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About this book

Dieses Lehrbuch analysiert die konzeptionelle Umsetzung und Stoffauswahl zur Elektrizitätslehre und Elektrodynamik an Schule und Hochschule und gibt einen reflektierten fachwissenschaftlichen Überblick, der die Entwicklung einer fach- und schülergerechten und anschlussfähigen Elementarisierung unterstützt.

Jedes Kapitel gibt themenspezifisch zunächst einen Überblick der Inhalte für Schule und Hochschule. Dazu dienen Lehrpläne und Schulbücher der Sekundarstufe I und II sowie verschiedene Lehrbücher. Der Autor analysiert und diskutiert anschließend schulische und hochschulische Darstellungsweisen und Inhalte im Vergleich und stellt Elementarisierungsmöglichkeiten dar.

Damit werden fachwissenschaftliche Inhalte auf schulischem und hochschulischem Niveau systematisiert, verglichen und diskutiert. Es geht dabei nicht um pauschale ideale Elementarisierungen, sondern es soll vor allem ein kritisch-reflexiver Blick auf fachwissenschaftlicher Ebene geschult werden. So unterstützt es bei der Gestaltung einer situationsspezifischen Elementarisierung, bezogen auf länderspezifische Lehrpläne, Jahrgangsstufe und konkrete Schülerschaft.

Das Lehrbuch richtet sich an alle, die die Fachphysik lehramtsspezifisch reflektieren oder eine Elementarisierung gestalten möchten: Studierende, die ihr fachwissenschaftliches Studium im Kontext ihrer zukünftigen Profession sehen wollen, Lehrende, die einen derartigen Kurs anbieten und Forschende auf diesem Gebiet.

Thematisch behandelt das Buch die üblichen Inhalte der hochschulischen Elektrodynamik und ihre Pendants in der Schule. Somit finden sich neben den Themen der Elektro-, Magnetostatik und Elektrodynamik auch Kapitel zu Optik (Beugung und Interferenz) und der speziellen Relativitätstheorie.

Table of Contents

Frontmatter

Kapitel 1. Die elektrische Ladung und das elektrische Feld

Zusammenfassung
Wie jedes hochschulische Lehrbuch der Elektrodynamik beginnt auch dieses Buch mit der Elektrostatik und dabei mit der Wechselwirkung zwischen geladenen Körpern und den daraus abgeleiteten neuen Konzepten der elektrischen Ladung als grundlegende Größe und dem elektrischen Feld zur Beschreibung der Wechselwirkung. In den Schulbüchern stehen diese Konzepte dagegen selten am Anfang der Elektrizitätslehre. In diesem Kapitel werden nicht nur direkt die schulische und hochschulische Darstellung dieser Konzepte besprochen, sondern auch, welchen Einfluss die Eingliederung innerhalb des Themengebietes der Elektrizitätslehre hat. Weiterhin werden beispielsweise die „Arten“von Ladung diskutiert, die Bedeutung der Probeladung und der Feldlinien für das Feldverständnis und die Flugbahnen von Wattestückchen.
Andreas Helzel

Kapitel 2. Der elektrische Strom

Zusammenfassung
Der elektrische Strom wird in diesem Buch direkt nach der Einführung der elektrischen Ladung und vor magnetischen Phänomenen besprochen. Dies weicht von der üblichen Fachsystematik zugunsten einer häufig zu findenden Gliederung in Lehrplänen und Schulbüchern ab. Das bedeutet, dass nur gewisse Aspekte des elektrischen Stroms behandelt werden können. Wie der elektrische Strom mit dem Magnetfeld zusammenhängt, wird dabei außen vor gelassen. Das ist eine sehr starke Einschränkung, wie im Kapitel weiter erläutert wird. Ausführlich wird im Kapitel zum Beispiel diskutiert, welche Folgen die beiden Vorzeichen der elektrischen Ladung für die Behandlung des elektrischen Stromes hat, oder wie viel die Wirkungen des elektrischen Stroms eigentlich mit dem elektrischen Strom zu tun haben.
Andreas Helzel

Kapitel 3. Elektrisches Potential und Spannung

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die Einführung des elektrischen Potentials und damit eine erste Bedeutung der elektrischen Spannung besprochen. Dieses Kapitel ist sehr umfangreich, da dieses Thema in der Sekundarstufe I, II und der Hochschule so verschiedenartig dargestellt wird. In der Sekundarsteufe I wird überwiegend die Spannung verwerndet, das elektrische Potential wird oft erst in der Sekundarstufe II eingeführt und steht dann im Vordergrund. In der hochschulischen Fachsystematik wird vornehmlich das Potential behandelt. Jedoch müssen auch in der hochschulischen Physik die Begriffe Spannung und Potential differenziert betrachtet und voneinander abgegrenzt werden. Im Zusammenhang mit der Darstellung der Spannung in der Sekundarstufe I werden in diesem Kapitel alle weiteren Aspekte zu Stromkreisen angesprochen, die elektrische Leistung, der elektrische Widerstand und ein Überblick der Analogiemodelle zu Stromkreisen.
Andreas Helzel

