Lehren und Lernen von Physik in ausserphysikalischen Kontexten

WBZ-Kurs, 21. - 22. 11.- 2006 Kantonsschule Olten

Beat Schären, Joachim Schlichting

Begrüssungskaffe fehlte mir beim Einchecken



Link zu den Präsentationen von Joachim Schlichting:

http://www.uni-muenster.de/Physik.DP/lit/verschieden.html

Sehen lernen, was offen vor unseren Augen liegt.

http://www.uni-muenster.de/Physik.DP/lit/verschieden.html

Schlichting@uni-muenster.de



Joachim Schlichting, Leiter des Instituts für Physik-Didaktik in Münster

Physik-Promotion, Forschung, dann Didaktik der Physik, Erziehungswissenschaften in Hamburg, Osnabrück, Essen, Münster

Hauptarbeitsgebiet: Thermodynamik: Energie und Entropie

Eine Berührung von Physik und Lebenswelt gehört zum Bildungsauftrag.

„Mein Urerlebnis“: 1973: Ölkrise, Schülerfrage: „Wenn Energie erhalten ist, weshalb gibt es eine Energiekrise?“ Da habe ich gemerkt, dass ich etwas noch nicht verstanden habe. Frage der Energie-Entwertung.

In den letzten Jahren: Optische Naturphänomene. Schuloptik ist sehr theoretisch, die lange Lichtbahn einer Laterne auf dem Wasser kommt nicht vor. Die schwierige Aufgabe, die Physik mit dem Alltag zu verbinden, wird bis heute den Schülern überlassen, aber das ist der schwierigste Punkt.



Wir müssen erst lernen zu sehen, was offen vor unseren Augen liegt. Eine paradoxe Situation.

Alex Müller (Kunsthistoriker) Die Netzhaut ist nur ein Fenster, hinter dem ein Mensch steht.

Gegenstand des Vortrages

Der Physikunterricht ist der unbeliebteste Unterricht, was wir gar nicht richtig verstehen können.

Eine Begründung: Alltägliche Phänomene werden zu wenig berücksichtigt. Dinge, die nur im Physikunterricht und sonst nirgends vorkommen, werden wir wieder vergessen.
Die Geräte im Physikunterricht wurden ausschliesslich für den Physikunterricht hergestellt. Das ist nicht schlecht, aber es erschwert die Verbindung zum Alltag.

Zur Situation des Physikunterrichts

Physik muss auf die Lebenswelt bezogen werden um die Welt zu verstehen.

Probleme:

Beispiel: Sonnentaler (unter einem Baum)

Es hat 2000 Jahre gedauert von der ersten Beschreibung bis zur wissenschaftlichen Erklärung.
Wenn ich das Bild zeige, dann kommt das vertraut vor, bis ich noch das Bild der Schatten der Sonnenfinsternis zeige und es zu einem interessanten, fragwürdigen, wieder ungewöhnlichen Bild wird.

Wenn Fussböden zum Spiegel werden. An hellen Stellen wird der Boden unsichtbar.

Musse, um solche Bilder zu machen, habe ich eigentlich nur auf Reisen, wenn ich stundenlang am Flughafen stehe.

Schatten und Spiegelbild.
Farbe von Spiegelbild und Schatten. Schatten sind immer farbig.
Der Schatten liegt auf dem Boden, das Spiegelbild versinkt im Boden.
Wenn ich den Standort wechsle, dann bleibt der Schatten liegen, und das Spiegelbild bewegt sich.
Der Schatten, der auf uns zu kommt, wird breiter das Spiegelbild, das auf uns zu kommt, wird wegen der Perspektive schmaler.

Präkonzepition: Die Physiker sagen, dass das Spiegelbild hinter dem Spiegel liegt, aber es kann gar nicht da liegen, es muss auf dem Spiegel sein.
(Lesen Sie Alice hinter dem Spiegel.)

Das Kleinkind greift hinter den Spiegel, weil es nur sehen und noch nicht denken kann.

Frage: Weshalb kann der Spiegel alle möglichen Bilder des Zimmers gleichzeitig spiegeln?
Erhöht der Spiegel die Informationsmenge? Das führt zu philosophischen Fragen.

