Der Karlsruher Physikkurs

In den Jahren 1988 bis 1992 nahm das Gymnasium Neureut an einem Schulversuch teil, bei dem der Karlsruher Physikkurs erprobt wurde. Auch jetzt noch sind viele Themen des Karlsruher Physikkurses Bestandteil vor allem des Mittelstufenunterrichts.

Als Unterrichtsmaterial erhalten die Schüler ein Skript, das von der Abteilung Didaktik der Physik der Universität Karlsruhe zu beziehen ist. An dieser  Didaktik  -Abteilung wurde der Kurs entwickelt.
Im Folgenden werden einige Grundgedanken dieses Unterrichtskonzeptes vorgestellt. Das Inhaltsverzeichnis der Schüler-Skripten ermöglicht einen Überblick über den gesamten Kurs. Vor allem die Kapitel Strömungen von Flüssigkeiten und Gasen sowie die Wärmelehre haben sich im Unterricht bewährt; erstere als Grundlage für alle Strömungen z.B. auch in der Elektrizitätslehre. Die frühe Einführung und der anschauliche Umgang mit dem Begriff "Potential" in der Elektrizitätslehre wurde ebenfalls allgemein begrüßt.

In der Mechanik steht die Größe Impuls, in der Wärmelehre die Größe Entropie im Vordergrund. Sie entsprechen als mengenartige Größen der elektrischen Ladung in der Elektrizitätslehre. In der Mechanik lernen die Schüler die Impulsstromstärke als anschauliche Deutung der Größe Kraft kennen.

Ausgangspunkt für die Entwicklung des neuen Konzepts war die Frage:

Gibt es eine mögliche Neuordnung des modernen physikalischen Wissens, in der neue und alte Erkenntnisse integriert sind, die unnötigen Ballast vermeidet und die durch eine einheitliche Betrachtungsweise verschiedener physikalischer Teilgebiete dem Lernenden die Orientierung erleichtert?
Eine solche mögliche Neuordnung wird nun in diesem Unterrichtsgang vorgeschlagen. In den folgenden Abschnitten soll nur ein Gesichtspunkt des gesamten Konzeptes, nämlich die gemeinsame Struktur verschiedener physikalischer Teilgebiete, vorgestellt werden.
Es versteht sich von selbst, daß der tatsächliche Unterricht wesentlich mehr umfaßt. Wenn es auch das Hauptanliegen des Konzepts ist, den Schülern ein Grundverständnis der heutigen Physik und der zugehörigen Begriffsbildung zu vermitteln, so werden im Unterricht natürlich auch historische Aspekte angesprochen. Außerdem sollte die Entdeckerfreude der Schüler genau so aktiviert werden wie im herkömmlichen Unterricht.

Von den vielen physikalischen Größen, die es gibt, nehmen die mengenartigen Größen in diesem Konzept eine besondere Rolle ein und haben sich als Grundlage bewährt. Was versteht man unter einer mengenartigen Größe ? Das sind solche Größen, die sich wie eine Menge verhalten. Dazu ein paar Eigenschaften, die man sich am besten an der üblichen Mengenvorstellung z.B. einer Menschenmenge oder eine Wassermenge bewußt macht.

Volumen, Masse, Stoffmenge (Teilchenzahl) sind offensichtliche Beispiele solcher Größen. Aber auch die Energie ist eine mengenartige Größe. Die Temperatur dagegen ist keine mengenartige Größe. Schüttet man zwei Wassermengen, von denen jede die Temperatur 20° C hat, zusammen, dann hat die Gesamtmenge keineswegs die Temperatur 40° C. Regel 2 ist nicht gültig.

Ein zweite wichtige Grundlage in diesem Konzept sind Ströme.
Am Beispiel von Wasser- und Luftströmen werden im Unterricht die wesentlichen Eigenschaften erarbeitet. Dabei arbeiten wir mit kleinen und großen Autoreifen, verschiedenen Schläuchen und einem Kompressor. Durch die Bereitstellung der Mittel für diesen Kompressor hat auch der Förderverein den Unterrichtsversuch unterstützt.

