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2022 | Buch

Kanonische Experimente der Physik

Fachliche Grundlagen und historischer Kontext

herausgegeben von: Prof. Dr. Peter Heering

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Dieses Buch ermöglicht in 14 Fallstudien ein tieferes Verständnis von kanonischen Experimenten der Physik und bietet Hintergründe zu deren Aufbauten und Durchführung sowie dem jeweiligen historischen Kontext. Es diskutiert, wie genau diese Experimente ausgeführt wurden und welche physikalischen Gründe es für die Auswahl der verwendeten Instrumente gab. Ebenso wird dargestellt, warum die jeweiligen Forscher diese Experimente durchführten und wie diese Ergebnisse akzeptiert werden konnten.
Während eine Reihe von diesen Experimenten und deren Methoden, wie das Geiger-Müller-Zählrohr oder das Youngsche Doppelspaltexperiment, Physiklehrkräften sowie (angehenden) Physikerinnen und Physikern zwar vom Funktionsprinzip her bekannt sind, liefert dieses Buch die Hintergründe um die Herausforderungen zu verstehen, die sich beim Experimentieren stellen und die auch den Reiz des experimentellen Arbeitens ausmachen können. Es verdeutlicht, warum Forschende forschen, worin die Motivation besteht und wie veränderlich naturwissenschaftliche Praktiken in der Zeit sind. Damit leisten die hier zusammengeführten Fallstudien einen Beitrag, Physik nicht als einen Wissenskanon, sondern als einen kulturell geprägten von Menschen getragenen Prozess zu verstehen. Das Buch eignet sich damit besonders für Studierende (sowohl fachwissenschaftlich als auch des Lehramts) sowie Lehrende an Universitäten und (Hoch-)Schulen.
Der InhaltDas Hookesche Gesetz – Newtons prismatische Farbzerlegung – Das Coulombsche Gesetz – Youngs Doppelspaltexperiment – Das Ohmsche Gesetz – Die Messung der Lichtgeschwindigkeit durch Fizeau bzw. Foucault – Joules Bestimmung des mechanischen Wärmeäquivalents – Spektralanalyse nach Bunsen und Kirchhoff – Die Wilsonsche Nebelkammer – Das Franck-Hertz-Experiment – Millikans Bestimmung der Elementarladung – Das Geiger-Müller-Zählrohr – Kosmische Hintergrundstrahlung

