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Der Karlsruher Physikkurs – Diskussion und Kritik

In letzter Zeit scheint die Diskussion über den Karlsruher Physikkurs (KPK) wieder heftiger geworden zu sein. Diesmal ist die Deutsche Physikalische Gesellschaft auf das Unterrichtskonzept aufmerksam geworden. Der KPK hat leider von Anfang an zu einer Polarisation geführt: Auf der einen Seite die begeisterten Vertreter des Konzepts, auf der anderen die Kritiker. Das hatte zur Folge, dass eine sachliche Diskussion der fachwissenschaftlichen und der didaktischen Aspekte erschwert wurde. Jemand, der sich als Anhänger oder als Gegner „geoutet“ hatte, wurde von der jeweils anderen Seite nicht mehr ernst genommen. Teilweise ist sogar das Zitieren des KPK in Veröffentlichungen tabuisiert.

Trotzdem gab es einige Ansätze für eine fachliche Diskussion. So hatte vor 15 Jahren der Förderverein für den Mathematischen und Naturwissenschaftlichen Unterricht (MNU) das MNU-Symposium Karlsruher Physikkurs – pro und contra veranstaltet, in dem Kritiker und Verteidiger des KPK ihre Standpunkte darstellen konnten. Beide Seiten waren vertreten durch je einen Theoretiker und einen Experimentalphysiker von der Universität, sowie von Spezialisten aus dem Schulbereich. Das Protokoll der Veranstaltung steht seit dieser Zeit im Web.

2007 war die MNU-Zeitschrift die Plattform für eine kurze Diskussion, die allerdings mehr den Charakter eines Schlagabtausches hatte: Herzog hat eine Reihe von Einwänden zur Diskussion gestellt. Die Reaktion darauf war recht lebhaft. Ebenfalls in der MNU-Zeitschrift erschien 2011 ein Artikel von Hüfner und Löhken (MNU, Jahrgang 64, Heft 4, S. 217-223), der sich kritisch zum KPK äußert. Hierzu waren auch wieder zwei Entgegnungen erschienen (MNU, Jahrgang 64, Heft 6, S. 371-375).

Zu meinem Bedauern ist kein einziger Artikel in einer referierten Zeitschrift erschienen, die sich mit unseren eigenen Veröffentlichungen auseinandersetzt. Unsere Veröffentlichungen zum KPK finden Sie hier.

Inzwischen wurde manches aus dem Karlsruher Physikkurs von den gängigen Schulphysikbüchern übernommen, etwa:
– das so genannte “Strom-Antriebsmodell“
– in der Elektrizitätslehre das elektrische Potenzial;
– in der Mechanik wird jetzt der Impuls früher eingeführt und er spielt eine größere Rolle;
– in der Wärmelehre wurde die Entropie aufgewertet.

Die Kririk, die jetzt in der DPG aufgeflammt ist, kommt offenbar von neuen Akteuren, denn die Argumente sind denen aus früheren Jahren, über die sich eigentlich schon ein Konsens abgezeichnet hatte, zum Teil ähnlich.

Wie schon früher, fällt es aber offenbar auch jetzt den Kritikern schwer, sich öffentlich zu äußern, sodass die Autoren des KPK keine Möglichkeit haben, Stellung zu nehmen. Trotzdem sind uns einige der Fragen oder Einwände, die zur Zeit kursieren, auf Umwegen zu Gehör gekommen.

Im Folgenden soll zu diesen Fragen und Einwänden Stellung genommen werden. Da ich die Fragen nicht aus erster Hand habe, kann es sein, dass die eine oder andere davon bei mir in entstellter Form angekommen ist.

Ich würde mich freuen, wenn diejenigen, die an dem Thema interessiert sind und sich kritisch äußern möchten, mir ihre Bemerkungen oder Fragen oder ihre Kritik zuschickten. Ich werde sie hier veröffentlichen.

Wer sich seiner Sache sicher ist, den möchte ich allerdings bitten, seine Ansicht in einer referierten Zeitschrift oder in Vorträgen auf Tagungen zu vertreten, so wie es sonst im Wissenschaftsbetrieb üblich ist.