Eigenschaften von

Die Größe Energie ist ein weiterer Grundpfeiler unseres Konzepts:

Wir haben schon gesehen, daß sie eine mengenartige Größe ist. Sie hat aber noch eine interessante andere Eigenschaft: sie kann umgewandelt werden. Wir machen in unserem Unterrichtsgang bewußt, daß Energie nie allein strömt; sie benötigt vielmehr immer einen Träger (genauer: eine Trägergröße).

Wir sprechen deshalb statt vom Umwandeln vom Umladen der Energie von einem Träger auf einen anderen. Eine Hausheizunsganlage könnte unter diesem Aspekt folgendermaßen beschrieben werden: Die Energie strömt zusammen mit dem Träger Öl (Stoffmenge) vom Tank zum Ofen, dort wird ein Teil der Energie auf das warme Wasser (Entropie) umgeladen und strömt zusammen mit diesem Träger zu den Heizkörpern, wo wieder eine Umladung nämlich auf die Luft erfolgt. Als zweites Beispiel sei noch ein Kraftwerk angeführt. Das Kraftwerk als Gesamtsystem lädt Energie vom Träger Öl (Stoffmenge) auf den Träger Elektrizität (elektrische Ladung) um. Entsprechend können auch die einzelnen Komponenten eines Kraftwerkes (Feuerungsanlage, Turbine und Generator) betrachtet werden.

Diese wenigen Beispiele machen schon deutlich, daß die Energie in allen Gebieten der Physik herumspukt. Auf der anderen Seite gibt es aber für jedes Teilgebiet der Physik genau eine charakteristische, mengenartige Größe, die strömen und die Rolle des Energieträgers übernehmen kann, und außerdem eine andere Größe, die im obigen Sinne den Antrieb des Stromes beschreibt. Damit ergibt sich für die Teilgebiete Elektrizitätslehre, Wärmelehre und Mechanik die unten angedeutete Struktur.

Struktur

Betrachtet man in der

Die mengenartige Größe der

Das folgende Beispiel soll zeigen, daß der Impuls auch von einem zum anderen Speicher (wie das Wasser von einem zum anderen Behälter) strömen kann. Stößt man zum Beispiel ein Billardkugel A auf eine ruhende Kugel B, so geht Impuls von A auf B über. Halten wir an die ruhende Kugel B eine Stange und stößt die ankommende Kugel A gegen die Stange, dann wird sich ebenfalls die Kugel B in Bewegung setzen. Der Impuls ist von A durch die Stange auf B geströmt. Die Stange kann als Impulsleiter betrachtet werden. Seile können übrigens auch Impuls leiten, allerdings - wie die Dioden in der Elektrizitätslehre - nur in eine Richtung. Seile können nur auf Zug nicht auf Druck belastet werden.

Was passiert aber mit dem Impuls, wenn die Kugel langsam ausrollt und wegen der Reibung allmählich zur Ruhe kommt ? Die Antwort sei hier ohne Begründung mit geteilt: Der Impuls ist auf die Erde abgeströmt. D.h. die Reibung entspricht einer undichten Stelle eines Wassereimers. Die Erde ist ein riesiger Impulsspeicher, der dauernd Impuls aufnimmt und abgibt. Einen Körper in Bewegung setzen, heißt fast immer Impuls von der Erde auf diesen Körper pumpen. Beim Abbremsen fließt der Impuls dann zurück zur Erde. Man erinnert sich: Von Stellen mit hoher Geschwindigkeit strömt der Impuls von selbst zu Stellen mit kleinerer Geschwindigkeit; für die umgekehrte Richtung ist dagegen eine Pumpe - in diesem Fall ein Motor und Antriebsrad oder Propeller - notwendig.

Die angegebene Struktur weist uns z.B. auch auf Gemeinsamkeiten von Sicherheitsgurt und Blitzableiter hin. So wie der Blitzableiter die elektrischen Ladung auf einem ganz bestimmten, ungefährlichen Weg zur Erde strömen läßt, sorgt der Sicherheitsgurt dafür, daß der Impuls des Fahrgastes auf einem ungefährlicheren Weg und nicht etwa über Kopf und Windschutzscheibe auf die Erde abströmt.

Soweit ein grober und knapper Überblick über einen Aspekt des Konzeptes.