Alle Gegenstände sind Lichtquellen. (Nicht nur Lampen)

Die spiegelnde Reflexion ist besonders ausgeprägt, wenn die diffuse Reflexion schwach ist.

Gibt es einen Schatten auf einem Spiegel?

In der Wirklichkeit kommt der reine Spiegel nicht vor. Die meisten Objekte sind glatt und matt.
Ein halb trockener und halb nasser Stein.
Physikalisch interessant. Weshalb werden die Farben intensiver, dunkler?
(Ein Stein mit einer Wasserschicht fängt das Licht in der Wasserschicht ein und absorbiert das Licht. Der trockene Stein reflektiert diffuser, die Farben werden verschmierter. Rauhe Steine werden weiss. )

Künstlerische Reflexe zwischen glatt und matt

Das Technorama ist das gehaltvollste Science-Center Europas und liegt für uns auf dem Weg nach Florenz.

Besuch im Louvre: Eine Schülerin: „Erzählen Sie uns mal etwas über die Physikalische Dimension dieses Bildes.“ (Die Schülerin wollte mich auf den Arm nehmen.)

Diffuse und spiegelnde Reflexion auf Flachglasspiegel 1660, Tapete, Fussboden, nur auf den dunklen Fliesen.

Fenster als Spiegel

Es kommt auf die Lichtintensitäten an.

Doppelfenster – Doppelspiegel

Doppelfenster haben im Innern einen konstanten Druck. Bei wechselndem Luftdruck wölben sich die Seiten gegeneinander.

Verformte Spiegel,

Wasserwellen als kinetische Variante.

Energie und Energieentwertung

Energie in der Schule

Die Ableitung der mechanischen Grössen: Kraft Arbeit Energie

Die Beschränkung auf die Energieerhaltung.
Energie ist eine sehr strukturarme Grösse. (Energie ist das, was sich nicht verändert.) Die gestalterische Grösse in der Welt ist aber die Entropie.

Probleme des Konzepts:

Konsequenzen:

Die Mechanik ist wegen der Reibung sehr problematisch. Und eine reibungsfreie Mechanik braucht auch gar keine Energie.
Es ist problematisch, die Energie in der Mechanik einzuführen.

Heisses Wasser kühlt sich von selbst ab.

„Hochwertige Energie“ Da steckt schon das ganze Entropie-Konzept drin. Energie selber ist nie hochwertig, sondern nur erhalten.

Energie-Entwertung ist ein Mass für die Irreversibilität.

Thermodynamisches Evolutionsprizip / Gesetz des Niedergangs / Wärmetod des Universums / nach „unten“ gerichteter Zeitpfeil

Darwinistisches Evolutionsprinzip / nach „oben“ gerichteter Zeitpfeil.

Abbrennende Kerze wärmt das kalte Teewasser.

Die Sonne zerstrahlt (irreversibel), 2 kg Sonnenlicht fallen pro Sekunde auf die Erde.

Energieentwertung als Antrieb

Die Umkehr eines selbsttätigen Prozesses muss durch den Ablauf eines anderen Prozesses erzwungen werden.

Energiesparen heisst, den Unterschied zwischen Entropie-Erzeugung im antreibenden Prozess und Energie-Vernichtung im angetriebenen Prozess zu minimieren. Aber er darf nicht Null werden, sonst ist der Prozess reversibel und läuft nicht von alleine ab.



„Das Licht besteht aus Strahlen“ ist die erste Lüge an die kleinen Schüler, und der erste Moment, ihnen die Lust an der Physik zu nehmen.
Besser: Licht verhält sich wie Strahlen, und mit dem Modell kann ich vorhersagen machen. Physik ist etwas sehr Künstliches.

Idee eines Messverfahrens für die Entropie: Ein Normprozess zum Messen der Entropie.

Wärmekraftmaschine: Dampf entspannt sich, ein sehr irreversibler Prozess.
Der Dampf treibt dann die Turbine sehr weit aus dem thermodynamischen Gleichgewicht.

