Zugänge zur Physik - AM BRG Kepler

Impuls und Kraft
Probleme mit dem Kraftbegriff
Kraft ist ein fundamentales Konzept der Physik, insbesondere der Mechanik. Untersuchungen zeigen, dass
große Probleme beim Lernen dieses Begriffs auftreten, und zwar auf allen Stufen. Wir verwenden das Wort
in der Alltagssprache, jedoch in einer Bedeutung, die weit von der physikalischen entfernt ist - das
Alltagswort ʺKraftʺ entspricht in der Physik eher dem Begriff Energie (-> Kraftwerk, Kraftstoff). ʺKraftʺ hat
man oder nicht, sie ist etwas Aktives, das Widerstand überwindet.
Literatur: R. Duit: Der Kraftbegriff im Physikunterricht. In: Naturwissenschaften im Unterricht
Physik/Chemie 36/1988, S. 2 ff
H. Wieser: Verbesserung des Lernerfolgs im Unterricht über Mechanik. In: Physik in der Schule 32 (1994),
S. 122 ff
Aus historischer Sicht definierte I. Newton Kraft als Ursache von Bewegungsänderungen. Sie wurde damit
zu einer äußeren Einwirkung, die als Wechselwirkung auftritt - im Gegensatz zur inneren ʺKraftʺ
(ʺlebendige Kraftʺ), die später zur Energie wurde.
Literatur: H. Schecker: Von Aristoteles bis Newton - der Weg zum physikalischen Kraftbegriff. In:
Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie 36/1988, S. 7 ff.
Der Kraftbegriff kann meines Erachtens nicht sinnvoll aus dem Alltagsbegriff entwickelt werden. Viel eher
bietet sich hier eine Gegenüberstellung an. Diese bedarf natürlich einer Erklärung bezüglich ihrer
Notwendigkeit - warum muss man einen Begriff so definieren, was bringt das eigentlich?
Die Antwort folgt aus den Überlegungen zur Trägheit bzw. zum Trägheitsprinzip. Man kam auf diese
Begriffe, um eine einheitliche Physik für Bewegungen auf und außerhalb der Erde zu bekommen. Aus der
Möglichkeit der Erddrehung bzw. ihrer Unmerklichkeit entstand mit Galilei die Idee der
Trägheitsbewegung, die mit Descartes zur geradlinigen gleichförmigen Bewegung wurde. Sie benötigt
keinen Antrieb, ist aber ein abstraktes Konzept, das es genau genommen nirgendwo in dieser Form geben
kann.
Impuls
Einen eleganten Zugang zum Kraftbegriff erhält man über den neutraleren IMPULS. Diese Größe ist für die
Schüler neu, das Alltagswort relativ neutral (Anstoß, Ruck) und nicht so weit vom Fachbegriff entfernt. Er
lässt sich leicht als Menge von Bewegung verstehen, KRAFT wird dann in der Folge mit Änderungen des
Impulses verbunden. Dieser Zugang liegt näher am historischen Weg als die Einführung über F=m.a. Impuls
und Impulserhaltung waren bereits vor Newton eingeführt (Huygens), auch Newton selbst verbindet in
seinem 2. Axiom die Kraft mit der Impulsänderung. Erst durch Euler wurde dieses Axiom als F=m.a
formuliert.
Ich folge hier den Überlegungen des ʺKarlsruher Physikkursesʺ, der die Physik auf mengenartige Größen
aufbaut.
Fundamentale Wechselwirkungen
Im weiteren scheint es mir sinnvoll, den Kraftbegriff gleich in moderne Austausch- bzw. Feldkonzepte
einzubinden und eine Übersicht über die 4 fundamentalen Wechselwirkungen zu geben. Die mechanischen
Kräfte werden dann zu speziellen Ausdrucksformen dieser fundamentalen Wechselwirkungen: Einerseits
durch unmittelbaren Kontakt (z.B. Reibung) - eine Folge der elektromagnetischen Wechselwirkung der
Atomhüllen - und andererseits durch Einwirkung des Gravitationsfeldes (Gewicht).
Gerhard Rath, BRG Kepler Graz, Inst. f. Experimentalphysik – Fachdidaktik, Uni Graz http://lehrer.brgkepler.at/grath
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