Michael Fleig

Bezugsquelle der Skripten
Abteilung für Didaktik der Physik
Universität
76128 Karlsruhe

Telephon: 0721 - 608 3360
Fax: 0721 - 698150

Direkt zur Abteilung der Didaktik für Physik an der Universität Karlsruhe

Inhaltsverzeichnis der Schülerbände

Schülerband 1 (Energie, Strömungen, Mechanik, Wärmelehre)

Schülerband 2 (Daten, Elektrizitätslehre, Optik)

Schülerband 3 (Physikalische Chemie, Wellen, Photonen, Atome, Festkörper, Kerne)

Unterrichtshilfen (Lehrerband)

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BAND 1

ENERGIE

1. Energie und Energieträger
1.1 Die Energie
1.2 Energiequellen und Energieempfänger
1.3 Energieumlader
1.4 Die Energiestromstärke

STRÖMUNGEN

2. Strömungen von Flüssigkeiten und Gasen
2.1 Der Druck
2.2 Luftdruck, Überdruck, Vakuum
2.3 Der Druckunterschied als Antrieb für einen Gas- oder Flüssigkeitsstrom
2.4 Pumpen
2.5 Die Stromstärke
2.6 Stromstärke und Antrieb
2.7 Stromstärke und Widerstand
2.8 Hydraulische Energieübertragung

An den Anfang der Inhaltsverzeichnisse

IMPULS

3. Impuls und Impulsströme
3.1 Physikalische Größen
3.2 Impuls und Geschwindigkeit
3.3 Impulspumpen
3.4 Impulsleiter und -nichtleiter
3.5 Antriebe und Bremsen
3.6 Fließgleichgewichte
3.7 Die Richtung von Impulsströmen
3.8 Druck- und Zugspannung
3.9 Impulsstromkreise
3.10 Die Impulsstromstärke
3.11 Die Kraft
3.12 Die Messung der Impulsstromstärke
3.13 Impulsströme können zerstören
3.14 Die Geschwindigkeit
3.15 Der Zusammenhang zwischen Impuls, Masse und Geschwindigkeit
3.16 SI-Einheiten

4. Das Schwerefeld
4.1 Senkrechte Bewegungen
4.2 Die Erdanziehung – das Schwerefeld
4.3 Wovon die Erdanziehung abhängt
4.4 Der freie Fall
4.5 Fallen mit Reibung
4.6 Schwerelosigkeit
4.7 Die Dichte der Stoffe
4.8 Wann ein Körper schwimmt und wann er sinkt
4.9 Der Zusammenhang zwischen Druck und Höhe in Flüssigkeiten und Gasen

5. Impuls und Energie
5.1 Der Impuls als Energieträger
5.2 Mechanische Energiespeicher
5.3 Die verwickelten Wege von Energie und Impuls

6. Der Impuls als Vektor
6.1 Vektoren
6.2 Die Richtung des Stroms und die Richtung dessen was strömt
6.3 Die Addition von Vektoren
6.4 Satelliten, Monde, Planeten
6.5 Räder
6.6 Seile
6.7 Die Knotenregel für Impulsströme

An den Anfang der Inhaltsverzeichnisse

7. Drehmoment und Schwerpunkt
7.1 Rollen und Flaschenzüge
7.2 Die Energiebilanz beim Flaschenzug
7.3 Das Hebelgesetz
7.4 Gleichgewicht
7.5 Der Schwerpunkt
7.6 Das stabile Gleichgewicht
7.7 Schwerpunkt und Energie

8. Drehimpuls und Drehimpulsströme
8.1 Drehimpuls und Winkelgeschwindigkeit
8.2 Drehimpulspumpen
8.3 Schwungräder
8.4 Drehimpulsleiter
8.5 Drehimpulsstromkreise
8.6 Der Drehimpuls als Energieträger

9. Druck- und Zugspannungen
9.1 Der Zusammenhang zwischen Druck und Impulsstromstärke
9.2 Spannungen in drei Richtungen
9.3 Der Druck in Flüssigkeiten und Gasen
9.4 Die Dichte
9.5 Der Schweredruck
9.6 Kompliziertere Behälter
9.7 Der Auftrieb
9.8 Zugspannung in Gasen und Flüssigkeiten
9.9 Hydraulischer Energietransport