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Kanonische Experimente der Physik und ihre Rolle in Bildungsprozessen
Zusammenfassung
Wenn Physiklehrbücher (oder auch Schulbücher) durchgeblättert werden, dann finden sich dort eine Reihe von historischen Experimenten, die jede*r Physiker*in kennt – oder zumindest zu kennen glaubt. Diese Experimente sind bereits seit längerer Zeit tradiert, wie bei der Analyse älterer Lehrbücher deutlich wird; sie bilden sogenannte Meilensteine der physikalischen Forschung, wie ein Blick in Werke zeigt, in denen gerade die schönsten oder wichtigsten Experimente der Physik thematisiert werden. In diesem einführenden Kapitel zu dem Band wird begründet, warum die in diesem Band enthaltenen Fallstudien insbesondere für Physikstudierende und -lehrkräfte relevant sind. Gleichzeitig wird aufgezeigt, wie meisten dieser Fallstudien angefertigt worden sind. 
Peter Heering
Kapitel 2. Das Hookesche Gesetz
Zusammenfassung
Das Hookesche Gesetz gilt als ein einfach verständliches Gesetz. Dieser Eindruck ist sowohl der Einfachheit des experimentellen Belegs als auch der relativ einfachen Anwendung der zugrunde liegenden mathematischen Methoden geschuldet. Aus dieser Einschätzung folgt, dass das Hookesche Gesetz häufig nur als Beispiel dient, um komplexere Phänomene wie bspw. harmonische Schwingungen oder die Verformung von Festkörpern zu erklären, Größen wie z. B. die Kraft zu verdeutlichen oder Gesetze, die nicht selten als Verhältnis von physikalischen Größen dargestellt werden, verständlicher zu machen.
Sabina Muminovic
Kapitel 3. Die prismatische Farbzerlegung durch Isaac Newton
Zusammenfassung
In der Optik zählen zu den klassischen Experimenten die von Newton durchgeführten zur prismatischen Farbzerlegung. Insbesondere in Schulbüchern tauchen diese Arbeiten sehr häufig explizit auf, in universitären Lehrbüchern werden Farben eher im Kontext der Interferenz thematisiert; hier werden dann teilweise die Newtonschen Ringe angesprochen. Die Experimente zur Farbzerlegung mit dem Prisma werden aber nicht nur im Kontext der Optik diskutiert, sondern teilweise auch aus erkenntnistheoretischer Perspektive – einem der von Newton durchgeführten Experimente wird der Status eines Experimentum Crucis, also eines eindeutig zwischen konkurrierenden Theorien entscheidenden Experiments zugeschrieben.
Dennis Nawrath
Kapitel 4. Das Coulombsche Gesetz und die Coulombsche Torsionswaage
Zusammenfassung
Das nach Charles Augustin Coulomb benannte Gesetz der Elektrostatik ist eine der zentralen Beziehungen in der Physik. Im Rahmen dieses Beitrags wird aufgezeigt, wie in diesem Zusammenhang Messungen mit der Drehwaage erfolgt sein können, welche Rolle diese spielten und welche Schwierigkeiten mit diesen verbunden sind. Daneben wird diskutiert, warum Coulomb elektrische Untersuchungen durchführte.
Peter Heering
Kapitel 5. In einem anderen Licht: das Youngsche Doppelspaltexperiment
Zusammenfassung
Thomas Young (1773–1829) veröffentlichte zu Beginn des 19. Jahrhunderts eine Reihe von Publikationen, in welchen er eine Theorie zur Wellennatur des Lichts und ein optisches Interferenzprinzip entwickelte. Das Experiment, welches heute in physikalischen Lehrwerken mit dem Namen Young verknüpft wird, veröffentlichte er 1807 und ausschließlich in einem Lehrwerk: das Youngsche Doppelspaltexperiment. Ein Youngscher Doppelspaltversuch hat heute einen festen Platz in naturwissenschaftlichen Bildungsprozessen, wird in vielen physikalischen Lehrwerken als eine experimentelle Evidenz für den Wellencharakter des Lichts thematisiert und das dabei erzeugte Phänomen mit den (Wellen-)Eigenschaften Beugung und Interferenz erklärt.
Michelle Mercier
Kapitel 6. Die Drähte des Georg Simon Ohm (1789–1854)
Zusammenfassung
Ausgehend von der Unzulänglichkeit vieler Lehrbuchtexte für Schule und Hochschule beschreiben wir die Entwicklungsgeschichte des Ohmschen Gesetzes von den ersten Ideen bis zur Durchführung der entscheidenden Experimente. Dabei wird besonderer Wert gelegt auf das Messprinzip, die Details des Versuchsaufbaus, die Durchführung der Messungen und die Maßnahmen zur Erhöhung der Präzision. Als Quellen dienen Ohms Originalpublikationen und unsere Erfahrungen aus Nachbau und Nachvollzug der historischen Versuche. Biografische und rezeptionsgeschichtliche Details sollen den wissenschaftshistorischen und sozialen Kontext dieser fundamentalen Gesetzmäßigkeit erhellen.
