Elektrodynamik an Schule und Hochschule: Eine Analyse der fachlichen Hintergründe und Wege der Elementarisierung

355 Pages·2020·7.836 MB·German

by  Andreas Helzel

Andreas Helzel
Elektrodynamik an
Schule und Hochschule
Eine Analyse der fachlichen Hintergründe
und Wege der Elementarisierung
Elektrodynamik an Schule und Hochschule
Andreas Helzel
Elektrodynamik an Schule
und Hochschule
Eine Analyse der fachlichen Hintergründe
und Wege der Elementarisierung
Andreas Helzel
Institut für Physik
Didaktik der Physik
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Halle (Saale), Deutschland
ISBN 978-3-662-61841-7 ISBN 978-3-662-61842-4 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-61842-4
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Über das Buch
Sie haben dieses Buch sicherlich schon mit gewissen Vorstellungen darüber in die Hand
genommen, was Sie erwartet. Dies ist weder ein traditionelles Lehrbuch der Physik noch
der Physikdidaktik. Daher möchte ich in diesen Vorbemerkungen genauer darauf ein-
gehen, welchem Sachverhalt sich dieses Buch widmet und wie er präsentiert wird.
Was erwartet Sie in diesem Buch? Wie der Titel schon andeutet, geht es in diesem
Buch um die fachphysikalische Erarbeitung einer möglichen Elementarisierung anhand
einer Gegenüberstellung von physikalischen Inhalten aus Schule und Hochschule. Im
Rahmen des Modells der didaktischen Rekonstruktion, das in die drei Teile didaktische
Strukturierung, Perspektiven der Lernenden und fachliche Klärung untergliedert ist,
kann dieses Buch in erster Linie als die fachliche Klärung der Inhalte der Elektro-
dynamik gesehen werden. Diese fachliche Klärung umfasst nicht nur die relevanten
Inhalten der Hochschule, also bestimmte Abschnitte eines physikalischen Lehrbuchs,
sondern auch die Fragen: Welche Darstellungen aus den verschiedenen Lehrbüchern
geben welche Konzepte auf welche Art und Weise wieder? In welchem Verhältnis
stehen diese zu den gewünschten Inhalten und Konzepten des Unterrichts? Wie könnten
Lernende zu diesen Inhalten und Konzepten stehen und wie könnten sie diese erleben?
Es erwartet Sie also in diesem Buch eine sehr tiefgehende und umfassende fachliche
Klärung des Themengebietes Elektrodynamik.
Für eine fachliche Klärung kann es hilfreich sein, den Kern eines physikalischen
Konzeptes nachschlagen zu können, unabhängig verschiedenster Darstellungsweisen
in den Lehrbüchern. Dafür wird am Ende der Abschnitte zur hochschulüblichen Dar-
stellung eine Gebrauchsdefinition der neu eingeführten Konzepte gegeben. Diese
Gebrauchsdefinitionen beinhalten nicht nur mathematische Darstellungen von
physikalischen Konzepten, sondern auch kondensierte sprachliche Repräsentationen der
dahinterstehenden abstrakten Konzepte.
Welche grundlegenden Begrifflichkeiten werden in diesem Buch verwendet? Die
Begriffe schulisch und schulüblich werden in der Gesellschaft häufig verwendet. Die
entsprechenden Begriffe für die Hochschule – hochschulisch und hochschulüblich
– dagegen nicht. All diese Begriffe werden jedoch in diesem Buch verwendet, um die
Welten von Schule und Hochschule gut erkennbar zu trennen. Der Begriff universitär
V
VI Über das Buch
wurde soweit möglich vermieden. Die Begriffe Schule und Hochschule werden hier aus
pragmatischen Gründen sehr lapidar verwendet. Die Schule ist genau genommen eine
staatlich und länderspezifisch regulierte Institution. Dagegen steht hinter der Physik an
der Hochschule eine kanonisierte Fachsystematik, die von einer Gemeinschaft inter-
nationaler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler über Jahrzehnte und Jahrhunderte
aufgebaut wurde. An verschiedenen Hochschulen finden sich weiterhin unterschiedliche
Ausprägungen dieses Fachkanons als Lehrtraditionen. Schule und Hochschule sind somit
eigentlich kein dichotomes Wortpaar, auch wenn sie hier so verwendet werden. Die
Grundlage der angesprochenen schulischen und hochschulischen Inhalte sind Bücher aus
den jeweiligen Bereichen. Um die Bücher der Schule von denen der Hochschule einfach
und ohne beschreibendes Adjektiv unterscheiden zu können, wird für erstere der übliche
Begriff Schulbuch verwendet, für letztere der Begriff Lehrbuch.
Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird in diesem Buch (überwiegend) das
generische Maskulinum verwendet. Dies impliziert immer beide grammatischen
Geschlechter und adressiert jegliche realen Geschlechter und Gender. Es werden die
Ausdrücke Lernende oder Schüler verwendet. Trotz des Plurals wird auch bei dem Aus-
druck Schüler auf den Artikel – also das sogenannte Geschlechtswort – verzichtet. Es
wird von „Lernenden“ und „Schülern“ die Rede sein, anstatt von „den Schülern“, wenn
geschlechtsneutral Schüler aller Geschlechter und Gender gemeint sind.
An wen richtet sich dieses Buch? Wie oben bereits erwähnt, handelt es sich bei
diesem Buch um kein physikalisches Lehrbuch und es soll auch keinen Ersatz dafür sein.
Dieses Buch soll also kein erster Einblick in die Elektrodynamik für Studierende sein.
Die einzelnen Kapitel setzen zumindest eine grundlegende Kenntnis der Inhalte und
Themen voraus und haben nur wiederholenden und innerhalb eines Kapitels vertiefenden
Charakter.
Dagegen eignet sich das Buch als ergänzende Lektüre zu einem Kurs der Elektro-
dynamik, falls man den neu erlernten Stoff direkt im Zusammenhang mit der Schule und
der Unterrichtsplanung sehen möchte. Dies kann ein Kurs der Experimentalphysik oder
theoretischen Physik sein. Somit richtet sich das Buch an Studierende des Lehramts der
Sekundarstufen.
Im Rahmen einer professionalisierten Lehrerausbildung gibt es immer öfter Kurse,
die sich mit Themen dieses Buches auseinandersetzen. Das sind beispielsweise Kurse
zum Themengebiet „vertiefte Schulphysik“ [1]. Für Studierende und Lehrpersonen
solcher Kurse ist dieses Buch sehr gut geeignet und könnte eine Grundlage dafür dar-
stellen.
Auch Dozierende lehramtsspezifischer fachwissenschaftlicher Kurse, die ihre Inhalte
mehr auf die berufsspezifischen Bedürfnisse ihrer Studierenden ausrichten möchten,
können sich viele Anregungen in diesem Buch holen.
Viele der hier vorgestellten neuartigen Darstellungsweisen fachphysikalischer Inhalte
könnten auch als Anregung für fachdidaktische Forschungen dienen.
Über das Buch VII
Welche allgemeinen Formalia werden in dem Buch verwendet? In den Abbildungen
des Buches sind Aufbauten von Experimenten mit vielen Netz- und Messgeräten dar-
gestellt. Da es sich nur selten um schematische Abbildungen handelt, ist ein Netzgerät,
das einen bestimmten, aber variablen elektrischen Strom vorgibt, nicht leicht von einem
Spannungsmessgerät zu unterscheiden. Dies wird über die Beschriftung der abgebildeten
Geräte eindeutig geklärt. Ein Gerät, das eine Größe vorgibt, ist mit dem Formelzeichen
beschriftet. Bei einem Messgerät wird die Einheit der gemessenen Größe angegeben.
Gibt also das Gerät die Stromstärke vor, so ist es mit einem I beschriftet, ein Spannungs-
messgerät ist dagegen mit einem V gekennzeichnet.
Inhaltsverzeichnis
1 Die elektrische Ladung und das elektrische Feld ....................... 1
1.1 Schulübliche Darstellung ....................................... 2
1.1.1 Themenüberblick anhand von Lehrplänen .................... 2
1.1.2 Experimente aus Schulbüchern ............................ 2
1.1.3 Konzepte und Strukturen in Schulbüchern ................... 6
1.2 Hochschulübliche Darstellung ................................... 9
1.2.1 Experimente aus Lehrbüchern ............................. 9
1.2.2 Konzeptualisierung von elektrischer Ladung und
elektrischem Feld an der Hochschule ....................... 10
1.2.3 Grundlegende Konzeptvorstellungen ........................ 15
1.3 Diskussion der Darstellungsweisen und der Elementarisierungen ....... 17
1.3.1 Vergleich der Sachstruktur ................................ 17
1.3.2 Die sogenannten [Error: Undefined command ]Arten“ der
Ladung und ihre Quantisierung ............................ 19
1.3.3 Influenz und Ladungen auf elektrischen Leitern ............... 20
1.3.4 Das Konzept der Probeladung und die Definition eines
elektrischen Feldes ...................................... 22
1.3.5 Fernwirkung oder Nahwirkung ............................ 24
1.3.6 Interpretationen von Feldern und Feldlinien .................. 25
1.3.7 Die Elementarisierung des gaußschen Gesetzes in der Schule .... 27
1.4 Zusammenfassung ............................................ 28
Literatur ......................................................... 30
2 Der elektrische Strom ............................................. 33
2.1 Schulübliche Darstellung ....................................... 34
2.1.1 Themenüberblick anhand von Lehrplänen .................... 34
2.1.2 Einführung, Modellierung und experimentelle
Darstellung in Schulbüchern .............................. 34
IX
X Inhaltsverzeichnis
2.2 Hochschulübliche Darstellung ................................... 39
2.2.1 Grundlagen: Kontinuumstheorie ........................... 39
2.2.2 Grundlegende Darstellung des elektrischen Stroms in
Lehrbüchern ........................................... 41
2.2.3 Die Knotenregel ........................................ 42
2.2.4 Analogien zum elektrischen Strom in Lehrbüchern ............ 43