Verdunsten beim Vogel (drinking bird):
Was ist der Antrieb dieser Wärme-Kraft-Maschine?
Die Verdunstung am Kopf ist der Antrieb für den Prozess, das Bestreben der Flüssigkeit, sich ins thermodynamische Gleichgewicht im Zimmer zu bringen, ist der Antrieb.
Dem Bestreben zum Temperaturausgleichs wird hier durch die Verdunstung entgegen gewirkt; der Kopf ist merklich kühler als der Bauch und das Zimmer.
Der Vogel läuft mit der thermischen Energie des Zimmers und erzeugt mechanische Energie. (Ob die Temperatur des Zimmers sinkt, ist nicht sofort klar)

Beispiel: Sibir-Kühlschrank
Durch eine Gasflamme wird der Kühlschrank betrieben.
(Eine zuerst seltsam widersprüchliche Beobachtung.)

Mischung an einer semipermeablen Membran kann einen Druck erzeugen.
Cellophan aus der Migros /Konfi-Gläser oder Dialyse-Membran
Um die Konzentration auszugleichen (Thermodynamisches Gleichgewicht)
(Ich habe mal gerechnet:Flusswasser und Meerwasser würde theoretisch 230 m /23 bar Druck geben. Das Problem ist die Verschmutzung der Membran)
Im Experiment mit Celophan, Himbeersirup über Nacht über 3m.
(Das Experiment muss unten sehr dicht sein 0.3 bar.)

Historischer Exkurs

Zusammenhang zwischen Energie und Entropie von Anfang an.
W. Thomson 1852, der spätere Lord Kelvin.
Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Energy

R. Clausius 1865

  1. Die Energie der Welt ist konstant

  2. Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu.

H. Pointcaré 1904: Prinzip der Entwertung der Energie.

Ilya Prigogine 1972: Dissipative Strukturen

Manfred Eigen 1990: lebenswichtiges Nichtgleichgewicht durch Energiedissipation.



Ich beklage sehr, dass die nichtlineare Physik zwar in den Massenmedien in den 90er Jahren sehr präsent war, nicht in die Schule eingegangen ist.

Nichtlineare Physik: Newton hat vorausgesetzt, dass nur Probleme mit proportionaler Wirkung zur Kraft betrachtet werden. Etwas anderes war da (fast) nicht rechenbar.

Deshalb beruht die Newtonsche Physik nur auf Kugeln, die miteinander zusammen stossen.

Wir machen die Physik des 18. Jh, und die atmet auch den Geist dieser Zeit.
Das Problem beginnt in der Ausbildung; Lehrer kommen nur mit der klassischen Physik in Berührung; Lehramtskandidaten hatten nur eine Vorlesung in theoretischer Mechanik, das System reproduziert sich, diese Lehrer machen dann wieder die Lehrpläne. Deshalb findet die Quantenphysik keinen Eingang in die Schule. (Die QM ist auch sehr schwer zugänglich, aber das ist wohl nicht der einzige Grund.)

Nuten der Energie

Kein Energiekonsum: sondern:

Ideengeschichtlicher Exkurs

Dissipation, Entwertung führt zum Wärmetod der Welt (Clausius 1965)

Goethe: Ich bin der Geist der stets verneint, der ...

Das Leben bleibt nur im Gang durch das, was ihm auch tödlich werden kann.

Strukturen im Chaos

Mit einer Evolution mit blindem Zufall kann man zeigen, dass die Evolution nicht im Erdalter wahrscheinlich wird.

Wie unterscheidet sich Chaos von Stochastizität

Der Zusatnd eines chaotisches System wird sich (definitionsgemäss) nie wiederholen. Im Phasenraum (Ort – Geschwindigkeit) darf die Trajektorie sich nicht schneiden. Das geht im 2D Raum nicht. Deshalb müssen chaotische Systeme mindestens einen dreidimensionalen Phasenraum haben.

Geometrisierung des Denkens: In der nichtlinearen Physik erkennen wir mit der menschlichen Mustererkennung in geometrischen Darstellungen Muster im Chaos.



