Weitere Aufgaben

5. 1. Galilei untersuchte die Bewegung von Kugeln, die eine geneigte Rinne hinunterrollen. Mit Hilfe scharfsinniger logischer Überlegungen kam er zum Schluss, dass alle Körper, unabhängig von ihrer Masse, mit gleicher Beschleunigung fallen: er entwickelte das Modell des freien Falls.
      Tom vergleicht seine Vorgehensweise mit der Galileis. Dies ist insofern richtig, als beide Male eine Bewegung experimentell untersucht wird. Dennoch ist die Zielsetzung bei Tom und Lisa eine andere. Erläutern Sie dies.

      Galilei verwendete sein Fallrinnenexperiment, um zu einer abstrahierten Modellvorstellung zu gelangen.
      Tom und Lisa verwenden vorhandene Modelle, um die Bewegung des Fahrrads zu erklären.

   2. Nimmt das Verfeinern der Beschreibung tatsächlich kein Ende, wie Tom vermutet?
      Nehmen Sie dazu Stellung.

      Im Prinzip lässt sich das Verfeinern der Modelle endlos fortsetzen, allerdings ist dem eine praktische Grenze gesetzt: das Verfeinern ist nur soweit sinnvoll, bis die Abweichungen der Prognosen von den Messdaten innerhalb der Fehlergrenzen liegen. Ebenso wäre es denkbar, dass die Komplexheit der Beschreibung in keinem sinnvollen Verhältnis zum Erklärungsgehalt bzw. zur Prognosefähigkeit mehr steht. Das Ende der Verfeinerung ist also sowohl geräteabhängig als auch nutzerbedingt.
      In der Geschichte der Naturwissenschaften gibt es viele Situationen, in denen Geräteneuentwicklungen Erkenntnisfortschritt provozieren. Ein aktuelles Beispiel sind Teilchenbeschleuniger.

6. Diese Aufgabe wurde entfernt.

7. Angenommen, Tom hätte das Schwingen einer an der Zimmerdecke hängenden Pendelleuchte beobachtet und protokolliert.
   Auch an diesem Beispiel lässt sich das Verfeinern und Erweitern der Modelle verdeutlichen. Stellen Sie dies stichwortartig dar.

   Als erstes Modell kann zur Beschreibung die harmonische Schwingung dienen. Eine genauere Analyse zeigt, dass dies nur im Bereich kleiner Auslenkungswinkel korrekt ist. Im Weiteren wird man die Dämpfung der Schwingung berücksichtigen. Schließlich kann man in Betracht ziehen, dass die Masse der Leuchte nicht nur am unteren Ende der Aufhängung konzentriert ist.

8. (als Gruppenarbeit)

   1. Ergänzen Sie die Tabelle in Aufgabe 3 indem Sie sich auf das Strahlenmodell des Lichts beziehen.

      Eigenschaft	Beispiel anhand Strahlenmodell des Lichts
      Ein Modell vereinfacht oder idealisiert das Phänomen. Das Phänomen wird auf Aspekte reduziert, die für den Verwendungszweck relevant sind.	Im Strahlenmodell geht man davon aus, dass es beliebig dünne Lichtbündel gibt. Dies ist selbst bei Laserlicht nicht realisierbar. Ein mathematischer Strahl ist stationär, während Licht sich ausbreitet.
      Ein Modell beruht auf Vorstellungen und Gesetzen mit deren Hilfe das Phänomen erklärbar und verstehbar wird.	Lichtstrahlen sind im Modell beliebig dünn und verlaufen im leeren Raum geradlinig. Damit lässt sich erklären, dass Schatten scharf berandet sind. Lichtstrahlen befolgen das Brechungsgesetz. Damit lässt sich z.B. die scheinbare Hebung eines Gegenstands im Wasser erklären.
      Ein Modell ermöglicht Prognosen. Es kann den Ablauf eines realen Vorgangs voraussagen.	Mit dem Lichtstrahlmodell kann man z.B. auf Grund geometrischer Überlegungen die Phasen des Mondes voraussagen.
      Ein Modell hat seine Grenzen. Diese zeigen sich z.B. im Vergleich der Prognosen mit den experimentellen Befunden.	Im Lichtstrahlmodell kann ein Strahl beliebig dünn sein. Dies steht im Widerspruch zu experimentellen Beobachtungen. Dieser Aspekt lässt sich also nicht auf das Phänomen übertragen und umgekehrt wird die Beugung von Licht vom Modell nicht erfasst.
      Das Erkennen der Grenzen eines Modells regt zur Suche nach verbesserten Modellen an. So wird Erkenntnisfortschritt möglich.	Das Wellenmodell des Lichts ist ein erweitertes Modell. Mit ihm können sowohl die geradlinige Ausbreitung als auch Beugungsphänomene erklärt werden.
      Ein Modell ist umso bedeutungsvoller, auf je mehr Phänomene es anwendbar und je einfacher es ist.	Das Quantenmodell des Lichts ist noch umfassender. Allerdings zwingt es zu ungewohnten Vorstellungen.

   2. Ergänzen Sie die Tabelle in Aufgabe 3 indem Sie sich auf das Wellenmodell des Lichts beziehen.

      Lösung analog zu a)

   3. Ergänzen Sie die Tabelle in Aufgabe 3 indem Sie sich auf das Teilchenmodell des Lichts beziehen.

      Lösung analog zu a)

9. Lesen Sie im Buch Physik 2; Gymnasium Bad.-Württ.; Duden-Paetec Verlag die Seiten 25 und 119. Ergänzen Sie die Tabelle in Aufgabe 3 unter Bezug auf das Schalenmodell des Atoms.

   Lösung analog zu 8a)

10. Das Bild hat den Titel Die Netze des Physikers
    Das Bild wurde entfernt. Es findet sich bei:
    Dürr; Das Netz des Physikers, dtv, München, 1990, Seite 34
    oder in
    Unterricht Physik_19_2008_Nr. 103, Seite 16

    Das Bild wirft eine Vielzahl erkenntnistheoretischer Fragen auf. Wir schöpfen sein didaktisches Potenzial nicht aus, sondern begnügen uns mit einigen wenigen Aspekten.

    1. Erläutern Sie, was die Netze des Physikers bedeuten können.

       Die Netze sind die verschiedenen Beobachtungsmittel und -geräte, mit Hilfe derer der Physiker seine Informationen gewinnt. Wie Fische eventuell durch die Maschen des Netzes entweichen können, so werden auch von den Beobachtungsgeräten gewisse Aspekte des Phänomens nicht erfasst. Andersartige Beobachtungsmittel können andere Aspekte zeigen.

    2. Welche Ebene des Bildes ist die Modellebene? Begründen Sie.

       Die Ebene Naturwissenschaftliches Abbild der Wirklichkeit ist die Modellebene. Hier entwirft der Physiker auf der Grundlage der gesammelten Informationen gedankliche Bilder .

    3. Manchmal haben verschiedene Phänomenbereiche dieselbe mathematische Struktur. Geben Sie ein Beispiel an.

       Die mathematischen Formeln für harmonische Schwingungen lassen sich sowohl auf mechanische als auch auf elektromagnetische Schwingungen anwenden, wenn man die Variablen geeignet zuordnet.

    4. Wieso sind auf der Ebene Eigentliche Wirklichkeit lauter Fragezeichen notiert?

       Die Fragezeichen deuten wahrscheinlich an, dass man die Realität nie vollständig verstehen kann. Der Erkenntnisprozess hört nie auf.

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