das Programm bietet einen interaktiven Lehrgang durch die gesamte Mechanik auf dem Niveau der gymnasialen Oberstufe an. Die didaktische Konzeption dieses Lehrgangs, nämlich grundlegende physikalische Einsichten unter Einbeziehung von übungsaufgaben mit Lösungskontrollen zu vermitteln, wird als maßstabsetzend angesehen. Unterschiedliche Lernwege ermöglichen dem Benutzer ein freies Bearbeiten der einzelnen Kapitel. Repräsentative Simulationen und Videos stellen motivierende Bezüge zu Alltagserfahrungen und Anwendungssituationen her. Im Einklang von Multimediatechnik und Didaktik wird ein als nicht leicht empfundenes Gebiet der Physik für die Lerner besser erschlossen, als dies mit konventionellen Methoden oder Medien erreicht werden kann. Die Jury würdigt mit der Auszeichnung ein überzeugendes und vorbildliches Konzept für den Erwerb naturwissenschaftlicher Kenntnisse. Sie erhofft sich mit der Auszeichnung auch eine Signalwirkung an Hersteller, die Entwicklung dieser Art von Programmen zu forcieren, die nicht nur für die gymnasiale Oberstufe, sondern auch in den Hochschulen im Grundstudium dringend benötigt wird.

http://www.bics.be.schule.de/cif/physik/software.htm


Didaktik in der Physik

http://btpdx1.phy.uni-bayreuth.de/

http://www.physikus.de/

Kinder retten die Welt   Physikus

Nach einem Meteoriteneinschlag droht ein Planet unterzugehen. Mit einer Impulsmaschine könnte die Katastrophe verhindert werden, wenn der Apparat nur funktionieren würde. Heureka Klett präsentiert mit Physikus eine raffinierte Kombination aus Lernprogramm und Spiel, das den Vergleich mit Riven nicht scheuen muss. Kinder ab zwölf Jahren suchen Einzelteile der Maschine und bauen sie zusammen. Das setzt allerdings bestimmte physikalische Grundkenntnisse voraus. Wer sich nicht auskennt, kann im Wissensteil nachschlagen. Gut aufbereitete Kapitel über Mechanik, Akustik, Elektrizitäts- und Wärmelehre bieten reichlich animierten Stoff zum Ausprobieren. Ein echtes Highlight.


In der Physik verwendete Begriffe und Zeichen

Übernommen von Corinne Bachmann

Die 4 Kräfte

Die 3 Basisgrößen

Die Basiseinheiten

Kinematik

Durchschnittsgeschw.

Momentangeschw.

Beschleunigung

Änderung der Geschwindigkeit ?v innerhalb der Zeit ?t; a= ?v/?t

Erste Ableitung von v nach t

Gleichförmige Bewegung

Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit s=v·t

In gleichen Zeitabschnitten ?t werden gleiche Wegstücke ?s zurückgelegt

Gleichmässig beschleunigte Bewegung

Beschleunigung bleibt nach Betrag und Richtung konstant

v=a·t ; s=? a·t^2 ;

Kreisbewegung

Bogenmass

B ist der Abschnitt auf dem Einheitskreis, der durch den Winkel a bestimmt wird

Winkelgeschwindigkeit

Zeigt an, wie schnell der Radiusvektor den Mittelpunktswinkel a überstreicht

Der Radiusvektor zeigt vom Mittelpunkt zu einem Punkt der Kreisbahn

? = ?a/?t

Frequenz / Umlaufzeit

Umlaufzeit T ist die Zeit, die es für einen Umlauf braucht

Die Frequenz ist der Kehrwert der Umlaufzeit

Bahngeschwindigkeit

Geschwindigkeit eines Punktes auf der Kreisbahn

?s= 2 p r ; ?t= T v = 2 p r f und v = r · ?

Vektor mit immer gleichen Betrag aber verschiedener Richtung, senkrecht zum Radiusvektor

Radialbeschleunigung

Vektor senkrecht zum Radiusvektor

a= v^2 / r oder a= ?^2 · r

Zentripetalkraft

F=m·a ; F= m· ?^2 ·r ; F= m v^2/r

Dynamik

Trägheitsprinzip

Ein sich selbst überlassener Körper bewegt sich ohne äussere Einwirkung geradlinig gleichförmig oder bleibt in Ruhe

Scheinkräfte

Treten nur in beschleunigten Bezugssystemen, nicht in Inertialsytemen auf.

Scheinkräfte erkennt man daran, dass es keine Gegenkräfte nach dem Reaktionsprinzip gibt.

Aktionsprinzip

Die Kraft F ist der Quotient aus der Impulsänderung ?p und der Zeit ?t in der diese Änderung erfolgt

F= ?p/ ?t ; F=m·a

Reaktionsprinzip

Übt der Körper A durch irgendeine Wechselwirkung die Kraft Fa auf den Körper B aus (actio), so übt auch B auf A die Gegenkraft Fb aus (reactio), die entgegengesetzt glich der ersten Kraft ist.

Impulserhaltung

Die Summer der Impulse vor dem Stoss ist gleich der Summe der Impulse

nach dem Stoss. In einem abgeschlossenen System ist die vektorielle Summe

der Impulse konstant.

Energetik

Wirkungsgrad

Das Verhältnis von Nutzenergie zu aufgewendeter Energie

Energieerhaltungssatz

In einem abgeschlossenen System ist die Summe der Energien konstant.

Stösse

Elastische: keine Verbindung nach dem Stoss p1+p2=p'1+p'2

Unelastisch: Verbindung nach dem Stoss p1+p2=p'

Gravitation

Kepler'sche Gesetze

1.Planeten bewegen sich auf Ellipsen, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht.

2.Der Leitstrahl eines Planeten zur Sonne überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen

3.Die Quadraten der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die Kuben ihrer grossen Bahnhalbachsen. T^2/a^3= konstant

Starrer Körper

Drehmoment

Drehmoment M ist das Produkt aus der Kraft F und dem senkrechtem Abstand r ihrer Wirkungslinie von der Drehachse.

M=r·F

Hebelgesetz

An einem Hebel herrscht Gleichgewicht, wenn die Summe aller im Uhrzeigersinne wirkender Drehmomente gleich der Summe aller gegen den Uhrzeigersinn wirkender Drehmomente ist.

Trägheitsmomente

Die Konstante J=M/a heisst Trägheitsmoment des Körpers in bezug auf die betrachtete Achse.

Analog zur Trägheit bei der Translationsbewegung

Schwerpunkt

Der Punkt eines Körpers in dem die gesamte Masse vereinigt gedacht werden kann. Bei Unterstützung im Schwerpunkt bleibt der Körper im Gleichgewicht.

Idealisierter Angriffspunkt für Kräfte

Wärmelehre

Temperatur

Physikalische Eigenschaft

Temperaturskalen wurden durch Definition festgelegt

Celsius-Temperatur

O°C = Temperatur des schmelzenden Eises

100°C = Temperatur des siedenden Wasserdampfs bei Normaldruck

Kelvin-Temperatur

0 K= absoluter Nullpunkt, es gibt keine Teilchenbewegung mehr

273.15 K = 0°C

Wärme

Energieform

Energie, die von einem Körper höherer Temperatur zu einem Körper tieferer

Temperatur fliesst

Anomalie des Wassers

Wasser hat bei 4°C seine grösste Dichte

Das v(T) Diagramm von Wasser zeigt keine Gerade

Spezifische Wärmekapazität

Stoffeigenschaft

Ist gleich der Wärmemenge, die erforderlich ist um 1kg des Stoffes um 1 K zu

erwärmen

Molare Wärmekapazität

C = (c·m·t)/(n·?t)

Mischkalorimetrie

Bei Mischversuchen ist die vom wärmeren Körper abgegebene Wärmemenge gleich der von dem kälteren Körper aufgenommenen Wärmemenge. Der Wärmeübergang dauert so lange, bis beide Körper die gleiche Temperatur haben

Schmelz- und Verdampfungswärme

Wärme, die aufgewendet werden muss bis ein Stoff schmilzt, bzw. die abgegeben wird, wenn ein Stoff erstarrt

Lf= Q/m

Stoffmenge

Ein System hat die Stoffmenge n= 1 mol, wenn aus ebenso vielen Teilchen besteht, wie Atome in 12 g des Kohlenstoffnuklids 12C enthalten sind.

Isotherme

Eine Zustandsänderung ist isotherm, wenn die Temperatur dabei konstant bleibt.

Isothermen sind die Kurven in Diagrammen bei solchen Prozessen

Isobare

Eine Zustandsänderung ist isobar, wenn dabei der Druck konstant bleibt

Isobare ist der Graph dieser Funktion

Isochore

Volumen bleibt konstant

Isochore ist der Graph dieser Funktion

Stirling'scher Kreisprozess

Vier Schritte (Takte)

Isotherme Expansion

Isochore Abkühlung

Isotherme Kompression

Isochore Erwärmung

Wärmekraftmaschine

Maschine mit einem idealen Gas und z.B. nach St. Kp; langsam, damit Zustandsgleichung der Gase angewendet werden kann.