Kapitel 4. Elektrostatik elektrischer Leiter

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird gezeigt, wie versteckt und doch sehr umfassend die Laplace- und die Poisson-Gleichung in der Schule behandelt werden, sogar in der Sekundarstufe I. Die übliche Kapitelstruktur wird hier durchbrochen, da es sich nicht um ein spezifisches Thema handelt, das sich als solches in Schulbüchern findet, sondern nur indirekt an unterschiedlichen Stellen auftaucht. Daher wird zuerst die Beschreibung in der Hochschule besprochen. Danach wird der Blick auf die Schule gerichtet und dort nach dem versteckten Auftreten der fachlichen Aspekte gesucht. Die Elektrostatik elektrischer Leiter kann als sehr eindrückliches Beispiel gesehen werden, wie tiefgehendes fachliches und theoretisches Wissen in der Sekundarstufe I hilfreich und zum Teil notwendig ist, um schüler- und fachgerechten Unterricht zu gestalten.
Andreas Helzel

Kapitel 5. Elektrisch und magnetisch polarisierbare Materie

Zusammenfassung
Elektrische und magnetische Polarisation werden in Schulbüchern nicht ausgiebig diskutiert, obwohl die damit verbundenen Phänomene sowohl im Alltag als auch in den Schulbüchern allgegenwärtig sind. Gerade in den einleitenden Experimenten und Beispielen der Elektrostatik spielt die Polarisation eine große Rolle. Ein solches Randthema wird in Schulbüchern dann sehr leicht so stark didaktisch reduziert, dass Fachgerechtheit und Anschlussfähigkeit nicht erfüllt sind. Dieses Kapitel bildet erneut eine Ausnahme gegenüber der üblichen Kapitelstruktur. Der Hauptteil besteht aus einer Wiederholung der wesentlichen fachlichen Aspekte in Form einer ersten didaktischen Reduktion der Inhalte auf einem einführenden hochschulischen Niveau. In diesem Kapitel wird auch begonnen, die Herangehensweise zu unterstützen, sich sein Verständnis elektrischer Phänomene zur Beschreibung magnetischer zunutze zu machen.
Andreas Helzel

Kapitel 6. Magnetismus und Magnetfeld

Zusammenfassung
Im vorherigen Kapitel wurde die Polarisation von Materie anhand der elektrischen Polarisation eingeführt. Die magnetische Polarisation wurde nur anhand der analogen Größen vorgestellt. Im folgenden Kapitel geht es nun wieder in der üblichen Gegenüberstellung von Schule und Hochschule ausschließlich um die magnetische Polarisation. Ein zentraler Aspekt dabei sind die Materialeigenschaften von harten und weichen Ferromagneten und wie sie zu bestimmten Feldgeometrien führen. Ein Ziel dieses Kapitels ist es, die hochschulischen Inhalte zu diesem Thema derart darzustellen, dass sie für die schulischen Inhalte bedeutsam sind. Außerdem wird beispielsweise den Fragen nachgegangen, wie viele Pole eigentlich ein Magnet haben kann und was die grüne und rote Farbe auf Magneten eigentlich angibt.
Andreas Helzel

Kapitel 7. Magnetfelder konstanter Ströme

Zusammenfassung
In den üblichen Lehrbüchern wird das Magnetfeld durch seinen Zusammenhang mit elektrischen Strömen definiert und eingeführt. In diesem Buch wurden die Größen für magnetische Felder anhand der magnetischen Polarisation eingeführt. Ein quantitatives Kraftgesetz für Magnetfelder, in dem alle Größen genau vorgegeben und bestimmt werden können, kann dagegen erst mithilfe elektrischer Ströme angegeben werden. Auch elektrische Ströme werden erst durch ihre magnetische Wirkung definiert. In diesem Kapitel wird im Detail das Verständnis des Magnetfeldes mit Flussdichte und Feldstärke in Schule und Hochschule diskutiert.
Andreas Helzel

Kapitel 8. Elektromagnetische Induktion

Zusammenfassung
Die Elektromagnetische Induktion stellt sowohl in der Schule als auch in der Hochschule den Wechsel von zeitunabhängigen Phänomenen zu dynamischen dar. Es handelt sich dabei geradezu um den Anfang und den Kern der eigentlichen Elektrodynamik. Die elektromagnetische Induktion ist einer der komplexesten Themenbereiche in diesem Buch. Obwohl die Vorgaben der Lehrpläne und Darstellung in den Schulbüchern sehr stringent und vergleichbar wirken, unterscheiden sich die Darstellungsweisen in den Lehrbüchern grundlegend. Diese Unterschiede müssen nachvollzogen werden, um eine fachgerechte Elementarisierung begründet entwickeln zu können. Notwendig wird dabei ein Überdenken des Verständnisses der elektrischen Spannung.
Andreas Helzel