An den Anfang der Inhaltsverzeichnisse

ENTROPIE

10. Entropie und Entropieströme
10.1 Entropie und Temperatur
10.2 Der Temperaturunterschied als Antrieb für einen
10.3 Die Wärmepumpe
10.4 Die absolute Temperatur
10.5 Entropieerzeugung
10.6 Die Entropiestromstärke
10.7 Der Wärmewiderstand
10.8 Entropietransport durch Konvektion

11. Entropie und Energie
11.1 Die Entropie als Energieträger
11.2 Der Zusammenhang zwischen Energiestrom und Entropiestrom
11.3 Entropieerzeugung durch
11.4 Wärmemotoren
11.5 Die Entropiequellen für Wärmemotoren
11.6 Der Energieverlust
11.7 Der Zusammenhang zwischen Energieinhalt und Temperatur
11.8 Der Zusammenhang zwischen Energiezufuhr und Temperaturänderung

12. Phasenübergänge
12.1 Phasenübergänge
12.2 Sieden und verdunsten
12.3 Phasenübergänge in Natur und

13. Gase
13.1 Gase und kondensierte
13.2 Die thermischen Eigenschaften der Gase
13.3 Die Funktionsweise von Wärmemotoren
13.4 Warum die Luft über der Erdoberfläche nach oben hin kälter wird
13.5 Die thermische Konvektion

14. Licht
14.1 Entropietransport durch den luftleeren Raum
14.2 Lichtsorten
14.3 Entropie- und Energietransport mit Licht
14.4 Die Temperatur des Lichts
14.5 Entropie- und Energiebilanz der Erde
14.6 Der Treibhauseffekt

An den Anfang der Inhaltsverzeichnisse

BAND 2

DATEN

15. Daten und Datenträger
15.1 Datentransporte
15.2 Die Datenmenge
15.3 Beispiele für Datentransporte
15.4 Die Datenstromstärke
15.5 Datenspeicher

ELEKTRIZITÄT

16. Elektrizität und elektrische Ströme
16.1 Der elektrische Stromkreis
16.2 Die elektrische Stromstärke
16.3 Die Knotenregel
16.4 Das elektrische Potential
16.5 Der Potentialnullpunkt
16.6 Antrieb und Stromstärke
16.7 Elektrotechnische Probleme
16.8 Der elektrische Widerstand
16.9 Der Kurzschluß – die Sicherung
16.10 Wechselstrom
16.11 Die Gefahren des elektrischen Stroms

17. Elektrizität und Energie
17.1 Die Elektrizität als Energieträger
17.2 Der Leitungswiderstand – Energieverlust in Leitungen

18. Das magnetische Feld
18.1 Einige einfache Experimente mit Magneten und Nägeln
18.2 Magnetpole
18.3 Magnetisierungslinien
18.4 Das magnetische Feld
18.5 Die graphische Darstellung magnetischer Felder
18.6 Magnetisierungslinien und Feldlinien
18.7 Magnetisches Feld und Materie
18.8 Die Energie des magnetischen Feldes
18.9 Elektrischer Strom und magnetisches Feld
18.10 Der Elektromagnet
18.11 Der Elektromotor
18.12 Das magnetische Feld der Erde
18.13 Induktion
18.14 Der Generator
18.15 Der Transformator
18.16 Das magnetische Feld induzierter Ströme
18.17 Supraleiter

19. Elektrostatik
19.1 Ladung und Ladungsträger
19.2 Ladungsstrom und
19.3 Die Anhäufung von elektrischer Ladung
19.4 Das elektrische
19.5 Der Kondensator
19.6 Die Kapazität
19.7 Die Elektronenstrahlröhre
19.8 Die Luftelektrizität

An den Anfang der Inhaltsverzeichnisse

20. Datentechnik
20.1 Verstärker
20.2 Datenverarbeitung
20.3 Verallgemeinerung der Definition der Datenmenge

LICHT

21. Das Licht
21.1 Lichtquellen
21.2 Einige Eigenschaften des Lichts
21.3 Wenn Licht auf Materie trifft
21.4 Diffuses und kohärentes Licht
21.5 Das Refelexionsgesetz
21.6 Der ebene Spiegel
21.7 Der Parabolspiegel
21.8 Lichtbrechung
21.9 Das Prisma
21.10 Totalreflexion