Frage:

Die beiden Aufgaben der Physik sind für mich:
Geborgenheit in der Welt, in der wir leben zu vermitteln,
und der Werkzeugcharakter der Physik, mit meinen Erkenntnissen etwas erreichen zu können.
Kann man mit diesen Erkenntnissen etwas davon erreichen?

Wir können die Diskrepanz zwischen der Erfahrungswelt verkleinern.
Wir können im Unterricht zeigen, dass wir auf kleinen, eingeschränkten Systemen sehr genau wissen, was passiert, aber in der grossen Welt wissen wir ziemlich wenig.
Wir sehen, wozu uns die moderne Physik befähigt hat: Viel Gutes und viel Leid,
Physikunterricht kann helfen, die technischen Möglichkeiten, die wir heute haben, zu verstehen, die angehenden Staatsbürger etwas informierter an Entscheiden Teil nehmen zu lassen und aus philosophischer Sicht helfen, uns ein Weltbild neben dem stark technisch geprägten Weltbild zu verschaffen.

In Bestsellern, Bücher über Bildung, z. B. „Bildung“ von Schwanitz, ist Bildung eine humanistische Bildung, die Physik kommt gar nicht vor. Da reden Leute, die von Naturwissenschaften gar keine Ahnung haben. Sie benutzen den Laptop, aber haben keine Ahnung, wie die Umwelt technisch gestaltet ist. In Deutschland wird man nicht geschlagen und verachtet, wenn man zu gibt, von Physik keine Ahnung zu haben.

Wir müssen die Lebenswelt der Schülerinnen mehr in den Blick nehmen, um die Akzeptanz bei unseren Abnehmern zu erhöhen.



Notizen von Wolfgang@Pfalzgraf.ch



Samstag morgen

Fragen:

von Elisabeth Tissot

Unsere Wunschvorstellung von Physikunterricht: Die SchülerInnen werden aufmerksam auf alltägliche Phänomene. Sie beobachten sie, dokumentieren sie werten sie aus und ziehen ihre Schlüsse daraus.
Unsere Erfahrung mit Physikunterricht:
Die SchülerInnen erwarten Merksätze und Formeln, die sie so lange und so intensiv wie es für die gewünschte Note nötig ist ins Kurzzeitgedächtnis ablegen und dann wieder vergessen.

Meine Fragen dazu:

Das Kennen wir alle.

Ein ziemlicher Rundumschlag, höre ich auch in Deutschland.

Erst einmal geht es um die Erwartungshaltung der Schüler. Wie kommen sie dazu, die produzieren sie nicht selbst, da sind sie durch vorgängige Schulpraxis sozialisiert worden. Die extrinsische Motivation gute Noten zu erreichen ist die Erwartungshaltung an die Schülerinnen. Merksätze ist schon mal ein Produkt der Schulpraxis.

Fact ist, dass wenn man vor dieser Erwartungshaltung versucht einen alternativen Unterricht zu machen, in Form eines Projektes ausserhalb des Unterrichts. Dann erkennen das die SchülerInnen nicht mehr als Physik. Sie sind desorientiert. Wir hatten Sie nach so einem Unterricht gefragt, und sie erkannten es nicht als Physikunterricht.

Folgerung: Man darf keinen schnellen Erfolg erwarten, obwohl es so schülerorientiert ist. Es braucht eine Gegensozialisation. Dann müssen wir ganz anders an die Kinder heran gehen. Da habe ich Erfahrungen aus der Primarschule und der Sek I, über Studierende, die im Rahmen ihrer Examensarbeit Erfahrungen in der Schule gemacht haben.

Ein Arbeitsauftrag an die Schüler lautete: „Suche im Alltag Phänomene, die du nicht erklären kannst.“ Um was für Phänomene, wurde im Unterricht erläutert. (Spiegelungen im Wasser, ...) Am nächsten Tag fragt eine Schülerin: „Warum gibt es beim Wasserkochen Geräusche“. „Warum schlürft man beim trinken heisser Getränke?“

Wir hatten da Schwierigkeiten darauf zu reagieren. Wir sind diesen Dingen nachgegangen, ein Projekt „Physik im Haushalt“, Wasser gekocht, Temperatur gemessen, in der 7. Klasse, und dann wurde darauf eingegangen, obwohl die Fachlehrer sagten, dass der Stoff schwierig ist, Akustik, Eigenschwingungen des Topfs. Die Schülerin bestand darauf, dass das sauber gemacht wird.