Kraftmaschine, die Wärmeenergie in mechan. Energie umwandelt, z.B. Verbrennungsmotor, Dampfmaschine

?=1+ Q2/Q1 = 1- T2/T1

Wärmepumpe

Maschine zur Erzeugung von Wärme hoher Temperatur aus Wärme niedriger Temperatur, meistens Heizungsanlage

? = Q1/(Q1-Q2) = T1/T1-T2 T2 > T1

Kältemaschine ( Kühlschrank )

Sozusagen eine umgekehrte Wärmepumpe, als Energiereservoir sieht man hier die entzogene Wärme der tieferen Temperatur T2 an.

? =T2/T1-T2

Avogadrozahl

Na = 6.02 · 10^23 1/mol

Gaskonstante

R = 8.314 J/(mol·K)

Spezifische Wärmekapazität von Wasser

4.18 ·10^3 J/( kg·K)

Solarkonstante

S = 1.36 · 10^3 W/(m^2)

Elektrostatik

Positiv geladen

Elektronenmangel

Negativ geladen

Elektronenüberschuss

Elementarladung

Betrag der Ladung eines Elektrons e=1.602 · 10^-19

Gequantelte Grösse, d.h. es treten nur ganzzahlige Vielfache dieser Zahl auf

Influenz

Influenz ist die Trennung der Ladungen eines leitenden Körpers unter dem Einfluss der von einer äusseren Landung ausgeübten elektrischen Kraft.

Wenn ein geladener Körper in die Nähe eines neutralen Körpers gebracht wird, so teilt sich die Ladung in diesem auf und die entgegengesetzte geht zum geladenen Körper.

Elektrische Feldstärke

Ist ein Wert mit dem sich das Feld in einem bestimmten Punkt bestimmen lässt.

Die elektrische Feldstärke an einem Ort des Feldes ist der Quotient aus der Kraft F, die ein geladener Körper im betrachteten Feldpunkt erfährt, und seiner positiven Ladung q.

Homogenes Feld

In einem homogenen Feld sind die Richtung und der Betrag von E überall gleich.

Es entsteht beispielsweise zwischen zwei Platten von einem Plattenkondensator.

Potential

Wert zur Beschreibung des elektrischen Feldes; skalare Grösse

Das elektrische Potential eines Punktes (in Bezug zu P0) im E-Feld ist der Quotient aus der potentiellen Energie einer Probeladung in diesem Pkt und der Ladung selber.

Äquipotentialfläche= Fläche mit überall gleichem Potential

Spannung

Die elektrische Spannung U zwischen zwei punkten p1 und p2 ist gleich der Differenz ihrer Potentiale.

Unabhängig von Wahl des Bezugpunktes

Lässt sich mit Spannungsmessgerät messen

Dielektrizitätszahl

Stoffkonstante

Ein Dielektrikum ist ein Stoff, den man zwischen zwei Platten eines Kondensator einfügt und so seine Kapazität um den Faktor er erhöht. er nennt man Dielektrizitätszahl.

Gleichstrom

Ohmscher Widerstand

Ein Widerstand der unter normalen Verhältnissen konstant bleibt nennt man einen ohmschen Widerstand.

Nichtohmscher Widerstand

Ein nichtohmscher Widerstand ist von äusseren umständen wie Temperatur... abhängig. Er nimmt mit steigender Stromstärke zu.

Quellenspannung und Innenwiderstand

Jede Stromquelle hat selber einen Innenwiderstand Ri, somit wird an der Klemme nur noch ein Bruchteil der realen Quellenspannung U0, die Klemmenspannung U, abgenommen.

U= U0· R/(Ri+R)

Maschenregel

Die Summe der Spannungen in einer Masche ist gleich null.

Beweis Energieerhaltung

Knotenregel

An jedem Knoten eines Netzwerks ist die Summe der Stromstärken null.

Halbleiterdiode

p-Leiter: positive Leiter, Einbau von 3-wertigen Fremdatomen (Akzeptoren)

n-Leiter: negative Leiter, Einbau von 5-wertigen Fa (Donatoren)

pn-Übergang Stromfluss in Richtung p-Leiter zu n-Leiter

Magnetismus

Magnetfeld

Die Feldlinien eines Magnets sind geschlossene Kurven, von denen jeweils ein Teil ausserhalb und ein Teil innerhalb des Eisens verläuft.

Ausserhalb des Eisen verlaufen die magnetischen Feldlinien vom Nordpol zum Südpol und innerhalb des Eisens vom Südpol zum Nordpol.

Erdmagnetfeld

Geographischer Nordpol = magnetischer Südpol und umgekehrt

Deklination = Abweichung der Magnetnadel von der Vertikalen

Inklination = Abweichung von der Horizontalen

Remanenz

Restmagnetisierung in einem Eisenkern nach ausschalten des E-Feldes

Hohe Remanenz : Magnetisch hart

Herstellung von Permanentmagneten

Kleine Remanenz : Magnetisch weich

Transformatoren (kleine Energieverluste)

Lenz'sche Regel

Die Induzierte Spannung erzeugt in einer geschlossenen Schleife einen Induktionsstrom, der so gerichtet ist, dass er den ihn erzeugenden Vorgang zu hemmen versucht.

Induktionsgesetz

Ändert sich der Fluss F durch eine Leiterschleife mit N Windungen, so wird eine Spannung Uind induziert.

Magentische Feldkonstante

µo = 4 p · 10^ -7 Vs/Am

Wechselstrom

Effektivwert von Spannung und Strom

Wert den die Wechselstrommessgeräte anzeigen

I=î/v2 U=û/v2

Transformator

Transformatoren haben zwei Spulen, die auf einem geschlossenen Eisenkern angebracht sind. An der Primärspule wird eine Wechselspannung angebracht, an der Sekundärspule wird die transformierte Spannung abgegriffen.

Unbelastet, d.h. an der Ssp ist nichts angeschlossen :

U2/U1 =n2/n1

Belastet, d.h. an der Ssp ist eine Lampe o.ä. angeschlossen:

n2/n1= I1/I2

Elektrischer Schwingkreis

Ein Kreis aus Kondensator und Spule heisst elektrischer Schwingkreis, da in ihm elektrische Schwingungen stattfinden können.

Im e s finden periodische Umwandlungen von elektrischer und magnetischer Feldenergie statt.

f=1/(2 p vLC)

Energieübertragung mit Wechselstrom

Schwingungen

Gedämpfte Schwingung

Schwingung, deren Amplitude mit der Zeit abnimmt. Sie gibt Energie an die Umgebung ab.

Dämpfung i.A. immer durch Luft, sonst auch Wasser...

y=^yo · e^-kt cos ?t

Erzwungene Schwingung

Eine Schwingung, der eine konstante Energie zugeführt wird.

Resonanz

Wenn eine erz. Sc. bei einer bestimmten Erregungsfrequenz eine besonders grosse Amplitude aufweist, heisst dies Resonanz. Die Erf. heisst Resonanzfrequenz und stimmt in etwa mit der Eigenfrequenz überein.

Die Phasendifferenz beträgt dann p/2

Gekoppelte Schwingung

Wenn zwei Schwinger miteinander verbunden sind kann man folgendes beobachten: Die Amplitude des einen Sc. nimmt ständig ab und die des anderen zu, bis es zu einem Phasensprung kommt und das andere Pendel nun seine Energie wieder an das erste zurück gibt usw.

Wellen

Transversalwellen

Auslenkung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, z.B. Seilwelle

Longitudialwellen

Auslenkung parallel zur Ausbreitungsrichtung, z.B. Spiralfeder, Schallwellen

Harmonische Welle

Eine harmonische Welle entsteht durch eine harmonische (d.h. sinusförmige) Störung

Wellenzahl

Analog zu ? bei dem Zeitbild, k=2 p/?

Dopplereffekt

Ruhender Beobachter

fb = fq ·1/ ( 1±vq/c )

ruhende Quelle

fb = fq ·( 1± vb/c )

Nähern sich ein Sender und ein Empfänger, so nimmt der Empfänger eine höhere Frequenz wahr, als der Sender ausstrahlt. Entfernen sie sich voneinander, so verringert sich die Frequenz für den Empfänger.

Prinzip von Huygens

Jeder Punkt einer Wellenfront kann als Ausgangspunkt von Elementarwellen angesehen werden, die sich mit gleicher Phasengeschwindigkeit und Frequenz wie die ursprüngliche Welle ausbreiten. Die einhüllende aller Elementarwellen ergibt die neue Wellenfront.

Reflexion

Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel

Brechung

Treten Wellen aus einem einheitlichen Medium in ein anderes, so besitzen die Wellennormalen der einfallenden und der gebrochenen Welle verschiedene Richtungen.

sina/sinß = c1/c2

dicht zu dünn = vom Lot weg

dünn zu dick = zum Lot hin

Schallgeschwindigkeit in Luft

340 m/s

Lichtgeschwindigkeit

c = 3 · 10^8 m/s

Akustik

Tonhöhe

Intervall zwischen zwei Tönen ist durch das Frequenzverhältnis bestimmt

Frequenz der Schallwelle bestimmt die Tonhöhe

Schallpegel

Fechner'sches Gesetz; logarithmische Beziehung zwischen Schallintensität und subjektiver Lautstärkeempfindung.