2.2.5 Zu überdenkende Darstellungen ........................... 44
2.2.6 Grundlegende Konzeptvorstellungen ........................ 45
2.3 Diskussion der Darstellungsweisen und der Elementarisierungen ....... 47
2.3.1 Vergleich der Sachstruktur ................................ 47
2.3.2 Wirkungen des elektrischen Stroms oder des
Energietransportes ...................................... 48
2.3.3 Verallgemeinerung der Knotenregel ........................ 49
2.3.4 Ladungen und Ladungsträger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.5 Das Auf- und Abfließen von Ladung ........................ 51
2.3.6 Die leidige Stromrichtung und die mikroskopische
Stromdeutung .......................................... 53
2.3.7 Bildliche Darstellungen .................................. 54
2.4 Zusammenfassung ............................................ 56
Literatur ......................................................... 58
3 Elektrisches Potential und Spannung ................................ 61
3.1 Schulübliche Darstellung ....................................... 62
3.1.1 Themenüberblick anhand von Lehrplänen .................... 62
3.1.2 Experimente aus Schulbüchern der Sekundarstufe I ............ 62
3.1.3 Konzepte und Strukturen in Schulbüchern ................... 66
3.1.4 Analogiemodelle für elektrische Stromkreise ................. 70
3.1.5 Elektrische Spannung und Potential in Schulbüchern der
Sekundarstufe II ........................................ 72
3.2 Hochschulübliche Darstellung ................................... 75
3.2.1 Einführung und Definition des elektrischen Potentials .......... 76
3.2.2 Die elektrische Spannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2.3 Potential und Spannung in Stromkreisen ..................... 82
3.2.4 Die Maschenregel mit Widerständen ........................ 83
3.2.5 Grundlegende Konzeptvorstellungen ........................ 85
3.3 Diskussion der Darstellungsweisen und der Elementarisierungen ....... 88
3.3.1 Vergleich der Sachstruktur ................................ 88
3.3.2 Bedeutung von Spannung in Schule und Hochschule ........... 90
3.3.3 Spannung oder Potential ................................. 92
3.3.4 Spannung und Potential in Analogiemodellen ................. 93
3.3.5 Mikroskopische Beschreibung des Widerstands ............... 94
Inhaltsverzeichnis XI
3.3.6 Stromstärke, Spannung und Leistung in Stromkreisen .......... 95
3.3.7 Elektrischer Strom in Leitern mit oder ohne Feld .............. 97
3.4 Zusammenfassung ............................................ 98
Literatur ......................................................... 99
4 Elektrostatik elektrischer Leiter .................................... 103
4.1 Potentiale und elektrische Leiter in der Hochschule .................. 104
4.1.1 Lehrbücher der Experimentalphysik und Kompendien .......... 104
4.1.2 Lehrbücher der Theorie .................................. 105
4.1.3 Beispiel und Faustregeln ................................. 107
4.2 Poisson und Laplace in der Schule – Allgemeine Beispiele ............ 109
4.2.1 Elektroskop ........................................... 109
4.2.2 Kräfte zwischen geladenen Leitern ......................... 111
4.2.3 Influenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2.4 Feldbilder um Leiterelektroden ............................ 114
4.2.5 Faradayscher Käfig und der Ort der Ladungen ................ 116
4.3 Das Elektrophor .............................................. 119
4.3.1 Versuchsverlauf und Beobachtungen ........................ 119
4.3.2 Potentialverläufe ....................................... 120
4.3.3 Diskussion des Elektrophors für den Schulgebrauch ............ 123
4.4 Zusammenfassung ............................................ 124
Literatur ......................................................... 124
5 Elektrisch und magnetisch polarisierbare Materie ..................... 127
5.1 Dipole im äußeren Feld ........................................ 128
5.1.1 Einführung von Dipolen und polarisierter Materie ............. 128
5.1.2 Dipole im homogenen Feld ............................... 130
5.1.3 Dipole im inhomogenen Feld .............................. 130
5.2 Polarisierbare Materie ......................................... 131
5.3 Visualisierung von elektrischen Feldern mit Grießkörnern ............. 133
5.4 Die Analogie zwischen elektrischer und magnetischer
Polarisation ................................................. 136
5.5 Polarisation in Schule und Didaktik .............................. 137
5.6 Zusammenfassung ............................................ 138
Literatur ......................................................... 139
6 Magnetismus und Magnetfeld ...................................... 141
6.1 Schulübliche Darstellung ....................................... 142
6.1.1 Themenüberblick anhand von Lehrplänen .................... 142
6.1.2 Experimente aus Schulbüchern ............................ 142
6.1.3 Konzepte und Strukturen in Schulbüchern ................... 145