Wärme, Druck, Atome, Quanten (Kapitel 11-13)

11. Schülervorstellungen zur Wärmelehre 

• In der Alltagssprache: 

1.) Wärme = Zustand des Warmseins (= hohe Temperatur) 

2.) Wärme = eine Art Substanz, quasistofflich (wie Rauch, Dampf, 

Luft) 

Wärme und Kälte sind Gegensätze auf der Temperaturskala 

Kälte z.T. auch ein quasistoffliches Etwas. 

• In Physik und Physikunterricht: 

Temperatur = „Wärme-Grad“, Wärme = „Energiemenge“ 

Gebrauch von „Wärme“ oft leider nicht eindeutig: keine 

Unterscheidung zwischen „innere Energie“ und „Wärmemenge“. 

Ausgewählte Probleme der Didaktik der Physik für LA Gym 

Thomas Wilhelm SS 2010


• In der Thermodynamik: 

Ein warmer und ein kalter Körper in Kontakt: 

T>T 1 2 T


• Entwicklung von Vorstellungen: 

Alter ca. 4 Jahre: Wärme hat mit heißen Dingen zu tun: Dinge sind 

warm und machen warm (z.B. Pullover) 

Alter ca. 6 Jahre zusätzlich: Wärme hat mit Wirkungen zu tun. 

Alter ca. 8 Jahre: Vorstellung, Wärme geht vom heißen Ding aus 

(Beispiel: heiße Metallkugel in Gefäß) 

Alter ca. 8 Jahre: Erste Vorstellung von Wärmegrad = Temperatur 

Unterschied Temperatur und Wärme bleibt immer vage, Temperatur 

und Wärme fast synonym. 

• Historische Entwicklung: 

18. Jhdt.: Wärmestoffvorstellung 

19. Jhdt: Wurde durch Teilchenvorstellung abgelöst. 




• Deutungen: 

Von sich aus Nutzen Schüler selten ein explizite Stoffvorstellung. 

Bietet man eine Stoffvorstellung zur Auswahl, wird sie oft gewählt. 

Die Schüler nutzen von sich aus kaum das Teilchenmodell 

Wird das Teilchenmodell als Erklärung angeboten, wird es von 

vielen akzeptiert, es ist einleuchtend. 

• Verschiedene auftretende Vorstellungen: 

Grundschule: Temperatur hat mit Volumen zu tun 

Mischtemperaturen: 

• Ab ca. 5 Jahre richtige qualitative Vorstellung 

• Bis ca. 13 Jahre: Problem bei Angabe von Temperaturen (z.B. addiert) 

Auch bei Studenten Probleme beim Schmelzen und Sieden: 

Jede Wärmezufuhr führt zur Temperaturerhöhung 




• Vorstellungen zu Temperaturempfinden: 

Temperaturempfinden wird nicht mit Wärmeleitung verbunden 

Richtig: Metalle leiten Wärme vom Körper besser weg 

Alternative Schülervorstellungen: 

• Metalle leiten Kälte besser 

• Metalle ziehen Kälte/Wärme mehr an 

• „heiß“ und „kalt“ sind Eigenschaften des Materials 

Wolle ist warm, Wolle macht warm 

Metall ist kalt, Metall macht kalt 

Körper in Kontakt oder in Luft nehmen nicht unbedingt die gleiche 

Temperatur an. 

• Vorstellungen zu Wärmeleitung: 

Durch Metallstange wandern heiße Moleküle. 

Wärme wandert durch Lufträume. 

Wärme fließt auf der Oberfläche. 



12. Schülervorstellungen zum Druck 

12.1 Schülervorstellungen: 

• Alltag: gerichtete Einwirkung auf einen Körper ( Kraft) 

• Physik: Zustand des Gepresstseins eines Gases oder einer 

Flüssigkeit (keine Richtung!!) 

• Hauptschwierigkeit im Unterricht: Differenzierung zwischen 

Druck und Kraft 

• Schüler beschreiben Druckphänomene nicht über 

Druckzustände, sondern über Bewegungen. 

• Ziel: Blick weg von den Bewegungen, hin zu den 

Druckzuständen lenken. 




12.2 Unterrichtskonzepte: 

• Ganz früher, heute zum Glück aus Schulbüchern verbannt: 

Einführung über Auflagedruck 

• Problem heute: 

Im Unterricht zu früh die Definitionsgleichung p = F / A. 

Damit: zu wenig qualitative Begriffsbildung 

Damit Verbindung von Kraft und Druck (= auf Fläche bezogene Kraft) 

(= Spannung ) 

S F / A , F / N 

• Nötig: Druck als Gepresstsein eines Gases oder Flüssigkeit 

einführen, lange qualitativ argumentieren, sehr spät erst die 

Definitionsgleichung einführen 

A 




12.3 Ungünstige Einstiegsversuche: 

• Kraft-Druck-Gerät 

Lehrer: Herleitung der Definitionsgleichung für 

den Druck 

Schüler beachtet Bewegung, nicht Zustand in 

Flüssigkeit 

Versuch nur bei Kraftwandlern sinnvoll. 