Schallpegel L= 10 · lg (J/Jo)

Stehende Wellen

Eine Welle mit örtlich fest stehenden Knoten und Bäuchen nennt man stehende Wellen.

Kein Energietransport; nur bei bestimmten Frequenzen

Grundton

Der einfachste Ton, der bei einer Anordnung zustande kommen kann, Obertöne sind immer ,,Unterteilungen", sie sind proportional zum Grundton

Frequenzspektrum

20 Hz bis 20 kHz, d.h. rund 10 Oktaven

Oktave         2 :1

Quinte          3 :2

Quarte         4 :3

SI Einheiten


Berühmte Physiker

Buchtipp:

Die großen Physiker, 2 Bde.:

Max Planck

Einstein

Newton


Orginaltexte:

Was ist Physik?    http://linux.brgkepler.asn-graz.ac.at/rath/veroeff/was_ph.htm

Versuch einer didaktischen Antwort auf eine grundlegende Frage des Physikunterrichts

Gerhard Rath

1. Wie Schulbücher Physik definieren

"Die Physik ist die Wissenschaft von den Eigenschaften und Zustandsformen, dem inneren Aufbau ("Struktur") und den Bewegungen der unbelebten Materie, den diese Bewegungen hervorrufenden Kräften oder Wechselwirkungen und den dabei wirkenden Gesetzmäßigkeiten."

Diese Definition stammt aus einem österreichischen Schulbuch für den Physikunterricht. Sie steht auf einer der ersten Seiten dieses Buches, von dem Sie wahrscheinlich kaum die zugeordnete Schulstufe erraten werden: Es ist für Physik-Anfänger gedacht, für die 2. Klasse AHS bzw. HS. (1, S.6)

Dazu gleich eine lehrbuchhafte Aufgabe: Markieren Sie im Zitat alle Begriffe, die einem aufgeweckten Zwölfjährigen unbekannt sein dürften bzw. in der Alltagssprache anders verwendet werden als sie in der Fachsprache des Zitats gemeint sind!

Es bleiben wohl nur Füllworte übrig. Die Definition ist absolut nichtssagend, wohl nicht nur für Schüler dieser Altersstufe.

Sehen wir weiter: Für beginnende Oberstufenschüler wird Physik etwa so erklärt:

"Die Physik erforscht Naturgesetze und beschreibt damit Naturerscheinungen. Sie beschäftigt sich mit dem, was man über die Natur aussagen kann." (2, S.8)

Das klingt um einiges einfacher, sagt aber bei näherer Betrachtung auch nicht viel über die Physik aus. Naturgesetze sind ein wesentliches Ergebnis physikalischer Forschung - Physik erforscht ihre Resultate? Welche Natur ist überhaupt gemeint - die unberührte, oder einfach unsere Umwelt? Diese ist jedoch wiederum wesentlich von Physik und Technik geprägt und gestaltet - ein Zirkelschluss.

Vorsichtiger geht man im preisgekrönten Lehrwerk Physik compact ans Werk:

"Aufgabe: Überlege, wie du "Physik" definieren (einem Jüngeren erklären) würdest!

Sicher ist ein Ziel der physikalischen Forschung das Zurückführen aller Naturerscheinungen auf möglichst wenige Grundgesetze (Grundbausteine, Grundkräfte)."(3, S. 5)

Wieder wäre anzumerken, dass die erklärenden Begriffe durch die Physik selbst gestaltet wurden (Naturerscheinungen, Grundgesetze ...), wir also abermals eine Zirkeldefinition vor uns sehen. Der vife Schüler findet eine Auflösung der Aufgabe weiter hinten im Buch:

"Die Antwort auf diese Frage bereitet selbst Physikern Schwierigkeiten. Schlage in möglichst vielen Lexikas nach. Ein Vorschlag:

Physik ist eine Lehre von der Natur."(3, S.76))

Der Vorschlag ist vorsichtig und kurz, dafür inhaltsleer und statisch.

Anzumerken wäre, dass die Auswahl der Lehrbücher beliebig erfolgte, es sieht bei anderen dieser Art nicht wesentlich anders aus.

Es muss auch gesagt werden, dass neben diesen Zitaten viele Bemühungen zu finden sind, sich an den Begriff Physik von verschiedenen Seiten anzunähern (Teilgebiete, Forschungsmethoden, ...). Nichtsdestotrotz müssen solche Sätze den Eindruck erwecken, die Autoren hätten sich kaum mit der Frage auseinandergesetzt oder sich nicht bemüht, diese altersgemäß zu beantworten.

2. Wie ein Physiker Physik definiert

Nicht nur Schüler werden mit obigen Definitionen unzufrieden sein. Versuchen wir also eine Erklärung zu finden, die für physikalisch Gebildete, Lehrer oder auch Physiker selbst tragfähig ist.

Die Frage "Was ist Physik" ist natürlich keine physikalische, sondern muss der Wissenschaftstheorie zugezählt werden. Diese reflektiert über Wissenschaft und liegt damit erkenntnistheoretisch gesehen gar nicht so weit vom Lehren der Physik entfernt, da dieses ja auch über Physik erfolgt und nicht selbst Physik sein kann.

Tatsächlich ist der Begriff nicht so ohne weiteres zu definieren, wie von Herbert Pietschmann in seinem Buch "Phänomenologie der Naturwissenschaft" ausführlich darstellt wird (4, S. 3 ff). Eine Definition nach den strengen Regeln der Logik bringt wenig Erkenntnisgewinn: Physik ist eine Naturwissenschaft, die ... - der Oberbegriff muss selbst erst erklärt werden, wobei haarscharf die gleichen Probleme auftreten wie bei der Erklärung von "Physik", weiters müsste diese von anderen Naturwissenschaften eindeutig getrennt werden, was gerade in der aktuellen Forschung nicht möglich ist.

In der Geschichte gab es verschiedene Definitionsversuche, die jeweils besondere Aspekte des Begriffs hervorhoben, zum Beispiel:

Physik ist ...

Ein System von Erkenntnissen, Gesetzen, Theorien - das, was in den Physikbüchern steht

Eine besondere Methode des Erkenntnisgewinns, das Wechselspiel Theorie-Experiment, mathematische Naturbeschreibung

Eine Art Wahrheit, quasi-religiös, ein modernes Weltbild (C.F. v. Weizsäcker, (4), S. 6)

Ein gesellschaftlich-wirtschaflicher Faktor, Forschung, Expertentum, Macht

Ein dynamisches Ringen um Naturverständnis, wachsend, sich entwickelnd, mit "Paradigmenwechseln" (Th. Kuhn, (4), S. 5)

(nur) eine Art über die Welt zu denken, von vorneherein nicht besser oder schlechter als viele andere (z.B. Astrologie, Mystik

...), in einigen Bereichen erfolgreich, für andere ungeeignet (P. Feyerabend, (4), S. 5).

Pietschmann liefert nach einer Diskussion dieser Aspekte selbst einen Satz:

"Physik ist das, was die Physiker machen." (4, S. 6).

Logisch gesehen eine Zirkeldefinition, kann sie dialektisch verstanden werden, wie sie auch vom Autor gemeint und erklärt wird. Wie in einem Brennglas sammelt sie methodische, ergenbishafte, historische und gesellschaftliche Aspekte.

Der Physiker (die Physikerin) lässt sich eher bestimmen als die Wissenschaft: "Dies geschieht ... aus dem sozialen Kontext, durch die Zugehörigkeit zur "Gemeinschaft der Physiker". ... Allgemein wird wahrscheinlich anerkannt werden, dass zur Gemeinschaft der Physiker gehört, wer regelmäßig die einschlägigen physikalischen Kongresse besucht und/oder in physikalischen Fachzeitschriften publiziert." (4, S. 7)

Für mich ist dies die überzeugendste Definition von Physik, vielleicht weil sie im Gegensatz zu vielen anderen Versuchen von einem in der aktuellen Forschung stehenden Wissenschaftler stammt, der sich auch intensiv mit Philosophie auseinandergesetzt hat.

Danach gilt aber: Physiklehrer sind keine Physiker.

3. Wie Lehrer Physik definieren könnten

Aber sie haben Schülern zu erklären, was Physik ist. Klarerweise wird ein entscheidender Teil der Frage operational, also handelnd, beantwortet oder sollte es zumindest: Durch Beschäftigung mit Physik erfahren die Schüler schon, worum es dabei geht, auch wenn kein wichtiger Satz darüber formuliert wird. Soll dieses Verständnis aber nicht einseitig werden, müssen mehrere oder alle der oben genannten Aspekte gemacht werden, gemeint ist vom Schüler gemacht und nicht nur gehört. Solche Erfahrungen sind in der Schule nur in eingeschränktem Maße möglich - es lassen sich Elemente der Forschung nachvollziehen, aber: Auch Schüler sind keine Physiker!

Daher erscheint es mir sinnvoll und notwendig, die Frage im Unterricht auch explizit anzusprechen. Weniger im Anfangsunterricht, in der allerersten Stunde, dafür genügt ein Alltagsverständnis des Wortes. Sicher aber bereits in der Unterstufe bzw. Hauptschule. Ich möchte eine Erklärung für diese Altersgruppe versuchen, sie ist die grössere didaktische Herausforderung, da man sich in der Oberstufe leichter auf den gewohnten begrifflichen Apparat zurückziehen kann.

