Monat: April 2017

Kann man Physik „verstehen“? Im Studium habe ich Physik gelernt, aber nicht verstanden. Die Erfahrung, dass man Physik auch verstehen kann, kam später. Und wurde durch ein Buch ausgelöst: Concepts in Physics von R. Adair¹. Es ist wenig bekannt – vermutlich, weil es sich nicht zum Pauken für die Prüfung eignet. Das Buch liefert nicht nur die Physik eines Phänomens, sondern stellt auch immer den Zusammenhang her mit der dahinter liegenden Theorie². Ein Beispiel: Das Magnetfeld eines stromführenden Drahtes. Es führt zu einer Kraft auf eine bewegte Ladung. Betrachtet man es von einem Koordinatensystem aus, das sich relativ zum Draht bewegt und in dem die Ladung ruht, ist es ein elektrisches Feld. Im Laborsystem wird daraus ein Magnetfeld. Kein Problem, sagt der Physiker, das erklärt die Relativitätstheorie unter dem Stichwort Lorentztransformation  und fängt an zu rechnen.  Adair‘s Buch zeigt, wie man dies „verstehen“ kann: Der Draht ist im mitbewegten System wegen der unterschiedlichen Lorentzkontraktion der Atomrümpfe und Elektronen elektrisch geladen und übt deshalb eine elektrische Kraft auf Ladungen aus. Nach der Rücktransformation ins Laborsystem erscheint diese als magnetische Kraft. Ich habe das Thema mehrmals im (Schul-) Unterricht behandelt, auch das Experiment dazu vorgeführt. Die Rechnungen sind nicht einfach; ich hoffe, meine Schüler/innen haben sie trotzdem „verstanden“.

Das Foto zeigt die Anordnung des Experiments: Ein Elektronenstrahl wird im Magnetfeld des stromführenden Drahts abgelenkt. Der Draht verläuft oberhalb des Glaskolbens parallel zur Strahlachse und ist als schwach roter Stab erkennbar. Der Strahl hinterlässt auf dem Schirm im Kolben die bläulich-weiße Leuchtspur.

¹  Robert K. Adair: Concepts in Physics, Academic Press, New York NY, 1969. Natürlich bemühen sich alle Physiklehrbücher, die Physik verständlich zu machen. Hier eine Liste der Bücher,  in die ich bei Bedarf hineinschaue.

²  Im Vorwort des Buchs wird dieser Zusammenhang genannt „ … the intenal importance and internal consistency of physics …“.  Adair weiter unten: „In particular, I have attempted to give the student a reasonably sophisticated understanding of quantum mechanics, the special and general theories of relativity, and the importance of classifying the symmetries which we seem to observe in the universe.“

Beim Stöbern im Internet gerate ich hin und wieder auf Sites, in denen es um Schulphysik geht (kein Zufall, in dieser Branche habe ich früher gearbeitet). Zum Beispiel auf die Site einer Lehrmittelfirma. Dort wird ein Experiment beschrieben, das die Hallkonstante von Kupfer misst¹ – und das mit einer Genauigkeit von ± 1%. Erstaunlich. Da kommen Neugier und Neid auf, so genau hatte ich diese Größe nicht gemessen. Ich kramte meine früheren Aufzeichnungen heraus: ± 30% war mein Messfehler damals. Hier mein (überarbeitetes) Messprotokoll.

Was den Wert der Konstanten angeht, konnte ich den Literaturwert innerhalb meiner ± 30% Fehlergrenzen bestätigen. Doch der Wert selbst war falsch. Dass ein „falscher“ Wert trotzdem richtig sein kann, muss man im Unterricht begründen. In der Schulphysik herrscht die Meinung, ein (Demonstrations-) Experiment tauge nichts, wenn es nicht den „richtigen“ Wert liefert. Das stimmt natürlich nicht, jede Messung  ist ungenau. Man schätzt die Ungenauigkeit ab und gibt sie zusammen mit dem Messwert als „Messfehler“ an, in der Regel hinter dem Zeichen „±“. Beispiel: Die damals von mir bestimmte Hallkonstanten R_H  = – (5,0 ± 1,6) ·10 ^{– 11} m³/As.

Im Übrigen ist das Wort „Fehler“ irreführend. Es suggeriert, man habe die „Scheibe“ nicht getroffen – falsch. Der Fehler ist nichts anderes als (ein Schätzwert für) die Größe der Scheibe, die man bei wiederholten Versuchen mit einer Wahrscheinlichkeit von beispielsweise 68% (1σ-Wert) trifft.

Das Foto zeigt einen Teil meines Versuchsaufbaus. Vielleicht ist von Interesse, was das Experiment für die Physik hergibt: Aus dem genannten Wert von R_H folgt, dass in metallischem Kupfer ein Atom im Mittel 1,5  Elektronen für die Stromleitung zur Verfügung stellt.

¹ Versuchsbeschreibung der Fa. Phywe: https://www.phywe.de/de/hall-effekt-in-metallen.html#tabs3