• Spritzkugel: 

Lehrer: steigender Druck in Flüssigkeit, Wasser 

übt in alle Richtungen Kräfte aus. 

Schüler: Bewegung des Stempels führt zur 

Bewegung des Wassers 




12.4 Ungünstige Sprechweisen: 

• „Druckausbreitung“ 

Druck ist an Bewegung geknüpft? 

Richtig: „Druck herrscht“ 

12.5 Vorschlag: 

• Lange qualitativ argumentieren. 

• Definitionsgleichung spät thematisieren. 

• Wenn Luft gepresst ist, sagt man, im Gas herrscht Druck. 

• Betrachtung von Druckdifferenzen. 



13. Vorstellungen zu Atomen und Quantenphysik 

• 1. Atome: 

Dominanz des Planetenmodells (Bohrsches Atommodell), 

(obwohl von fachlicher und didaktischer Seite gegen dessen 

Nutzung argumentiert wird). 

Elektron ist Teilchen mit Masse, Geschwindigkeit und Bahnkurve 

(Punktmechanik, mechanistisches Denken) 

Festhalten der Schüler am Bahnbegriff 

Stabilität der Atome durch Fliehkräfte (Kräftegleichgewicht) 

Aber auch Stabilität durch Ladungsabstoßung 

(selten: Elektronen sitzen in einer festen Hülle) 

Wahrscheinlichkeiten werden als Kalkül akzeptiert, bedürfen aber 

einer kausalen Erklärung 

Das Bohrsche Atommodell wurde deshalb auch aus Lehrplänen 

entfernt. 




• 2. Quantenobjekte: 

Quantenobjekte haben zu jeder Zeit einen Ort (gute Hälfte der Schüler) 

(„irgendwo muss es ja sein“, schwierig zu messen) 

Quantenobjekte haben keine permanente Ortseigenschaft; 

Begründung aber falsch. 

Kein Bewusstsein für die Unbestimmtheitsrelation 

Auf Nachfrage z.T. falsche Vorstellungen zur Unbestimmtheitsrelation 

Schwierigkeiten mit der Bedeutung von x und p 




• 3. Licht: 

Bereits vor dem Quantenphysik-Unterricht haben sehr viele Schüler 

eine Teilchenvorstellung vom Licht und viele eine Dualismus- 

Vorstellung. 

Nach dem Unterricht: Vor allem dualistische Vorstellungen, Licht ist 

sowohl Welle als auch Teilchen (Physik: Es ist weder noch!); kein 

Bewusstsein für Modellcharakter. 

Auch bei freien Elektronen dualistische Vorstellungen (wie bei Licht): 

Klassische Teilchen, die sich wellenförmig bewegen. 



13.4 Münchner Quantenmechanikunterricht 

• 1990er Jahre: Entwicklung des Münchner Unterrichtskonzeptes 

zur Quantenmechanik durch Wiesner, 

Engelhardt, Müller u.a. (Evaluation durch Müller in Sek II). 

• milq: Münchener Internetprojekt zur Lehrerfortbildung in 

Quantenmechanik 

• Im aktuellen bayerischen G8-Lehrplan (von 2004): 

Einführung in die Quantenphysik bereits in Jahrgangsstufe 10, denn 

jeder Schüler soll etwas von aktueller Physik gehört haben. 

Die verblüffenden Erscheinungen bei der Quantenphysik, die 

andersartige Physik kann für Schüler sehr reizvoll sein. 

• Empirische Untersuchung des Münchner Unterrichtskonzeptes 

in Jahrgangsstufe 10 durch Bernadette Schorn. 




• Ziele des Konzeptes: 

Das Andere im Gegensatz zur klassischen Physik herausstellen. 

Bereitstellen klarer Begriffe 

Hervorheben der Born‘schen Wahrscheinlichkeitsinterpretation. 

Quantenobjekte besitzen nicht Eigenschaften wie „Ort“ oder „Bahn“. 

Unterschied zwischen „Eigenschaft haben“ und „Eigenschaft messen“ 

• Grundlegende Fragen: 

Warum kann man Elektronen im Atom keinen festen Ort zuschreiben? 

Warum besitzen Quantenobjekte ganz allgemein klassisch 

wohldefinierte Eigenschaften (wie Ort, Impuls, Energie) oft nicht? 

Wie kann mit der Bornschen Wahrscheinlichkeitsinterpretation der 

Welle-Teilchen-Dualismus aufgelöst werden? 

Was bedeutet die Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation? 




• Wesentliche Wesenszüge der Quantenphysik: 

1. Statistische Vorhersagbarkeit 

• In der Quantenmechanik können Einzelereignisse im Allgemeinen nicht 

vorhergesagt werden. 