Der Vorschlag sieht vorerst keine Definition in einem Satz vor, sondern knüpft an die angeführten Aspekte an und versucht damit, den Begriff auf schülergerechte Weise einzukreisen. Er schlüsselt die Frage Was ist Physik? in mehrere "W"-Fragen auf:

Womit beschäftigt sich Physik?

Beispiele aus verschiedenen Teilgebieten, typische Objekte bzw. Modelle (vom Atom bis zur Galaxie), später eine Aufzählung der Teilgebiete selbst. Dieser Punkt wird in den meisten Schulbüchern auch angesprochen.

Wie arbeitet Physik?

Zum Verständnis des Wechselspiels Theorie-Experiment nach ganz speziellen Regeln ist die persönliche Erfahrung der Schüler am wichtigsten. Methoden-Schemata machen - wenn überhaupt - erst in den höchsten Klassen Sinn. Jüngere Schüler dürften aber den Vergleich mit der Methode von Detektiven verstehen - Suche nach Hinweisen, Sammeln, Ordnen, Nachdenken, Bilden von Theorien, Überprüfen, Stellen neuer Fragen usw. Ein Beispiel dazu liefert ein Unterrichtsvorschlag zum Teilchenmodell, in dem über ein konkretes Detektivspiel die methodische Vorgangsweise angesprochen wird (5).

Wer betreibt Physik?

Jetzt kommen die Physiker ins Spiel. Zuerst die "Großen", Bekannten, historische Forscherpersönlichkeiten. Physik ist etwas von Menschen Gemachtes. Später läßt sich die Bestimmung im Sinne Pietschmanns erweitern: Forschungsarbeit, Veröffentlichungen und Kongresse (also Meinungsaustausch innerhalb einer Gemeinschaft) gehören dazu.

Wo wird Physik betrieben?

Ein wichtiger, oft vernachlässigter Punkt, denn er führt endgültig in die Gegenwart und aus dem Klassenzimmer heraus. Universitäten, Institute, Firmen, Labors, Computernetze, ... , heute meist hochspezialisierte, hochtechnisierte Einrichtungen.

So sieht eben die aktuelle Physik aus!

Die Beschäftigung mit dieser Frage schützt vielleicht ein wenig vor Äußerungen der Art "Alles ist Physik ...". Bei einseitiger Behandlung des Aspekts physikalischer Inhalte, Ergebnisse und Anwendungen ("Womit ... ?") erfolgt gerade bei jüngeren Schülern leicht eine Antwort wie diese - es gibt ja nichts in ihrer Umwelt, wo Physik nicht in irgendeiner Form eine Rolle spielt - das Öffnen einer Flasche, Schwimmen, Fernsehen, ... - aber das alles ist eben noch lange keine Physik.

Wozu Physik?

Auf diese Frage gibt es viele mögliche Antworten:

Physik macht Spass, kann spannend und interessant sein.

Sie befriedigt Wissensdurst, wir lernen über unsere Welt, unsere Stellung in dieser Welt und über eine unserer Möglichkeiten, diese Welt zu erfahren und zu verstehen.

Sie bringt "sichere" Erkenntnis (4, S. 233 ff), vorhersagbare Ergebnisse. Jeder, der in einem Flugzeug fliegt, weiß dies zu schätzen.

Ihre Ergebnisse erleichtern unser Leben. Sie können helfen, Probleme zu lösen (die allerdings zum Teil durch die Naturwissenschaften erst geschaffen wurden)

Sie ist ein gewaltiger Wirtschaftsfaktor, viele Menschen leben davon.

Sie ist ein wesentlicher Teil unserer Kultur und Zivilisation.

Jede dieser fünf Fragen lässt sich auf verschiedenen Stufen mit verschiedener Genauigkeit und Ausführlichkeit behandeln. Ohne

Schwierigkeiten kann das Ganze auch in eine Definition in Form eines Satzes münden.

Die letzte Frage "Wozu Physik?" bezieht sich hier zwar auf die Physik der Physiker, hängt aber gerade für Schüler eng mit der

Frage "Wozu Physikunterricht?" zusammen, wie auch ihre Diskussion ganz zu Beginn des Oberstufenlehrbuchs von J. Schreiner

zeigt (6). Einsichten in die Wichtigkeit und Sinnhaftigkeit der Wissenschaft können auf ein entsprechendes Verständnis des

zugehörigen Schulfaches ausstrahlen.

Wenn wir über Physik lernen, verstehen wir besser, was Physiker machen. Wir können mitdenken, sollen mitreden und

-entscheiden. Dazu hilft uns zu wissen, was Physik ist.

Literatur:

(1) Becker u.a.: Physik heute 2 (2. Kl. HS und AHS), Salzburger Jugend Verlag

(2) Mathuber u.a.: Physik aktuell 1 (5./6.Kl.), Naturwissenschaftliche Verlagsgesellschaft Salzburg

(3) Jaros u.a.: Physik compact, Basiswissen 1, Hölder Pichler Tempsky

(4) H. Pietschmann: Phänomenologie der Naturwissenschaft. Springer 1996

(5) R. Driver, P. Scott: Schülerinnen und Schüler auf dem Weg zum Teilchenmodell. In: Naturwissenschaften im Unterricht - Physik 5 (1994) S. 24 ff

(6) Schreiner: Physik 1, Hölder Pichler Tempsky


Kronacher Physikschüler bei DESY den Quarks auf der Spur

Schüler des Leistungskurses Physik des Kaspar-Zeuß-Gymnasiums besuchten das Deutsche Elektronensynchrotron in Hamburg sowie Energiepark und Reaktor in Geesthacht

KRONACH. Den Quarks auf der Spur waren vor kurzem Physikschüler des Kaspar-Zeuß-Gymnasiums Kronach. Unter Leitung von Manfred Nerlich haben sie unter anderem in Hamburg das Deutsche Elektronensynchrotron DESY sowie den Energiepark und den Forschungsreaktor GKSS in Geesthacht besucht. Darüber haben sie folgenden Bericht verfaßt.

Am 13. März setzten wir uns unmittelbar nach dem Unterricht in den Bus, und schon um 18.30 Uhr waren wir dank der hervorragenden und zügigen Fahrweise unseres Fahrers Heinz Schmidt im Jugendgästehaus an der Horner Rennbahn in Hamburg. Schmidt wußte ein preiswertes Lokal, und so konnte gleich noch eine gemütliche Kursfeier stattfinden.

Am Samstag morgen untersuchten wir den Energiepark Geesthacht. Schon viele Jahre wird mit überflüssigem Nachtstrom Wasser aus der Elbe in einen Speichersee auf der etwa 80 Meter höher gelegenen Geest gepumpt. Bei Stromspitzen am Tag nutzt man über drei Turbinen die gespeicherte Energie des Wassers. Das erspart ein zusätzliches  Kraftwerk.

Ernüchternd wenig

Seit einigen Jahren wird zum Hinaufpumpen des Wassers zusätzlich eine Solar- und eine Windkraftanlage mit 500 kW genutzt. In einem Jahr könnte man das Staubecken damit 1,5mal füllen und könnte dann die drei Turbinen knappe zehn Stunden “Spitzenstrom” erzeugen lassen. Ernüchternd wenig, wenn man den Aufwand betrachtet.

Anschließend nahmen wir gern das Angebot einer Stadtrundfahrt an. Heinz Schmidt erwies sich als ausgezeichneter Kenner von Hamburg.

Am Sonntag standen der Fischmarkt und eine Hafenrundfahrt auf dem Programm. Wie immer in der freien Zeit nutzten die Kollegiatinnen und Kollegiaten die Möglichkeit, in kleinen Gruppen zu Fuß oder per U- und S-Bahn Hamburg kennenzulernen.

Das Deutsche Elektronensynchrotron DESY am Montag war das Hauptziel unserer Studienfahrt. DESY ist eine richtige kleine Stadt innerhalb von Hamburg mit einer Vielzahl von Forschungslabors. Experimentierhallen und Büros, dazwischen Straßen, Querstraßen und ein Rundverkehr mit einem inneren und einem äußeren Ring, fast wie in Kronach. Finanziert wird der Millionenhaushalt zu einem großen Teil von Hamburg; Wissenschaftler aus 70 Nationen dürfen hier forschen.

Durch Zufall hatten wir schon frühzeitig Kontakt mit Professor Dr. Dietrich Wegener aufnehmen können, einem der führenden Forscher von DESY. Während der Semesterzeiten lehrt er  Experimentalphysik an der Uni Dortmund. Frau Nagel von der Öffentlichkeitsarbeit war es gelungen, im Terminkalender von Herrn Wegener ein “Schlupfloch” zu finden und hatte alles bestens vorbereitet.

Herr Pöschel, ein Doktorand von Herrn Wegener, führte uns zunächst in die Bedeutung von DESY ein. Hatte man ursprünglich Protonen und Neutronen als Bausteine der Kerne für unteilbar gehalten, ergaben Kernspinversuche widersprüchliche Ergebnisse. Um eine innere Struktur nachzuweisen, baute man den 6,3 Kilometer langen, ringförmigen Beschleunigertunnel HERA etwa 20 Meter unter der Erde weit über das DESY-Gelände hinausragend, in dem Elektronen und Protonen in entgegengesetzter Richtung beschleunigt werden. In vier Hallen läßt man die Teilchen aufeinanderprallen und analysiert die Ergebnisse.

