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S. Hilger, Einführung in die Physikdidaktik 22 Prominent sind die Analogien in den Transportphänomenen Name Diffusion Wärmeleitung El. Leitung Strömung einer Flüssigkeit Gesetz von . . . Fick Fourier Ohm Navier–Stokes Transportiert wird . . . chem. Stoff Innere Energie El. Ladung Mech. Impuls Klassisches Beispiel einer im Unterricht instrumentalisierten Analogie ist die zwischen Elektrischem Stromkreis und Wasserstromkreis (Siehe Vorlesung: Elektrizität–Magnetismus). 5.2.1 Klassifikation von Modellen Zielsetzungen: • Physik als Wissenschaft arbeitet immer mit Modellen. • Erkenntnis schlechthin: Hypothesen, Bestätigung,. . . • Mit Hilfe von Modellen kann eine Elementarisierung durchgeführt werden. • Veranschaulichung. Ganz allgemein müssen Modelle . . . • sachgerecht sein (Die ,,Ladungsmännlein” sind ungeeignet). • schülergerecht sein (Das quantenmechanische Atommodell ist für die SI zu abstrakt). Modelle können nach verschiedenen Gesichtspunkten klassifiziert werden. Klassifizierung nach der Lern- oder Erkenntnisabsicht. • Analogmodelle: Eine Analogie wird hergestellt. – Ameisenhaufen für Brown’sche Molekularbewegung. • Ähnlichkeitsmodelle: Maßstäbliche Verkleinerung bzw. Vergrößerung, – Flugzeug, – kleiner Motor, – Globus. • Funktionsmodelle: Aufbauprinzipien können herausgestellt werden, dynamische Abläufe verlangsamt werden. – Elektromaschinen, – Otto–Motor, – Dampfmaschine, – Zentralheizungsmodell, – Tellurium (Mechanisches Modell des Erde–Mond–Sonnensystems), – Hydraulische Presse. – Transformatormodell: Punktschweißen, Induktionsofen. • Strukturmodelle: Darstellung von Strukturen von Gegenstandsbereichen:
S. Hilger, Einführung in die Physikdidaktik 23 – Teilchenmodell, – Gittermodell, – Molekülmodelle, Kalottenmodelle für Moleküle. • Theoretische Modelle: – Atommodelle von Thomson, Rutherford, Bohr, Quantenmechanik. – Kosmologische Modelle (Friedmann Universe, steady state,. . . ). • Black–Box–Modell: Ein physikalischer Inhalt, insbesondere ein physikalisches Gerät oder Messgerät, wird nur in seinen äußeren Eigenschaften und Funktionen, nur als Phänomen, erfasst. Die inneren Eigenschaften oder Wirkzusammenhänge sind nicht oder nur sekundär relevant, sie bleiben in der ,,Black Box” verborgen. Beispiele: – Im Alltag: Mikrowellenherd, Kaffeemaschine, Auto. – Die ,,Steckdose” wird einfach als Spannungsquelle erkannt und genutzt. Die Tatsache, dass das Netz der öffentlichen Stromversorgung mit all seinen Komponenten als Grundlage notwendig ist, bleibt im Hintergrund. – Elektrische, elektronische Messgeräte für Größen aller Art. (el. Größen, Temperatur,. . . ). – Messverstärker, Operationsverstärker, – Computer – Hall–Sonde Der Lehrer(in) sollte auch die innere Struktur der ,,Black–Box” kennen. Klassifizierung nach der Realisierung: • Gegenständliche Modelle oder Modelle im engeren Sinne sind Apparaturen, die einen technischen Zusammenhang durch prinzipielle Hervorhebungen und Weglassungen statisch verdeutlichen. – Motormodell (in der Fahrschule), – Lichtleiter–Modell, – Zentralheizungsmodell der (klassischen) Schulphysik, – Kraftwerksmodelle, – Chemie: Kalottenmodelle von Molekülen. Sie waren entscheidend hilfreich bei der Aufklärung der DNA–Struktur durch Watson und Crick (Lesenswert: James Watson, Die Doppel–Helix, rororo-Sachbuch 6803, 1973.) – Schaumstoffmodell für den Bitmetallstreifen. • Ein Vorgang oder eine physikalische Größe werden auf dynamische Weise verdeutlicht (Dynamische Modelle). – Elektromaschinenmodelle (Elektromotor, Generator), – Rüttelapparat für die Maxwell’sche Geschwindigkeitsverteilung, – Bürstenmodell für Haft- und Gleitreibung, – Bierschaummodell für den radioaktiven Zerfall, – Kette aus Dominosteinen für Kettenreaktion (Vorsicht im Zusammenhang mit Kernspaltung, die Analogie ist fast zu einfach), – ,,Gummiband–Modell” der elektromagnetischen Wechselwirkungen (nicht so glücklich), – Kernspaltungs–Kettenreaktion: Mausefallen und Tischtennisbälle. • Modellexperimente – Überlandleitung, – und, oder Schaltung, – Verstärkerschaltung, – Schweißgerät, Induktionsofen.
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