22. Die optische Abbildung
22.1 Was ist ein Bild?
22.2 Die Lochkamera
22.3 Der Zusammenhang zwischen Gegenstandsgröße und
22.4 Die Verbesserung der Lochkamera
22.5 Die Linse
22.6 Die optische Abbildung durch Linsen
22.7 Brennweite und Brechkraft
22.8 Das Zusammensetzen von Linsen
22.9 Die Schärfentiefe
22.10 Objektive
22.11 Der Photoapparat
22.12 Das Auge
22.13 Brille und Lupe
22.14 Dia- und Schreibprojektor
22.15 Filmkamera, Filmprojektor, Videokamera, Camcorder BR> 22.16 Das Mikroskop
22.17 Das Fernrohr
22.18 Teleskope

23. Farben
23.1 Der dreidimensionale Farbraum
23.2 Das Mischen von Licht
23.3 Wie man das Auge täuschen kann – das Fernsehbild
23.4 Noch einmal der Farbraum
23.5 Spektren
23.6 Der Zusammenhang zwischen Spektrum und Farbeindruck

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REAKTIONEN

24. Stoffumsatz und chemisches Potential
24.1 Stoffmenge und Stoffstromstärke
24.2 Umsatz und Umsatzrate
24.3 Das chemische Potential
24.4 Chemisches Potential und Umsatzrate
24.5 Der Reaktionswiderstand

25. Stoffmenge und Energie
25.1 Reaktionspumpen
25.2 Umsatzrate und Energiestrom
25.3 Die Umkehrung der Reaktionspumpe

26. Wärmebilanz von Reaktionen
26.1 Entropieerzeugung bei chemischen Reaktionen
26.2 Die Entropiebilanz chemischer Reaktionen

MASSE UND ENERGIE

27. Relativistische Physik
27.1 Masse gleich Energie
27.2 Energie hat die Eigenschaften von Masse
27.3 Masse hat die Eigenschaften von Energie

SCHALLWELLEN, ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN, PHOTONEN

28. Wellen
28.1 Der Träger der Wellen
28.2 Energietransport mit Wellen
28.3 Die Geschwindigkeit von Wellen
28.4 Schwingungen
28.5 Sinuswellen
28.6 Der Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge
28.7 Schallwellen
28.8 Elektromagnetische Wellen
28.9 Stehende Wellen – Interferenz

29. Photonen
29.1 Chemische Reaktionen mit Licht
29.2 Photonen
29.3 Die Größe der Photonen
29.4 Energie und Impuls von Photonen
29.5 Eine photochemische Reaktion im Detail
29.6 Photonen und Interferenz

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DIE ATOMHÜLLE

30. Atome
30.1 Der Aufbau der Atome
30.2 Größe und Dichte der Atomhüllen
30.3 Die verschiedenen Zustände der Atome
30.4 Die Anregung von Atomen mit Photonen
30.5 Die Rückkehr in den Grundzustand
30.6 Die Halbwertszeit der angeregten Zustände
30.7 Die Anregung von Atomen mit Elektronen
30.8 Gase als Lichtquellen
30.9 Die Spektren von Gasen
30.10 Warum Flammen leuchten

31. Feste Stoffe
31.1 Die Anordnung der Atome in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen
31.2 Die Verteilung des Elektroniums in festen Stoffen
31.3 Die Energieleiter von Feststoffen
31.4 Wenn Licht auf Metalle trifft
31.5 Wenn Licht auf Nichtmetalle trifft
31.6 Feststoffe als Lichtquellen
31.7 Wie Feststoffe die Elektrizität leiten
31.8 Wie man Nichtmetalle leitfähig machen kann
31.9 Die Diode
31.10 Der Transistor

DER ATOMKERN

32. Atomkerne
32.1 Der Aufbau der Atomkerne
32.2 Elemente, Nuklide, Isotope
32.3 Die Anregung von Kernen
32.4 Die Trennenergie
32.5 Erhaltungsgrößen
32.6 Teilchen und Antiteilchen
32.7 Ladungsbilanzen
32.8 Die Reaktionsrichtung
32.9 Kernstrahlung
32.10 Die Umsatzrate von Kernreaktionen
32.11 Die Halbwertszeit
32.12 Die Sonne
32.13 Der Kernreaktor

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