Man entdeckte die Quarks und als Bindeglieder die Gluonen. Die meisten Elektronen “treffen” allerdings nicht auf Protonen und versuchen es nach einer weiteren Runde nochmals; daher der Begriff Speicherring. Um die Wärmeverluste beim Beschleunigen und Ablenken in Grenzen zu halten, arbeitet man mit supraleitenden Dipol- und Quadropolmagneten.

Erstere zwingen die Teilchen auf eine Kreisbahn, letztere fokussieren wie eine Linse bei Licht. Man kühlt also mit Helium unter die für Supraleitung kritische Temperatur. Trotzdem entsteht in den Zuleitungen soviel Abwärme, daß Temperaturen von über 40 Grad Celsius entstehen. Im Tunnel kann also nur gearbeitet werden, wenn er nicht in Betrieb ist. Da gerade Betriebspause war, durften wir besichtigen, aber 6,3 km waren uns doch zu viel. Für die Mitarbeiter und Forscher ist daher das Fahrrad das wichtigste Verkehrsmittel.

Ein Geburtstagsständchen nach der Mittagspause für Prof. Dr. Wegener ließen wir uns nicht entgehen. In beeindruckend einfacher Weise erklärte uns Prof. Wegener schwierigste Zusammenhänge und erläuterte weitere Forschungsziele. Die Energie der beschleunigten Teilchen muß dazu ständig weiter erhöht werden, was riesige Investitionen erfordert, für ein nationales Projekt mit internationaler Beteiligung eine große Leistung. Die Wissenschaftler müssen heute die Politiker von der Notwendigkeit dieser Investitionen überzeugen, damit die deutsche Forschung in vielleicht zehn Jahren mit neuen Ergebnissen ihre Spitzenstellung auf einigen Gebieten verteidigen kann.

“Forschung live”: Geduldig und gleichzeitig begeisternd beantworteten Prof. Wegener und die anwesenden Doktoranden noch unsere Fragen. So konnte zum Beispiel die Akzeptanz der Bewohner, unter deren Häusern HERA verläuft, durch umfassende und persönliche Information von Haus zu Haus sehr hoch gehalten werden.

Die vorgesehene Zeit ist fast schon überschritten, als die Doktoranden uns endlich in einigen der vielen Hallen die Fortschritte ihrer monatelangen Bemühungen bei den Doktorarbeiten zeigen können. Fast wie ein Freund steht Professor Wegener dabei, wenn die jungen Forscher mit vor Begeisterung glühenden Gesichtern berichten.

Strenge Vorschriften

Der Dienstag morgen sah uns im Forschungsreaktor GKSS in Geesthacht. Strenge Sicherheitsvorschriften schon bei der namentlichen Voranmeldung; jetzt muß jeder ein Dosimeter mitführen. Der Schichtleiter und sein Stellvertreter führen uns in zwei Gruppen zunächst in den Leitstand, dann dürfen alle Volljährigen in den Reaktorraum.

Durch acht Meter Wasser des Reaktorbeckens vor Strahlung geschützt, sehen wir von oben direkt die dunkelviolette Tscherenkow-Strahlung des arbeitenden Reaktors. Beim Verlassen wird jeder in einem Detektor auf Radioaktivität untersucht. Später sind wir in der Versuchshalle. Strahlenförmig vom Reaktor gehen die Versuchsanordnungen aus, in denen die Neutronen des Reaktors auf andere Teilchen treffen. Wir erfahren zum Beispiel, wie man Neutronen einheitlicher Geschwindigkeit herstellt.

Nach dem Mittagessen sitzen wir gegen 13 Uhr wieder im Bus und schlafen erst mal eine Runde, während uns Herr Schmidt sicher nach Kronach bringt. Gegen 20 Uhr sind wir zu Hause . . . und sind am nächsten Morgen um 7.40 Uhr vollzählig im Physiksaal, um die nächste Klausur vorzubereiten.

Endlich kommen CD-ROMs auf den Markt, die die Möglichkeiten des

Mediums wirklich ausschöpfen. Statt Animationen werden interaktiv

steuerbare Simulationen geboten, die das Verständnis von

technisch-naturwissenschaftlichen Zusammenhängen erleichtern. Als

herausragendes Beispiel kann die Physik-Lehrscheibe aus dem Hause

BHV gelten, die praktisch den gesamten Mittelschulstoff behandelt und

auf vielfältige Weise darstellt. Zur Überprüfung des Wissens sind

Aufgaben eingestreut, mit denen sich die Schüler auf den nächsten Test

vorbereiten können.

Physik 8.0, CD-ROM für Windows, BHV, Kaarst 1997.

BiN - Bücher im Netz

Der paradoxe Eierkocher

Es begann mit einem Geschenk. Seine Eltern statteten seine Studentenbude

mit einem elektrischen Eierkocher aus. Das

ideale Geschenk für jemanden, der bei zeitkritischen Angelegenheiten nie

das richtige Timing trifft. In unregelmäßigen

Abständen, wann immer sein Stundenplan ein gemütliches Frühstück

erlaubte, hatte er zwar seither die Eier immer genau

so wie gewünscht, das Frühstück konnte er aber dennoch nicht genießen. Es

wurde immer von zwei quälenden Fragen

begleitet:

Wieso benötigt man für das Kochen von mehr Eiern weniger Wasser?

Woran merkt der Eierkocher, daß die Eier fertig sind?

Leuten in solchen Situationen kann jetzt geholfen werden. Wie weit kann

man eine Bananenschale aus dem fahrenden

Auto werfen? Wie groß muß ein Heißluftballon sein um in die Luft zu gehen?

Warum läutet eine Glocke nicht, obwohl sie

alles hat, was sie zum Läuten braucht? Wie kann man sich einfach eine Lupe

oder einen Kreisel basteln? Warum eiern

manche Jojos andere hingegen nicht?

Professor Bürger bietet in seinem Buch einen bunten Strauß von Beispielen

aus der Physik des Alltags. In ineressanter

Weise greift er Dinge und Themen auf, die man zwar aus dem Alltag kennt,

über die man sich aber in der Regel keine

Gedanken macht. Die meisten Beiträge entstammen seiner Kolumne im Bild

der Wissenschaft. Er fühlt sich dabei ganz in

der der Tradition von Martin Gardner, der das Scientific American mit seinen

mathematischen Spielereien bereichert hat.

Bürger ist im Vergleich zu Gardner etwas weniger abstrakt mit mehr Bezug

zur Realität, was aber auch in der Natur der

Thematik liegt.

Es macht Spaß zu sehen, daß man auch ohne teure Apparaturen einigen

physikalischen Phänomenen auf den Grund

gehen kann. Eine wichtige Voraussetzung für die Lektüre des Buches ist

jedoch ein mathematisches Grundverständnis und

Übung mit formalen Modellen. Die Beispiele beginnen zwar meist mit einer

einführenden Anekdote, Bürger kommt aber

schnell (manchmal zu schnell) auf das physikalische Modell zu sprechen.

Anhand dieser Modelle werden die Ergebnisse

abgeleitet und diskutiert. Dazu benötigt man z.B. auch Wissen über

Trigonometrie, Differentialgleichungen usw., welches

man nur teilweise in der Schule lernt. Daher müssen Hoffnungen von Eltern,

mit diesem Buch einem uninteressierten Kind

die Liebe zur Physik nahezubringen, wohl bald begraben werden.

Wieviel Energie spart der Verkehrsbetrieb, wenn man hinten in die

Straßenbahn einsteigt? Für alle, die das brennender

interessiert als die banale Frage, wann denn die nächste Straßenbahn fährt,

ist das Buch ein Muß. Bitterer Beigeschmack

für die Liebhaber ist allerdings der Preis von knapp 50 Mark. Denn man

überlegt es sich schon zweimal, ob man das Buch

mal eben so einer Freundin oder einem Freund schenken möchte.

Doch zurück zu unserem Eierfreund. Natürlich hatte er schon lange, bevor er

das Buch in Händen hielt, eigene Theorien zu

seinen Fragen entwickelt. Er war sehr entäuscht, als seine Theorien mit dem

lapidaren "...wie einfach, wie falsch..."

abgetan wurden. Mehrmalige Lektüre der entsprechenden Passage sorgte

jedoch für ein besseres Verständnis des

Problems und für eine zufriedenstellende Lösung. Nun kann er seine

ausgedehnten Frühstücke ohne quälendes

Nichtwissen ausgiebig genießen. Auch der Eierkocher hat von diesem Buch

profitiert. Sonst wäre er sicherlich der Neugier

zum Opfer gefallen und irgendwann einmal zwecks besserem Verständnis in

seine Einzelteile zerlegt worden.

Martin Strobel

Der paradoxe Eierkocher ist erschienen bei Birkhäuser.

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Titel 1..50/430

Arbeitsblätter Physik. Mechanik.

