Monthly Archives: April 2017

Lorentzkraft verstehen

Lorentzkraft2.abbKann 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. 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.

Vor 20 Jahren: Hale-Bopp am Himmel

Hale_Bopp_vom_Garten_ausVor genau 20 Jahren war der Komet Hale-Bopp mit bloßem Auge zu sehen. Eine kleine Notiz zur Erinnerung an das Himmelsereignis ist da angebracht. Das Foto wurde im eigenen Garten aufgenommen, Blickrichtung NNW.  Der Komet steht zwischen den Sternen Algol im Sternbild Perseus und Alamak im Sternbild Andromeda (zweites Foto unten). Geschätzte Position: RA = 2h 38m, Delta = +41°. Aus der Ephemeridentabelle1 entnimmt man, dass Hale-Bopp dort am 07. April 1997 stand. Die beiden Schweife sind auf dem schwarz-weiß-Foto gut sichtbar.

1 http://www2.jpl.nasa.gov/comet/ephemjpl8.html

 

 

Hale_Bopp_mit_Sternbildern_02

Elektronen im Kupfer

CIMG2863Beim 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 RH  = – (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 RH 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