Kapitel 9. Anwendungen der Induktion

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden nicht alle möglichen Anwendungen der Induktion besprochen, sondern lediglich der Transformator und der damit eng verbundene thomsonsche Ringversuch ausführlich fachlich beschrieben und diskutiert. Besondere Wichtigkeit hat der Ursprung der Formeln zu Stromstärke und Spannung für den Transformator aus Schulbüchern und welche Näherungen dabei gemacht werden. Diese Näherungen sind auch zur Beschreibung und Erklärung der verschiedenen Varianten des thomsonschen Ringversuchs relevant.
Andreas Helzel

Kapitel 10. Energietransport in elektromagnetischen Systemen

Zusammenfassung
Bisher wurden die Energie und ihr Transport in diesem Buch nur am Rande erwähnt. Eine ausführliche Betrachtung der Energiedichte in den einzelnen Feldern wie in Lehrbüchern wurde nicht durchgeführt, da sie für die Sekundarstufe I geringe Relevanz hat und den Umfang der Kapitel unverhältnismäßig vergrößert hätte. Dieses Kapitel gibt einen vergleichenden Überblick für dieses Thema. Theoretische Lehrbücher konzentrieren sich beim Energietransport meist auf elektromagnetische Wellen und Strahlung. Um einen engen Bezug speziell zur Darstellungsweise in der Sekundarstufe I herzustellen, werden in diesem Kapitel mit den gleichen theoretischen Konzepte auch der Energietransport im elektrischen Stromkreis und Transformator betrachtet.
Außerdem wird vertieft das Energieverständnis diskutiert und im hochschulischen Abschnitt ein zusammenfassender Überblick zu den Maxwell-Gleichungen gegeben.
Andreas Helzel

Kapitel 11. Elektromagnetische Wellen

Zusammenfassung
Dieses Kapitel und die folgenden umfassen Themen, die in der Sekundarstufe I für gewöhnlich nur angedeutet oder erwähnt, aber nicht ausführlich besprochen werden. Es wird sich somit nur noch auf die Sekundarstufe II konzentriert. Zu elektromagnetischen Wellen findet man in der Schule beispielsweise den Unterrichtsverlauf in Analogie zu mechanischen Wellen und Schwingungen, der von der Umsetzung elektrischer Schwingungen ausgeht und zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen übergeht. Dagegen sind elektrische Schwingkreise und elektromagnetische Wellen auch in experimentellen Lehrbüchern meist in unterschiedlichen Kapiteln. Da die damit verbunden Inhalte sehr umfangreich sind, werden in diesem Kapitel nur an einer Auswahl die wichtigsten Konzepte besprochen und daran versucht die schulische und hochschulische Strukturierung zu verstehen.
Andreas Helzel

Kapitel 12. Spezielle Relativitätstheorie

Zusammenfassung
Die Besprechung der speziellen Relativitätstheorie hat in diesem Buch vor allem den Zweck einer Einführung und Wiederholung des Stoffes. Dieses Kapitel weicht also erneut von der üblichen Kapitelstrukturierung ab. Das bietet sich zum einen an, da sich die in den Lehrbüchern und Schulbüchern besprochenen Gedankenexperimente nicht wesentlich unterscheiden. Außerdem wird nicht in den Lehrplänen aller Bundesländern vorgegeben, die spezielle Relativitätstheorie zu besprechen. Nach einer kurzen Hinführung zum Thema und den einsteinschen Postulaten gliedert sich das Kapitel in drei Teile: Die üblichen Gedankenexperimente zu Gleichzeitigkeit, Zeitdilatation und Längenkontraktion, dann der graphischen Herangehensweise mit Minkowski-Diagrammen, und schließlich werden schulische und hochschulische Darstellungsweisen vergleichend diskutiert.
Andreas Helzel

Kapitel 13. Wellenoptik

Zusammenfassung
Im Zusammenhang mit der Elektrodynamik findet sich sowohl an der Schule als auch an der Hochschule häufig ein Abschnitt zur Wellenoptik. Dieser Themenbereich ist sehr weit gefächert und enthält einerseits Themen wie Brechung und Reflexion, die die Wellenoptik mit der Strahlenoptik verknüpfen, und Themen wie Beugung und Interferenz. Aus pragmatischen Gründen konzentriert sich dieses Kapitel auf Beugung und Interferenz. In der Schule gibt es zur Wellenoptik einige grundsätzliche Voraussetzungen und Näherungen, wie zum Beispiel die Annahme eines parallelen Lichteinfalls auf die optischen Bauelemente oder, dass sich die beleuchtete Struktur in einem großen Abstand zum Schirm befindet. Um die Hintergründe solcher Näherungen zu verstehen, werden in diesem Kapitel die Grundlagen der theoretischen Herleitung Beugung und Interferenz betrachtet.
Andreas Helzel

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