Aufgefallen ist vor allem der Ernsthaftigkeitscharakter, ein Problem, das sie selbst vorgegeben hatten, dass das ernsthaft gemacht wird.

Beim Schlürfen, zuerst eine lange Diskussion, ob das anständig ist, dann Physikalisch die Verdampfungswärme, das endete darin, dass wir in der Werkstatt der Schule die Hand ind die Funken von schleifendem Eisen 1600°C gehalten.

Das wäre im normalen Physikunterricht nicht möglich gewesen. Was bei diesem Unterricht geblieben ist, war ein grosses Engagement der Schülerin und ihrer Freunde. Das war sehr interessiert dabei.

Ein anderes Beispiel: Schüler sollten Spiegelungen suchen. Das war sehr ergiebig. Die SchülerInnen habe sich mit Handy-Fotos übertrumpft. Die Spiegelungen waren schon im Unterricht bereits etwas besprochen, Autocarosserien, Fensterscheiben,
Die Schüler haben dann nochmals selber gesucht, und dann die Besprechung am Hohl und Wölbspiegel, und dann die Diskussion der Fotos.

Ein Problem in der Primarschule ist die Scheu der Lehrerinnen vor Physik.

Ich bin der Meinung das man vielleicht überhaupt keinen Physik unterrichtet werden soll, wenn die Alternative ein schlechter Physikunterricht ist.

Wir stellen immer wieder fest, dass Schulabgänger bis ins hohe Alter eine nicht zu erklärende Abscheu gegen Physik habe, nur weil sie einen schlechten Physikunterricht hatten.

Experiment mit Germanistik-Professor: Eine Umfrage bei Studenten: Wer hatte einen guten Physiklehrer? (Wir wollten nur, nicht repräsentativ, unser Vorurteil bestätigt haben.)

Erwartung: Physikstudenten haben mindestens einen guten Physikunterricht, die Germanistikstudenten alle einen schlechten Physikunterricht.

Weshalb ich so eine negative Einstellung habe:
Ich habe beim Versuch zum „Einphasigen Lehrgang“ (das Refendariat ins Studium integriert; der Dadaktikunterricht war in den Fachunterricht integriert.)
Während dieser Unterrichtszeit habe ich viel Unterricht beobachtet. Beobachtet wie Lehrer Unterricht vorgemacht haben. Da habe ich festgestellt, dass das Fragend entwickelnde Gespräch, die Schüler so zu führen, dass Sie den Merksatz finden. Die Schüler haben nicht durch Schlussfolgerung, sondern mit der Taktik: Was will er denn hören?.
Beispiel: Ausdehnung von Gasen: Luft, Stadtgas, CO2, die wurden im Wasserbad gleichmässig erwärmt, über Schläuche in Gläser unter wasser, ist auch ganz gut gelaufen. Frage: Was schliesst ihr daraus. Ein interessierter guter Schüler in der ersten Reihe: „Unterschiedliche Gase dehen sich unterschiedlich aus.“ Sie hätten die Miene des Lehrers sehen sollen. (Die Meta-Botschaft ist doch Physik ist genau)
Eine Schülerin fragt die Nachbarin: Was willer wohl hören: Unterschiedliche Gase dehen sich gleich aus.

Das Problem ist, dass noch nicht mal das Problembewusstsein da ist. Was soll der fragende Unterricht, wenn die Schüler als gute Psychologen die Erwartungshaltung des Lehrers finden.

Die meisten Fehler sind der Art, mit Piaget: es fehlt der Unterschied zwischen akkumuliertem und assimiliertem Wissen. Es fehlt, nach Wagenschein, das „bewusste Wissen.“

Genevieve Appenzeller: Meine grösste Herausforderung: „Wie stelle ich ein Frage, ohne den Schülern Signale für die erwartete Antwort zu geben.“

Das ist schwer zu trainieren. Man sollte das fragende Gespräche mehr in den Hintergrund rücken oder es dann gut vorbereitet einsetzen.