DM 32,00; Klett Schulbu; Kt

Arbeitsbuch Physik.

DM 32,00; Europa-Lehrm.; Kt +; 1995

Arbeitsbuch Physik. Methodische Lösungswege. (NZ)

DM 28,00; Europa-Lehrm.; Kt +; 12.1995

Astronomie. Lehrbuch für Klasse 10.

DM 18,80; Volk u. Wisse; Kt; 1987

Aufgabensammlung Physik. Physikolympiaden.

DM 10,00; Volk u. Wisse; Pp; 1990

Beck, Otto: Physik für die Fachoberschule.

DM 32,80; Stam Vlg., Kö; Pp +

Bleichroth, Wolfgang: Physik / Chemie ab 7. Schuljahr

DM 43,00; Westermann Sc; Pp; 1980

Borucki, Hans: Physik zum Schmökern.

DM 38,00; Aulis, Köln; Pp; 12.1993

Brandenburg, Rainer J.: Sechzig Simulationen zur Physik.

DM 34,80; Dümmler, Bonn; Kt; 10.1994

bsv Physik I. Lösungen. Neubearbeitung für Bayern.

DM 14,80; Bayer. Schulb; Kt; 1993

bsv Physik I. Neubearbeitung für Bayern. Gymnasium.

DM 28,80; Bayer. Schulb; Kt; 1992

bsv Physik II. Lösungen. Neubearbeitung für Bayern. Gymnasium.

DM 14,80; Bayer. Schulb; Kt; 1994

bsv Physik II. Neubearbeitung für Bayern. Gymnasium.

DM 29,80; Bayer. Schulb; Kt; 1993

bsv Physik III. Lösungen. Neubearbeitung für Bayern. Gymnasium.

DM 17,80; Bayer. Schulb; Kt

bsv Physik III. Neubearbeitung für Bayern. Gymnasium.

DM 34,80; Bayer. Schulb; Kt; 1994

bsv Physik. Sekundarstufe I. Schülerbuch.

DM 40,80; Bayer. Schulb; Pp; 1994

bsv Physik. Sekundarstufe II Mechanik.

DM 29,80; Bayer. Schulb; Kt; 1993

CVK Physik für die Sekundarstufe I. Ab dem 7. Schuljahr. Berlin.

DM 34,90; Cornelsen, Dü; Kt

CVK Physik für die Sekundarstufe I. 7. bis 10. Schuljahr Hessen.

DM 58,90; Cornelsen, Dü; Pp

CVK Physik für die Sekundarstufe I. 7. Schuljahr, 1. Halbjahr Berlin.

DM 9,80; Cornelsen, Dü; Kt

CVK Physik für Gesamtschulen. 6. Schuljahr NRW.

DM 25,90; Cornelsen, Dü; Kt

CVK Physik für Gesamtschulen. 7./8. Schuljahr NRW.

DM 28,90; Cornelsen, Dü; Kt

CVK Physik für Gesamtschulen. 9./10. Schuljahr NRW.

DM 34,90; Cornelsen, Dü; Kt

CVK Physik für Hauptschulen. Ab dem 7. Schuljahr Hessen.

DM 35,90; Cornelsen, Dü; Kt

CVK Physik für Realschulen. 10. Schuljahr Baden/ Württemberg.

Bisherige Ausgabe.

DM 21,90; Cornelsen, Dü; Pp

CVK Physik für Realschulen. 10. Schuljahr Rheinland/ Pfalz.

DM 24,90; Cornelsen, Dü; Kt

CVK Physik für Realschulen. 7. bis 10. Schuljahr Rheinland/ Pfalz.

DM 43,90; Cornelsen, Dü; Kt

CVK Physik für Realschulen. 7. bis 10. Schuljahr Saarland.

DM 51,90; Cornelsen, Dü; Pp

CVK Physik für Realschulen. 7. Schuljahr Rheinland/ Pfalz.

DM 23,90; Cornelsen, Dü; Kt

CVK Physik für Realschulen. 8. Schuljahr Baden/ Württemberg.

Bisherige Ausgabe.

DM 23,90; Cornelsen, Dü; Pp

CVK Physik für Realschulen. 9. Schuljahr Baden/ Württemberg.

Bisherige Ausgabe.

DM 23,90; Cornelsen, Dü; Pp

CVK Physik für Realschulen. 9. Schuljahr Rheinland/ Pfalz.

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Duden. Schülerduden. Die Physik.

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Dürr, Alfred: Physik für Berufsfachschulen. Fachrichtung Hauswirtschaft

und Sozialpädagogik.

DM 31,80; Stam Vlg., Kö; Kt +; 1994

Einblicke Physik. Gesamtband für das 7.-9. Schuljahr.

DM 34,80; Klett Schulbu; Pp

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DM 19,80; Klett Schulbu; Kt

Eine Einführung in die Physik III.

DM 38,00; Diesterweg, F; Pp; 1991

Einführung in die Physik. Sekundarstufe I

DM 49,80; Diesterweg, F; Pp; 1987

Einführung in die Physik. Sekundarstufe I. Ausgabe E in einem Band.

DM 54,80; Diesterweg, F; Pp; 1994

Einführung in die Physik. 6. Schuljahr. Für Gymnasien in NRW.

DM 24,00; Diesterweg, F; 1995

Einführung in die spezielle Relativitätstheorie.

DM 19,80; L. Auer, Dona; Kt

Eisenmann, Siegfried: Physik Kernphysik / Elektronik.

DM 29,80; L. Auer, Dona; Kt; 08.1995

Exner, Birgit: Physiker- Anekdoten.

DM 34,00; Neuer Breitsc; Pp; 08.1996

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Explorer Physik. Elektrizitätslehre I. Schülerheft.

DM 12,80; Cornelsen, Dü; Kt

Explorer Physik. Elektrizitätslehre I. Windows 3 1/2'- Diskette.

DM 298,00; Cornelsen, Dü; Dsk+

Explorer Physik. Elektrizitätslehre II. Macintosh 3 1/2'- Diskette.

DM 298,00; Cornelsen Sof; Dsk+

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Titel-Info

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Borucki, H: Physik zum Schmökern.

Autor: Borucki, Hans

Titel: Physik zum Schmökern.

Untertitel: Ein physikalisches Lesebuch für junge Leute und ihre älteren

Geschwister und ihre Eltern und ihre Großeltern, wenn sie sich

mit Enkeln, Kindern oder Geschwistern über die interessante Welt

der Physik unterhalten wollen.

Abb.: Zahlr. Abb., Tab.

Seitenzahl: 272 S.

Zugang/Nachtr.: 23.11.93

Ersch.-Jahr: 12.1993

Gewicht: 546 g

Einband: Pp

Preis: DM 38,00

ISBN: 3-7614-1472-2

LIBRI-Nr.: 7506872

Verlag: AULIS VERLAG

Schlagwort: Physik / Schulphysik, Schulbücher

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Duden. Schülerduden. Die Physik.

Titel: Duden. Schülerduden. Die Physik.

Untertitel: ( SB)

Hrsg.: Hrsg. u. bearb. v. Meyers Lexikonredaktion unter Leitung von

Bethge, Klaus

Abb.: Zahlr. Abb. u. Tab.

Seitenzahl: 496 S.

Ausstattung: Alt: 3102 661

Zugang/Nachtr.: 27.02.95

Ersch.-Jahr: 1995

Auflage: 3., überarb. u. erg. A.

Gewicht: 486 g

Einband: Pp

Preis: DM 26,90

ISBN: 3-411-05373-9

LIBRI-Nr.: 9043870

Sachgruppe: 013

Verlag: BIBLIOGRAPHISCHES INST.

Schlagwort: Physik / Lexika

Schlagwort: Physik / Schulphysik, Schulbücher

Schlagwort: Schüler - Schülerin

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Aufgabensammlung Physik. Physikolympiaden.

Titel: Aufgabensammlung Physik. Physikolympiaden.

Untertitel: Aufgaben der Internationalen Physikolympiaden 1967 bis 1985.

(SB)

Hrsg.: Hrsg. von Wendt, Joachim

Mitarb.: Bearb. von Gau, Rudolf / Walta, Udo / Wendt, Joachim

Abb.: Zahlr. Abb.

Seitenzahl: 136 S.

Zugang/Nachtr.: 07.02.94

Ersch.-Jahr: 1990

Auflage: 2. A.

Gewicht: 306 g

Einband: Pp

Preis: DM 10,00

ISBN: 3-06-022178-2

LIBRI-Nr.: 8050180

Sachgruppe: 013

Verlag: VOLK UND WISSEN

Schlagwort: Physik / Aufgaben, Examen

Schlagwort: Physik / Schulphysik, Schulbücher

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Hat Coulomb Daten geschönt?

Nachgebautes Meßinstrument führt nicht zu seinem Gesetz

faz 12/93

Konnte der französische Physiker Charles Augustin Coulomb das nach ihm

benannte Gesetz tatsächlich mit seinen Experimenten finden? Die

Oldenburger Wissenschaftshistoriker Falk Riess und Peter Heering haben

die Messungen unlängst mit einem originalgetreuen Nachbau der

historischen Drehwaage wiederholt. Trotz sorgfältigster Arbeit gelang es

ihnen jedoch nicht, die von Coulomb veröffentlichten Ergebnisse zu

reproduzieren. Sie halten es daher für möglich, daß Coulomb die publizierten

Daten überhaupt nicht gemessen, sondern schlichtweg berechnet hat. Mit

dieser Behauptung, die 1992 im "American Journal of Physics" (Bd. 60, S.