Der Autor

Friedrich Herrmann
Professor im Ruhestand
Karlsruher Institut für Technologie
friedrich.herrmann@icloud.com

 

1. Im Karlsruher Physikkurs spielen Entropieströme eine wichtige Rolle. Nach meiner Überzeugung gibt es aber keine Entropieströme, denn die Entropie ist eine statistische Größe.

2. Ich habe gehört, im Karlsruher Physikkurs werden magnetische Monopole eingeführt. Es ist aber wissenschaftlich erwiesen, dass es magnetische Monopole nicht gibt.

3. Im KPK wird die Bezeichnung Feldstoff gebraucht. Ich habe den Eindruck, dass damit der alte Äther wieder eingeführt wird. Seit dem Michelson-Morley-Experiment und der Entstehung der speziellen Relativitätstheorie wissen wir, dass es einen Äther nicht gibt.

4. Für mich gibt es keine Impulsströme. Wenn etwas strömt, dann muss ich auch etwas benennen können, das sich bewegt.


5. Haben die Schülerinnen und Schüler nicht Probleme, wenn sie ein Physikstudium aufnehmen?

 

 

1. Im Karlsruher Physikkurs spielen Entropieströme eine wichtige Rolle. Nach meiner Überzeugung gibt es aber keine Entropieströme, denn die Entropie ist eine statistische Größe.

– Eine physikalische Größe „gibt es“, wenn sie definiert worden ist. Physikalische Größen sind Variablen, die vom Menschen eingeführt werden, um Naturerscheinungen zu beschreiben. Die Frage kann daher nur sein: Ist es zweckmäßig, eine bestimmte Größe zu definieren. Beim Entropiestrom ist diese Frage leicht zu beantworten: Alle technisch-thermodynamischen Probleme, d.h. alles, was mit Wärmekraftmaschinen, mit Wirkungsgrad und Energieverlust, mit Heizen und Kühlen zu tun hat, lässt sich mit Hilfe von Entropieströmen besonders bequem beschreiben. Außerdem lässt sich die Entropie besonders leicht (im Schulexperiment) messen, wenn einem das Konzept Entropiestrom zur Verfügung steht.

– Im KPK werden keine physikalischen Größen eingeführt, die es in der Fachphysik nicht gibt. Was den Entropiestrom betrifft: Die Bilanzierbarkeit der Entropie, die ihren Ausdruck in einer Kontinuitätsgleichung mit Entropiestromdichte und Produktionsrate findet, wurde erstmals von Jaumann vorgestellt [1]. Man findet das Konzept Entropiestrom im Callen [2] und in einer späteren Auflage der Thermodynamik von Max Planck [3]. Entropieströme gehören außerdem zum normalen Handwerkszeug der Thermodynamik irreversibler Prozesse, siehe etwa de Groot [4].

[1] JAUMANN, G.: Geschlossenes System physikalischer und chemischer Differentialgesetze, Sitzungsber. Akad. Wiss. Wien, Nat.-Naturw. Klasse, Abt. IIA 120, 385–530 (1911)
[2] H. B. CALLEN: Thermodynamics. – Wiley, New York 1960, S. 293f.
[3] M. PLANCK: Thermodynamik, XI. Auflage, de Gruyter, Berlin, S. 304
[4] S. R. DE GROOT: Thermodynamik Irreversibler Prozesse. – Hochschultaschenbücher, Bibliographisches Institut Mannheim 1960, S. 25.

 

2. Ich habe gehört, im Karlsruher Physikkurs werden magnetische Monopole eingeführt. Es ist aber wissenschaftlich erwiesen, dass es magnetische Monopole nicht gibt.