Appenzeller: Problem der richtigen Antworten, wenn sie zu früh kommen.

Wie kommen Sie darauf, was haben sie sich überlegt, ...?

Geschichte: „Schon wieder eine Mark verdient“

Ich hatte als Student unterrichtet, in Pavilions im Schulhof wo die grossen Mengen „verarztet“ wurden.
Der Schulleiter hatte mit den Weg zur Baracke erklärt: Da hinten bei der dritten Baracke, die zweite Türe. Die Klasse hat mich kommen sehen und mich ausgeschlossen. Ich habe mich in den Vorraum gesetzt, auf die Uhr geschaut und jede Minute gedacht: „schon wieder eine Mark verdient.“ Nach fünf Minuten haben sie die Tür geöffnet und mich gefragt, ob ich nicht hereinkommen wolle. Nach einigen Wochen habe ich gemerkt, dass ich da eine Klasse bekommen hatte die keine wollte. Und ich wusste auch weshalb mich der Schulleiter nicht in die Klasse begleitet hatte. Ich habe mich hingesetzt und gewartet bis es ruhiger wurde: „Ihr wollt offenbar keine Physik lernen.

Frage an die Klasse: Was interessiert euch denn? Einer sagte „Atome“.
Das war nicht im Lehrplan der 7. Klasse. Ich habe mich hingesetz, von Atomen erzählt, wie ein Märchenonkel, war auch nicht ganz sicher, ob das auf dem neusten Stand war, habe mich freigemacht vom Lehrplan, und mit der Klasse gemacht was sie wollte. Ich hatte da auch Narrenfreiheit, keine Ausbildung, keinen Anstellung. Ich hatte noch Jahre später guten Kontakt zu einzelnen Schülern dieser Klasse.

Wir sollten zwischen den Extremen Fragender Unterricht und dem rein erzählenden Unterricht

Aufgrund der sehr schlechten Ergebnisse der Umfragen zur Akzeptanz des Physikunterrichtes, dass nach einem halben Jahr sowieso nicht mehr viel da ist,

Remo?: Ich will dass die Schüler etwas verstehen, und habe immer wieder das geprüft, und das gibt mir schlechte Noten. Nach der dritten schlechten Note ist die Physik abgeschrieben. Da ist die Physik brutal.



Berechnungsaufgaben in Prüfungen laufen häufig ohne Verständnis.

Wir können in der Prüfung viel mehr Verständnisfragen stellen.

Aber wie soll man qualitative Antworten beurteilen: Wie der Deutschlehrer. Es ist nicht mehr das einfache richtig, falsch. Da sollten wir mehr Mut haben.

Piaget: Lieber nur 1/3 des Stoffes, aber verstehen mit Überzeugung,
Verstehen allein genügt nicht, es braucht auch das Gefühl, ich habe es verstanden.

Wenn es denn Prüfungen braucht, dann

Wenige Kapitel richtig, und die nötigen dann (kurz und bündig) einfach mitteilen.

Alle Oberstufenlehrer erklären mir durchs Band, dass sie (nach der Primarschule) wieder ganz vorne beginnen müssen. Das gibt mir wieder Freiheit, Mut, offenbar kann man vieles Besser machen.

Hans Roth: Aber jeder sollte wissen: Wozu ein Kühlturm, die drei Löcher in der Wand, weshalb die Kühlschranktüre das zweite mal strenger aufgeht. Was kann ich da weglassen?

Die Fragen finde ich wichtig, aber was steht im Physikbuch: Nichts von den drei Löcher in der Wand. DA hat es schön abstrakte Zeichnungen von Stromkreisen, die ziemlich wenig Ähnlichkeit mit Steckdosen haben. Wir müssen den Unterricht für die die nicht Physik studieren gestalten. Dass die sich einigermassen in der technischen Welt zurecht finden.