988) veröffentlicht und erst kürzlich in der Zeitschrift "Nature" aufgegriffen

wurde, haben die Oldenburger Forscher eine lebhafte Debatte unter

Wissenschaftshistorikern ausgelöst. Coulomb benutzte für seine Experimente

ein selbst für heutige Maßstäbe äußerst feines Meßinstrument, das aus einer

festen und einer frei beweglichen Kugel besteht. Beide Kugeln werden zu

Beginn des Versuchs gleich stark aufgeladen, so daß sie sich gegenseitig

abstoßen. Um die zugehörige Kraft zu messen, hatte Coulomb die

bewegliche Kugel an einer waagerecht aufgehängten Nadel angebracht. So

konnte sie der elektrostatischen Abstoßung ausweichen, bis die zunehmende

Verdrillung des Fadens die Bewegung zum Stillstand brachte. Auf diese

Weise, behauptet Coulomb, habe er nachweisen können, daß die Kraft

zwischen den Ladungen umgekehrt proportional zum Quadrat ihres

Abstandes ist. Die Oldenburger Physiker, die schon etwa zwanzig historische

Experimente nachgebaut und überprüft hatten, konnten den Befund nicht

bestätigen. Mit ihrer bis ins Detail originalgetreuen Apparatur fanden sie

dagegen eine Vielzahl anderer, meist komplizierter Gesetzmäßigkeiten.

Erstmals waren sie nicht in der Lage, die Ergebnisse eines historischen

Experimentes zu verifizieren. Heering und Riess führen dies auf die

mangelnde elektrostatische Abschirmung des Versuchsaufbaues zurück: Da

der Experimentator selbst elektrostatisch geladen sei, beeinflusse er

unweigerlich seine Messungen. Zum Beweis dieser Vermutung wiederholten

die Physiker das Experiment im Inneren eines feldfreien Faradayschen

Käfigs - und konnten Coulombs Gesetz nunmehr einwandfrei bestätigen.

Weil dieses Hilfsmittel aber erst einige Jahrzehnte nach Coulombs

historischem Experiment entdeckt wurde, liege der Verdacht nahe, daß

Coulomb seine Ergebnisse wenn nicht berechnet, so doch zumindest

passend ausgewählt habe. Einige Wissenschaftshistoriker überlegen nun, ob

es ihm nicht doch möglich gewesen sei, das Experiment gegen die eigene

Aufladung abzuschirmen. Er hätte sich beispielsweise blitzschnell von der

Apparatur entfernen und die Auslenkung der Drehwaage durch ein Fernrohr

ablesen können, vermutet etwa der Historiker Jed Buchwald vom

Massachusetts Institute of Technology. Diese Methode sei zur damaligen Zeit

durchaus üblich gewesen ("Science", Bd. 262, S. 500). Dagegen spricht nach

Ansicht der Oldenburger Physiker allerdings, daß Coulomb offenbar gar nicht

an die Möglichkeit dachte, sein Experiment könne durch eine elektrostatische

Aufladung gestört werden. Statt dessen führte er das verräterische Zittern der

Nadel um die Gleichgewichtslage, das auch die Oldenburger Physiker

beobachten konnten, auf Luftzug im Labor zurück. Coulomb empfahl daher

bereits in seiner Veröffentlichung, die Drehwaage zu Anfang des Experiments

um 30 bis 40 Grad auszulenken, um den resultierenden Fehler gering zu

halten. Doch auch diese Maßnahme bescherte den Oldenburger

Wissenschaftlern nicht den gewünschten Erfolg. Ebensowenig konnten

geöffnete Fenster und Türen die Schwingungen der Drehwaage

beeinflussen. Für Heering und Riess liegt daher der Schluß nahe, daß

Coulomb seine Ergebnisse manipulierte, weil er das Gesetz bereits kannte.

Mit ihrer Arbeit wollen die Oldenburger Wissenschaftshistoriker weniger

Coulombs Leistungen schmälern als vielmehr ein neues Licht auf das

Auffinden wissenschaftlicher Erkenntnis werfen. Sie machen darauf

aufmerksam, daß Coulombs Gesetz bei seinen Zeitgenossen keineswegs

vorbehaltlos akzeptiert wurde. Vor allem in Deutschland glaubten Physiker

noch vierzig Jahre nach Coulombs Veröffentlichung, die elektrostatische

Kraft sei nicht zum quadratischen, sondern nur zum einfachen Kehrwert des

Abstandes proportional. Aber auch englische Physiker meldeten vereinzelt

Zweifel an, weil sie mit ähnlichen Experimenten zu anderen Ergebnissen

kamen. Lediglich in Frankreich wurde das 1785 veröffentlichte Gesetz

kritiklos angenommen - vor allem wohl deshalb, weil es dort der gängigen

Erwartung entsprach, daß die elektrostatische Kraft einem ähnlichen Gesetz

gehorchen müsse wie die Gravitationskraft. Diese Annahme, die sich

schließlich bewahrheitet hat, überzeugte die deutschen Physiker damals

nicht. Sie glaubten, geladene Körper seien von einer Art elektrischer

"Ausdünstung" umgeben, und suchten deshalb nach einer Analogie zu Boyle-

Mariottes Gesetz, das unter anderem die Wechselwirkung von Gasen

beschreibt. Die Abstoßung der Gaspartikel ist dort tatsächlich umgekehrt

proportional zum einfachen Kehrwert ihres Abstandes. Vor diesem

Hintergrund erscheint der Schluß naheliegend, daß Wissenschaftler geneigt

sind, in ihren Meßergebnissen gerade dasjenige theoretische Konzept

wiederzuerkennen, dessen Beweis sie gerade antreten wollen. Die Arbeiten

von Heering und Riess deuten darauf hin, daß offenbar auch große

Wissenschaftler vor dieser Gefahr keineswegs immer gefeit waren. ANNE

HARDY

Bildunterschrift:

Die Drehwaage, mit der Coulomb das nach ihm benannte physikalische

Gesetz gefunden haben will, hat er selbst im Jahr 1785 gezeichnet. Bild

Universität Oldenburg

Die Fallen der Schwerkraft

Bei Newtons Gesetz versagt die Anschauung

faz 11/95

Die Schwerkraft ist eine eigenartige Kraft. Stets wirkt sie anziehend, nie

dagegen, wie beispielsweise elektrische und magnetische Kräfte, abstoßend.

Deshalb hält sie auch unser Sonnensystem zusammen und sorgt dafür, daß

Menschen, Türme oder Ameisenhaufen auf der Oberfläche der Erde bleiben

und nicht haltlos irgendwohin ins Weltall entschweben. Sir Isaac Newton

erklärte vor dreihundert Jahren das einfache Gesetz, dem die zwischen zwei

Körpern wirkende Schwerkraft gehorcht. Sie ist proportional zu dem Produkt

der Massen der beiden Körper und umgekehrt proportional zum Quadrat des

Abstandes zwischen ihnen. Nach diesem Gesetz entläßt die Sonne die Erde

nicht aus ihrem Bann, und es beschreibt auch, warum der Mond der Erde

nicht entfliehen kann. Newtons Landsmann Cavendish erfand eine

Torsionswaage, mit der das Gesetz verifiziert und die in ihm verankerte

Gravitationskonstante bestimmt werden kann.

Setzt man die Masse der Erde in Newtons Formel ein, folgt, daß an der

Erdoberfläche eine Schwerebeschleunigung von 981 Zentimetern pro

Sekunde zum Quadrat herrschen sollte. Das ist allerdings nur eine erste

Annäherung. Mit empfindlichen Gravimetern haben die Geophysiker nämlich

herausgefunden, daß die Schwerebeschleunigung von Punkt zu Punkt

variiert. Auf Rügen gilt ein anderer Wert als auf der Zugspitze. Die irdische

Schwerebeschleunigung ist also keine Konstante. Sie hängt statt dessen von

vielen Parametern ab, etwa von der Höhe über dem Meeresspiegel oder von

der Beschaffenheit des Gesteins. Will man eine Übersicht über das

Schwerefeld der Erde erhalten, muß man aber nicht unbedingt die

komplizierten gravimetrischen Meßgeräte zu Rate ziehen. An einem

windstillen Tag tut es auch das Wasser in einem See.

Das spiegelglatte Wasser paßt sich dem Schwerefeld an. Die

Seeoberfläche, so heißt es in der Fachsprache, entspricht dabei einer

Äquipotentialfläche des irdischen Gravitationsfeldes. Unabhängig davon,

wohin man mit dem Boot auch rudert - an jeder Stelle des spiegelglatten

Sees herrscht exakt die gleiche Schwerebeschleunigung. Die Form solcher

Äquipotentialflächen widerspricht aber gelegentlich der Intuition des

Betrachters. Würde man beispielsweise einige hundert Tonnen Bleischrott an

einer Stelle im See versenken, änderte sich der Wasserspiegel im See.