Im Schülerteil des KPK kommt weder das Konzept, noch das Wort „magnetischer Monopol“ vor. Im Lehrerband des Elektrodynamikteils für die Sek II, wird zu dem Begriff das Folgende gesagt:


2.1 Magnetische Ladung und magnetisches Feld

Die Wege der geschichtlichen Entwicklung sind manchmal merkwürdig. Oft überleben Konzepte, die nicht gebraucht werden, über Jahrhunderte. Gelegentlich verschwinden aber auch gute Konzepte auf Grund eines Missverständnisses. Ein Beispiel hierfür ist die magnetische Ladung. Das Argument gegen sie lautet, es gebe sie gar nicht, denn, so heißt es, es gibt ja keine magnetischen Monopole. Aber schon die Formulierung ist missverständlich. Man sollte besser sagen: Es gibt keine magnetisch geladenen Teilchen. Dann wird auch gleich klar, dass nicht folgt, dass es keine magnetische Ladung gibt. Dass es keine magnetisch geladenen Teilchen gibt, ist eine Beobachtung. Unsere Welt ist wohl so gebaut. Es könnte allerdings sein, dass solche Teilchen eines Tages noch entdeckt werden. Ob es aber eine physikalische Größe „magnetische Ladung“ gibt oder nicht, hängt nur davon ab, ob wir sie definieren und ihre Werte durch Messungen bestimmen können. Wie ältere Bücher der Elektrodynamik lehren, ist die Definition ganz einfach. Die magnetische Ladung an der Oberfläche eines Magneten lässt sich in völliger Analogie zur „gebundenen“ elektrischen Ladung an der Oberfläche eines polarisierten Dielektrikums einführen.
Die Frage ist nicht, ob es magnetische Ladung gibt oder nicht, sondern ob ihre Einführung zweckmäßig ist. Diese Frage ist aber klar mit „ja“ zu beantworten. Welche Lücke ohne sie entstanden ist, sieht man daran, auf wie umständliche und ungenaue Art man magnetische Pole zu beschreiben pflegt. Positive und negative Werte der magnetischen Ladung werden durch die Bezeichnungen Nord- und Südpol umschrieben. Die einfache Tatsache, dass die magnetische Gesamtladung eines Körpers immer null ist, kann nur durch die umständliche und ungenaue Beschreibung von Experimenten geschehen, in denen sich diese Tatsache äußert, etwa, dass beim Durchbrechen eines Stabmagneten neue Pole entstehen.


Die magnetische Polstärke wird etwa im Macke, Elektromagnetische Felder, S. 77 eingeführt; ebenso (unter dem Namen Polstärke) im Sommerfeld, Elektrodynamik, 4. Auflage, S. 78.

 


3. Im KPK wird die Bezeichnung Feldstoff gebraucht. Ich habe den Eindruck, dass damit der alte Äther wieder eingeführt wird. Seit dem Michelson-Morley-Experiment und der Entstehung der speziellen Relativitätstheorie wissen wir, dass es einen Äther nicht gibt.

– Da es sich hier um Aussagen handelt, die aus der Elektrodynamik des KPK stammen, wäre es uns lieber gewesen, man hätte uns unterstellt, wir wollten das elektrodynamische Vakuum einführen. Dagegen wäre physikalisch nichts einzuwenden gewesen. Es wäre nur dem Physikunterricht der Schule nicht zuzumuten.

– Man lese den KPK-Text etwas sorgfältiger. Mann kann unseren Feldstoff durchaus auf ein Konzept der QED abbilden, allerdings nicht auf das Vakuum, sondern auf die Anregungen des Vakuums.

– Der KPK setzt sich mit den Begriffen Raum, Äther und Gravitationsfeld durchaus auseinander, allerdings an einer anderen Stelle, nämlich im Mechanikband für die Sek II, Kapitel 8: Raum und Gravitationsfeld.