An welchen Stellen soll ich etwas weg lassen?
Ich verfolge die Lehrplanarbeit seit 30 Jahren: Stoffgebiete kommen rein und raus, je nach Zusammensetzung der Kommission. Aerodynamik kommt und geht, Elektronik auch. Man sollte das nicht am Themenbereichen festmachen.

Die Lehrer sollten das machen, wo sie kompetent sind. Und weglassen was sie verantworten können, der berühmte Mut zur Lücke.

Lassen Sie das weg was sie vertretbar halten. Und wenn sie nichts weglassen, dann sind sie bei einem Unterricht, der auch nicht befriedigt.

Appenzeller: Im Blockunterricht habe ich jeden Tag eine Stunde, und ich kann da weiter machen wo ich aufgehört habe. (Ich kann sogar noch etwas weiter gehen, denn über Nacht ist auch etwas passiert.)

Die Diskrepanz zwischen Lebenswelt und Physik:
Gegenstände fallen nach unten führt zur Gravitationstheorie,
da sind oft Gelenkstellen im Unterricht wo sich entscheidet, ob Schüler mitmachen.
Stellt euch vor, im Vakuum, ... ist in 10 Minuten geklärt. Die Menschheit brauchte da 2000 Jahre, Galilei sehr lange,Kugeln in Wasser, Rotwein, Olivenöl, je dünner das Medium, desto schneller,
und dann hat er auch Luft als Medium wahrgenommen (lange vor Toricelli)
Er hat, auf was niemand kommt, Luft als Medium genommen.
Und was, wenn wir uns die Luft ganz weg denken.
Die rein logische Widerlegung von Aristoteles, das Zusammenbinden eines leichten und eines schweren, der Widerspruch, das kann es nicht sein, das hat Galilei erst hinterher eingeführt. (Sonst wäre eine Gedankenexperiment-Physik möglich.) Entscheidend waren wirklich seine Experimente.
Das sollte man im Unterricht aufnehmen, nachdem man das verstanden hat ist man als Schüler auch eher bereit mitzumachen.
Wenn der seltsame Nachgeschmack des Vakuums bleibt, dann steht irgendwie immer etwas im Weg.

Ein Student hat das Experiment mit dem Fallrohr nicht nur erzählt, sonder mit der grossen lauten Vakuumpumpe gezeigt. Fünf Experten sassen da an der Prüfungslektion hinten im Zimmer. Die Schüler sind ganz steinern. Frage der Lehrer: „Erstaunt sie das nicht??“ Sagt eine Schülerin „Dass man mit Technik alles machen kann ist ja klar. Sie hätten auch alles mit der Hand rünterdrücken können, das wäre auf das gleiche heraus gekommen.„
Die Vorstellung der Schülerin: „Die Beobachtung der Natur wird verlassen und mit Technik wird erreicht was der Lehrer erreichen will. Physikapparate sind dazu da, die Natur in die Gesetze der Physik zu zwingen.“

Die Schüler bekommen ja auch mit wie der Physiklehrer verzweifelt im Labor steht und lange übt, bis er das so zeigen kann, wie die Theorie das will, und nicht so wie es die Natur macht. Diese Schüler haben eine ganz falsche Vorstellung von der Aufgabe des Experimentes in der Physik.

Wir müssen viel Zeit dafür aufwenden um zu erklären, weshalb wir so grosse Apparate einsetzen müssen, um unsere Experimente zu machen.

Aristoteles war zu empirisch. (Er hätte für jeden Gegenstand ein eigenes Fallgesetz gebraucht.)
Galilei erkannte, dass er die himmlischen (Weltraum) Verhältnisse auf die Erde denken muss, dass es versuchen muss, sich diesem Ideal zu nähern. Unsere Lebenswelt ist eine sehr Komplexe Welt für einfache physikalische Theorien.

Physik muss inszenieren, um auf allgemeine Gesetze zu kommen.
Man erspart sich sehr viel Lernschwierigkeiten.

Das wichtigste ist, dass ein Grossteil der Schüler Spass hat, merkt dass da wichtige Dinge passieren.



Hands- on, low- cost, Freihand.
Freihandversuche zwischen Alltag und Physikunterricht.