Aufgrund des Gesetzes von Newton übt der Bleihaufen unter Wasser auf

seine Umgebung nämlich eine stärkere Anziehungskraft aus als der Rest des

Seebodens. Das bedeutet aber nun nicht, daß die Äquipotentialfläche über

dem Bleihaufen eine Delle bekommt. Vielmehr ist das Schwerefeld an dieser

Stelle größer, die Äquipontialfläche beult sich also nach außen aus. Über

dem Bleihaufen bekommt das Wasser daher einen "Berg".

Die Alltagserfahrung versagt nun vollends, wenn man mit dem Ruderboot

auf dem See zu der Stelle über dem Bleihaufen rudert und dort die

Schwerebeschleunigung mißt. Sie ist dort genau so groß wie in der

Umgebung. Der Grund ist wiederum die besagte Äquipotentialfläche. Die

stärkere Anziehung des Bleis wird dadurch ausgeglichen, daß der

Wasserspiegel an dieser Stelle hoch über die Umgebung hinausragt und

demnach weniger stark von der Erde angezogen wird.

Das gleiche gilt auch für den Spiegel der Weltmeere. Wie die hypothetische

Oberfläche des "Bleisees" folgt auch der Meeresspiegel genau einer Fläche

gleichen Schwerkraftpotentials. Wie in "Natur und Wissenschaft" vom 8.

November 1995 beschrieben, wurde diese Fläche inzwischen von Satelliten

aus exakt vermessen. Bei der Darstellung der "Weltkarte des Meeresbodens"

sind die Vorzeichen der Äquipotentialflächen über untermeerischen Bergen

und Tälern versehentlich umgekehrt worden. Richtig muß es im dritten

Absatz des Artikels natürlich heißen, daß es im Meeresspiegel oberhalb von

Seamounts eine Erhebung, über Tiefseegräben dagegen eine Vertiefung

gibt. F.A.Z.

06.09.97

SZ am Wochenende

ULLA FÖLSING

Madame Curies

Musterschülerin

Der Weg aus dem Schatten der Mutter:

Vor 100 Jahren wurde Irène Joliot-Curie

geboren

Am 12. September 1897 finden sich im

Haushaltsbuch des jungen Paares in der

Spalte ÆAußergewöhnliches“ gleich drei

Eintragungen: ÆChampagner – 3 Francs“,

ÆTelegramm – 1 Franc 10“ und ÆApotheke

und Pflegerin – 71 Francs 50“. Anlaß für

den Ausgaben-Exzeß des Ehepaars Curie

war die Geburt ihrer Tochter Irène.

Kurz nach der Niederkunft machte sich die

junge Mutter wieder an ihre

wissenschaftliche Arbeit. Neben der Wiege

ihres Säuglings bereitete Marie Curie ihren

Bericht über den Magnetismus gehärteten

Stahls zur Veröffentlichung vor. Es war ihre

erste eigenständige Forschungsarbeit, für die

sie zwei Jahre lang im Labor ihres Manns

experimentiert hatte. Noch im gleichen Jahr

begann sie ihre Dissertation. Zusammen mit

ihrem Mann Pierre untersuchte sie das von

Henri Becquerel entdeckte Phänomen der

Strahlung in Salzen des Schwermetalls Uran

und entdeckte bald zwei neue radioaktive

Elemente, Polonium und Radium. Ihre

Forschungen trugen ihr im Juli 1903 den

Doktorhut und zum Jahresende zusammen

mit ihrem Mann und Becquerel den

Nobelpreis für Physik ein. Als Marie Curie

1911 in Stockholm ihren zweiten Nobelpreis

entgegennahm, saß unter den Zuschauern

ihre vierzehnjährige Tochter. Irène erhielt

ein Vierteljahrhundert später am gleichen

Ort ihren eigenen Nobelpreis für Chemie –

als zweite Frau, die mit dieser Trophäe in

den Naturwissenschaften ausgezeichnet

wurde. Bis heute gibt es nur acht

Nachfolgerinnen.

Zu einer Zeit, als sich andere Mädchen und

Frauen noch mühsam gegen Vorurteile und

Verbote den Zugang zum Studium der

Naturwissenschaften erkämpfen mußten,

war für Irène Curie der Weg zu den

höchsten Weihen der Wissenschaft in

unvergleichlicher Weise geebnet. Sie wuchs

in einem Milieu auf, das sie wie kaum eine

Frau zuvor auf eine wissenschaftliche

Karriere vorbereitete.

Zunächst war es der verwitwete Großvater,

der Irène Curies Persönlichkeit prägte. Er

wurde zur eigentlichen Bezugsperson des

kleinen Mädchens, weil die Mutter den

ganzen Tag im Labor arbeitete und der

Vater 1906 bei einem Verkehrsunfall starb.

Der alte Doktor Curie pflanzte seiner

Enkelin die demokratischen und sozialen

Ideale ein, mit denen er an der Revolution

von 1848 teilgenommen und 1871 als Arzt

hinter den Barrikaden der Pariser Kommune

ein Krankenhaus organisiert hatte.

Nach Eugene Curies Tod übernahmen

wechselnde Kinderm


Es war einmal in Kopenhagen. - Das nun folgende war wirklich eine Frage,

die in einer Physikprüfung, an der Universität von Kopenhagen, gestellt

wurde: "Beschreiben Sie, wie man die Höhe eines Wolkenkratzers mit einem

Barometer feststellt." Ein Kursteilnehmer antwortete: "Sie binden ein

langes Stück Schnur an den Ansatz des Barometers, senken dann das

Barometer vom Dach des Wolkenkratzers zum Boden. Die Länge der Schnur plus

die Länge des

Barometers entspricht der Höhe des Gebäudes." Diese in hohem Grade

originelle Antwort entrüstete den Prüfer dermassen, daß der Kursteilnehmer

sofort entlassen wurde. Er appellierte an seine Grundrechte, mit der

Begründung dass seine Antwort unbestreitbar korrekt war, und die

Universität ernannte einen unabhängigen Schiedsrichter, um den Fall zu

entscheiden. Der Schiedsrichter urteilte, dass die Antwort in der Tat

korrekt war, aber kein wahrnehmbares Wissen von Physik zeige.. Um das

Problem zu lösen, wurde entschieden den Kursteilnehmer nochmals herein zu

bitten und ihm sechs Minuten zuzugestehen, in denen er eine mündliche

Antwort geben konnte, die mindestens eine minimale Vertrautheit mit den

Grundprinzipien von Physik zeigte. Für fünf Minuten saß der Kursteilnehmer

still, den Kopf nach

vorne, in Gedanken versunken. Der Schiedsrichter erinnerte ihn, dass die

Zeit lief, worauf der Kursteilnehmer antwortete, dass er einige extrem

relevante Antworten hatte, aber sich nicht entscheiden könnte, welche er

verwenden

sollte. Als ihm geraten wurde, sich zu beeilen, antwortete er wie folgt:

"Erstens könnten Sie das Barometer bis zum Dach des Wolkenkratzers nehmen,

es über den Rand fallen lassen und die Zeit messen die es braucht, um den

Boden zu erreichen. Die Höhe des Gebäudes kann mit der Formel H=0.5g xt im

Quadrat berechnet werden. Der Barometer wäre allerdings dahin! Oder, falls

die Sonne scheint, könnten Sie die Höhe des Barometers messen, es

hochstellen und die Länge seines Schattens messen. Dann messen Sie die

Länge des Schattens des Wolkenkratzers, anschliessend ist es eine

einfache Sache, anhand der proportionalen Arithmetik die Höhe des

Wolkenkratzers zu berechnen. Wenn Sie aber in einem hohem Grade

wissenschaftlich sein wollten, könnten Sie ein kurzes Stück Schnur an das

Barometer binden und es schwingen lassen wie ein Pendel, zuerst auf dem

Boden und dann auf dem Dach des Wolkenkratzers. Die Höhe entspricht der

Abweichung der gravitationalen Wiederherstellungskraft T=2 pi im Quadrat

(l/g). Oder, wenn der Wolkenkratzer eine äußere Nottreppe besitzt, würde es

am einfachsten gehen da hinauf zu steigen, die Höhe des Wolkenkratzers in

Barometerlängen abzuhaken und oben zusammenzählen. Wenn Sie aber bloß eine

langweilige und orthodoxe Lösung wünschen, dann können Sie

selbstverständlich den Barometer benutzen, um den Luftdruck auf dem Dach

des Wolkenkratzers und auf dem Grund zu messen und der Unterschied

bezüglich der Millibare umzuwandeln, um die Höhe des Gebäudes zu

berechnen.Aber, da wir ständig aufgefordert werden die Unabhängigkeit des

Verstandes zu üben und wissenschaftliche Methoden anzuwenden, würde es ohne

Zweifel viel einfacher sein, an der Tür des Hausmeisters zu klopfen und

ihm zu sagen: "Wenn Sie einen netten neuen Barometer möchten, gebe ich

Ihnen dieses hier, vorausgesetzt Sie sagen mir die Höhe dieses

Wolkenkratzers." Der Kursteilnehmer war Niels Bohr, der erste Däne der

überhaupt den

Nobelpreis für Physik gewann....