 

4. Für mich gibt es keine Impulsströme. Wenn etwas strömt, dann muss ich auch etwas benennen können, das sich bewegt.


– Wenn man vom Strom einer physikalischen Größe spricht, also etwa von einem Massenstrom oder einem elektrischen Strom, so benutzt man ein Modell. Eine physikalische Größe kann grundsätzlich nicht strömen. Eine physikalische Größe ist eine Variable im Sinn der Mathematik, und m (Masse) oder Q (elektrische Ladung) können genauso wenig strömen, wie die Variablen x, y oder z im Mathematikunterricht. Wenn man trotzdem von strömender Ladung spricht, so benutzt man ein Modell: Stell Dir vor Du sprichst nicht über eine Variable, sondern über einen Stoff. Viele Aussagen, die Du machen kannst, auf Grund Deiner alltäglichen Erfahrung, die Du mit strömenden Stoffen hast, werden dann automatisch zu richtigen Aussagen über die physikalischen Größen. Dieses Modell ist eines der stärksten und nützlichsten der Physik. Man kann es mit Nutzen immer anwenden, wenn sich für eine Größe eine Kontinuitätsgleichung formulieren lässt (mit oder ohne Produktionsterm).

– Es sei daran erinnert, dass man dasselbe Problem auch bei Energieströmen haben müsste. Wenn man die Kontinuitätsgleichung der Energie im elektromagnetischen Feld aufschreibt, so taucht auch eine Energiestromdichte auf, in Form des Poyntingvektors.

– Wenn man beim Impulsstrom unbedingt die sich bewegenden Teilchen sehen will, so kann man, mit etwas Mühe, auch fündig werden. In einem Gas sind es die sich bewegenden Moleküle. Im elektromagnetischen Feld die Photonen (in statischen Feldern virtuelle Photonen) und in Festkörpern wären es entsprechend die Phononen. Ich rate allerdings davon ab, zu versuchen, auf diese Art zu einer Anschauung von Impulsströmen zu kommen. Man würde das Einfache durch das Komplizierte erklären.

– Gibt es Impulsströme oder nicht? Auch hier gilt: Es steht uns frei, sie einzuführen oder es bleiben zu lassen. Tatsächlich wurden sie eingeführt, nämlich 1908 von Max Planck: „Wie die Konstanz der Energie den Begriff der Energieströmung, so zieht notwendig auch die Konstanz der Bewegungsgröße den Begriff der „Strömung der Bewegungsgröße“, oder kürzer gesprochen: der „Impulsströmung“ nach sich.“ (Physikalische Zeitschrift, 9. Jahrgang, Nr. 23 (1908), S. 828)

 

5. Haben die Schülerinnen und Schüler nicht Probleme, wenn sie ein Physikstudium aufnehmen?


Solche Probleme sind uns nicht bekannt. Um eine valide Aussage zu machen brauchte man eine sehr große Stichprobe, und eine solche existiert nicht. Unsere Information stammt bisher nur von der Befragung einzelner Studenten, und die haben alle bestätigt, dass sie keine Probleme hatten. Unserer Meinung nach wäre das auch unwahrscheinlich.

Was etwa die Impulsströme betrifft, so ist es an Schulen, die den KPK einsetzen, gängige Praxis, das Kraftmodell und das Impulsstrommodell parallel zu verwenden. Das führt nach unserer Erfahrung zu einer Verminderung der Probleme, die die Schülerinnen und Schüler sonst mit der Mechanik haben.

Sehr gut bekannt sind uns dagegen die Schwierigkeiten, die die Studenten haben, die nicht nach dem KPK unterrichtet wurden, und die gut belegt sind. Hier einige Beispiele:

Physikstudenten können auch in einfachen Situationen Kräfte nicht einzeichnen und benennen. Der KPK schafft hier mit den Impulsströmen weitgehend Abhilfe.

Physikstudenten, auch in höheren Semestern, haben nachweislich große Probleme dabei, magnetische Feldlinienbilder zu zeichnen, wenn Dauermagneten oder weichmagnetische Stoffe beteiligt sind. Für KPK-Schüler ist der Umgang mit der Magnetostatik nicht schwieriger als der mit der Elektrostatik..

Der Umgang der Schulbücher mit der Energie im Zusammenhang mit der Thermodynamik ist, so muss man leider sagen, weitgehend unkorrekt und unverständlich. Die Studenten kommen daher praktisch als „thermodynamische Analphabeten“ zur Universität.

 
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