Die Versuche der Lehrfirmen sind so, dass möglichst keine anderen Effekte hinein spielen.

1. Versuch: Streichholzschachteln.

Freihandversuche:

Vielfach abgeschrieben von Hermann Hahn, ohne an die neuen Materialien anzupassen. Und sie scheinen so einfach, dass sie auch nie mit Erklärungen kommen. Und sie stehen unter Verdacht, der Trivialisierung des Unterrichtes Vorschub zu Leisten.

Das Experiment mit dem singenden Weinglas ist so alt, dass es bis heute keine Erklärung gibt.

Experiment: Wasserquader auf OHP.
Ein schöner Regenbogen, zufällig entdeckt, als ich für einen Vortrag in Holland entdeckt.
Ich habe eine Publikation, die den Bogen rechnet.
Frage an Studenten: Wie kann das Runde etwas eckiges hervorrufen.

Experiment: eine Kugel gegen eine Magnetkugeln und zwei andere Kugeln rollen lassen. (Gauss-Gewehr)

Pingpongball im Rörli-Luftstrom.

Alle haben schon erlebt, dass beim Comella-trinken man wieder Luft in die Verpackung lassen muss.

Von der Alltags- zur physikalischen Perspektive;
von der vertrauten zur unvertrauten Perspektive, die Vorstufe des physikalischen Sehens.

Luft umschütten:

Ist ein Becher, unter Wasser mit Wasser in der Wasseratmosphäre leer?
Umfüllen von Luft unter Wasser, das „luft-volle“ Glas kann ich in der Wasserwelt umfüllen, wie Wasser in der Luftwelt.

Frage: Was ist zwischen dem Atomkern und dem Elektron: Luft, als Metapher für nichts, (Etwas hat sich in Luft aufgelöst.)

Experiment: Saugnapf, Getränkeflasche mit Gummimanschette auf dem Tisch.

Experiment: Implosion der Aludose mit Wasserdampf gefüllt.

Freihandexperiemente bieten die Gefahr / die Chance fächerübergreifende Fragen beantworten zu müssen / zu können.

einfachster Motor: www.Supermagnete.ch

Manchmal verstellt der Technische Aufwand den Blick auf die eigentliche Idee. Die Aufmerksamkeit ist auf der Vakuumpumpe.

FV sollen eingesetzt werden, auch wenn sie nicht vollständig erklärt werden kann.

Schlüsselbund an Faden über Bleistift. Ein Briefchen wickelt sich um den Bleistift.

Black-Box-Theorie

Was würde ein Physiker machen, wenn er das folgende Experiment nicht öffnen könnte:

Streichholzschachtel an Faden (mit einem Stück drin)

Magnetkugel und Stahlkugel im Kupferrohr. Wirbelstrom

Magnetische Weintrauben: mit kleinen Supermagneten geht das; Diamagnetismus von Wasser.

Ein Korkstück schwimmt im Becherglas immer an den Rand.
Wenn das Glas bis über den Rand gefüllt wird, dann geht das Stück wieder in die Mitte, an den höchsten Punkt.

Ein Reissnagel schwimmt auf dem Wasser im Becher, aber er wird vom Rand abgestossen. Kapilarität, die Oberfläche ist am Rand und beim schwimmenden Objekt gekrümmt. Es geht um die Minimierung der Oberflächenenergie.

http://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/fachbereich_physik/didaktik_physik/publikationen/oberflaechliche_attraktionen.pdf

Karten fallen lassen, der Höhe nach, bringt zwei gleich grosse Stapel links und rechts.

Der Papierhubschrauber öffnet seine Flügel

Einwände gegen die FV

FV sind qualitativ.
Grenzen treten auf, wenn:

Zugänge zur Nichtlinearen Physik

Newtonsche Physik und QM sind linear und Reversibel

die nichtlineare Physik ist Chaotisch und selbstorganisierend.

Experimente:

pickender Specht

Hysterese:



Notizen, nach besten Wissen und Gewissen, z. T. frei ergänzt
von Wolfgang@Pfalzgraf.ch



Danke auch für Rückmeldungen.

Gruss

Wolfgang