Modell- und begriffsorientierte Lehre: ein Plädoyer A.Ziegler, R.Vortmeyer-Kley Universität Osnabrück

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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

DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden Aufbau: Anschauung Begriffsbildung Modellbildung Formalisierung DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden Kraft 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

Kraft und Arbeit Newton Jeder 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

Kraft und Arbeit Newton Die 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

Kraft und Arbeit Abhilfe 1 Kraft 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

Kraft und Arbeit Abhilfe 2 Kraft 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

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

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

DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden Carnot 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

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

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

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

Wissenschaftliche Aussagen Nur 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

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

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

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

Aristotelische Bewegungslehre Vorher: Bewegung erfordert Kraft Nachher: Bewegungsänderungen erfordern Kraft DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

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

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

Allgemeine Relativitätstheorie Vorher: Die Raumzeit ist euklidisch Nachher: Die Raumzeit ist gekrümmt DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden

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

DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden Ernst 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

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

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

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

DPG Frühjahrstagung 2017, Dresden Zusammenfassung 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

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

Bauchgefühl dominiert gegenüber Fakten

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

NICHTLÖSUNG: Beschimpfung!

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