2. Fähigkeit zur Interferenz 

• Auch einzelne Quantenobjekte können zu einem Interferenzmuster 

beitragen. Voraussetzung ist, dass es für das Eintreten des gleichen 

Versuchsergebnisses mehr als eine klassisch denkbare Möglichkeit gibt 

(Elektron hat dabei keine Bahn und keine Ortseigenschaft). 

3. Eindeutige Messergebnisse 

• Messergebnisse sind stets eindeutig, auch wenn sich das 

Quantenobjekt vor der Messung in einem Zustand befindet, der 

unbestimmt bezüglich der gemessenen Größe ist. 

4. Komplementarität 

• Interferenzmuster und Unterscheidbarkeit der klassisch denkbaren 

Möglichkeiten schließen sich aus. 




• Simulation zeigt: 

Bei einer Ortsmessung am 

Doppelspalt wird das 

Elektron an einem 

bestimmten Ort gefunden. 

• Simulation zeigt: 

Führt man eine Ortsmessung 

durch, ergibt sich kein 

Interferenzmuster, sonst 

schon. 




• Unterrichtskonzept für die Jahrgangsstufe 10: 

Die Merkwürdigkeiten der Quantenphysik müssen deutlich werden: 

• „Wer von der Quantenphysik nicht schockiert ist, der hat sie nicht 

verstanden.“ (Niels Bohr) 

• „… ich denke, ich kann davon ausgehen, dass niemand die Quantenmechanik 

versteht.“ (Richard Feynman) 

• Unterrichtseinheit 1: Interferenz bei Wellen 

Mechanische Wellen mit Beugung und Interferenz 

• Unterrichtseinheit 2: Die Bahnkurve 

Horizontaler Wurf ergibt Bahnkurve 

Körper haben die Eigenschaften „Ort“ und „Geschwindigkeit“. 

Ist das bei Elektronen auch so? Kathodenstrahlröhre: 




• Unterrichtseinheit 3: Doppelspalt mit Elektronen 

Arbeit mit einem Simulationsprogramm 

Vergleich: 

von klassischen Teilchen am Doppelspalt (links) 

mit Elektronen am Doppelspalt (rechts) 




• Unterrichtseinheit 4: Veranschaulichung mit Cartoons 

Ergebnisse des Doppelspaltexperiments werden mit Cartoons zu 

Skifahrern verdeutlicht: 

Erster Elektronenskilauf: 

• Skifahrer können 

rechts oder links am 

Baum vorbeifahren. 

Die Verteilung 

entspricht einem 

Interferenzmuster 




Zweiter Elektronenskilauf: 

• Rechts und links am Baum sind Livecams angebracht, die das Verhalten 

in der Baumebene zeigen. Die Verteilung entspricht dem klassischer 

Teilchen. 

• Komplementarität 

von 

Ortseigenschaft 

und 

Interferenzmuster 

• Unterschied 

„Besitzen von 

Eigenschaft“ – 

„Messen von 

Eigenschaft“ 




• Unterrichtseinheit 5: Heisenbergsche Unschärferelation 

Die Eigenschaft „Durchmesser“ und „Seitenlänge“ wird bei einer 

runden und einer quadratischen Platte gemessen. 

Schon in der klassischen Physik kann es Probleme geben, zwei 

Eigenschaften an einem Objekt zu präparieren. 

Simulation am Einzelspalt zeigt: Verringerung der Streuung bei den 

Messwerten für die Eigenschaft „Ort“ führt zu größerer Streuung bei 

den Messwerten für die Eigenschaft „Geschwindigkeit“. 




• Haupterprobung mit 137 Schülern: 

Die Ideen sind bei den Schülern angekommen 

1: zu jedem Zeitpunkt an einem bestimmten Ort. 

2: nicht zu jedem Zeitpunkt an einem bestimmten Ort 

1: sind gleichzeitig realisierbar. 

2: schließen sich gegenseitig aus. 




• Interesse bei den Schülern: 

„Ich fand‘s toll, dass wir das machen durften, da ich mich über die 

erstaunten Gesichter einiger Freunde, die Physik studieren, 

amüsieren konnte (sie haben das höchstes in der Kollegstufe 

angesprochen bzw. dann im Studium).“ 

„Mehr Quantenphysik im Physikunterricht!!!“ 

„Das Ganze war viel interessanter als die gesamte 9. Klasse in 

Physik.“ 

„Ich finde Quantenphysik schon interessant doch teilweise ein wenig 

kompliziert.“ 

„Lustig war‘s und verrückt!!!“ 

„Hab ich das Thema jetzt verstanden, wenn ich‘s nicht verstanden 

hab!“ 

„Wer sagt, er hat die Quantenmechanik verstanden, der lügt!“

Wärme, Druck, Atome, Quanten (Kapitel 11-13)

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