Wolfgang Engels, Falk Rieß
Kapitel 7. Die ersten terrestrischen Messungen der Lichtgeschwindigkeit: Fizeau und Foucault
Zusammenfassung
Mitte des 19. Jahrhunderts war längst bekannt, dass Licht für die Ausbreitung Zeit braucht. Auch hatte man bereits aus astronomischen Messungen und Berechnungen Werte für die Lichtgeschwindigkeit. Angesichts von über 300.000 km pro Sekunde rechnete jedoch niemand damit, die Lichtgeschwindigkeit auf kurzen Distanzen auf der Erde messen zu können.
Jan Frercks
Kapitel 8. Die Bestimmung des mechanischen Wärmeäquivalents durch James Prescott Joule
Zusammenfassung
James Prescott Joule veröffentlichte in der Mitte des 19. Jahrhunderts mehrere Artikel zur Bestimmung des mechanischen Wärmeäquivalents, von denen der abschließende und zentrale 1850 in den Philosophical Transactions der Royal Society London erschien. In dem Beitrag On the Mechanical Equivalent of Heat beschrieb er Experimente, die er als Beleg dafür ansah, dass sich mechanische Arbeit äquivalent in Wärme umwandeln lässt. Diese Untersuchung war – zusammen mit Arbeiten andere Forscher wie insbesondere William Thomson (dem späteren Lord Kelvin) – zentral bei der Einführung der Energie als physikalische Erhaltungsgröße.
Peter Heering
Kapitel 9. Die spektroskopischen Arbeiten von Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen
Zusammenfassung
Der Chemiker Robert Bunsen (1811–1899) und der Physiker Gustav Kirchhoff (1824–1887) haben ab Herbst 1859 an der Universität Heidelberg mit ihren spektroskopischen Arbeiten die chemische Spektralanalyse begründet. Durch die Deutung des Sonnenspektrums konnte Kirchhoff den Anwendungsbereich Himmelskörper ausweiten, was in der Folgezeit die Astronomie grundsätzlich verändern sollte. Den Zusammenhang zwischen Emissions- und Absorptionsspektren fundierte Kirchhoff im Rahmen dieser Arbeiten durch die Formulierung des heute nach ihm benannten Strahlungsgesetzes zum Zusammenhang von Absorption und Emission. Mit Hilfe der Erfahrungen aus dem Nachvollzugs der Experimente geht der Beitrag den instrumentellen und experimentellen Grundlagen der spektroskopischen Arbeiten von Kirchhoff und Bunsen nach. Er beschreibt das Zusammenkommen ihrer Erfahrungen und Methoden im Rahmen ihrer kongenialen Zusammenarbeit sowie das Heidelberger Umfeld als Voraussetzungen für ihren Durchbruch. Die Darstellungsform der Spektren, die Kirchhoff und Bunsen gewählt haben, erweist sich als keinesfalls zwangsläufig, aber als äußerst praxistaugliches Ergebnis zahlreicher Abwägungen.
Jochen Hennig
Kapitel 10. Die Visualisierung der Spuren ionisierender Strahlung mit der Expansionsnebelkammer nach Charles Thomson Rees Wilson
Zusammenfassung
Im Frühjahr 1911 teilte der schottische Physiker Charles Thomson Rees Wilson in den Proceedings of the Royal Society of London mit, dass es ihm gelungen sei, die Bahn eines ionisierenden Teilchens zu fotografieren. Die Veröffentlichung ist ein Ergebnis seiner langjährigen Forschungstätigkeit am Cavendish Laboratory in Cambridge (UK) über Kondensationsphänomene in übersättigtem Wasserdampf. Im Jahre 1927 verlieh ihm die schwedische Akademie der Wissenschaften für die von ihm entwickelte Methode den Nobelpreis für PhysikIm Jahre 1911 konnte Charles Thomson Rees Wilson erstmals die Bahn eines ionisierenden Teilchens mit einer Nebelkammer visualisieren und fotografisch dokumentieren. Bis zu diesem Zeitpunkt hatte sein Interesse sechzehn Jahre lang verschiedenen Themen aus der Meteorologie gegolten, wobei er sich insbesondere mit den Bedingungen der Entstehung atmosphärischer Wolken beschäftigte. Für die Untersuchung dieser Naturphänomene benutzte er sogenannte „Cloud Chambers“ in denen er durch adiabatische Expansion die Kondensation von Wasser auf Staubteilchen unter verschiedenen Bedingungen hervorrufen konnte. Zwar hatte er schon früh erkannt, dass sich auch in ionisierter Luft ein diffuser Nebel erzeugen lässt, weil ionisierte Teilchen als Kondensationskerne wirken, jedoch führte ihn diese Entdeckung erst gegen Ende des Jahres 1910 zur neuen Forschungsrichtung, der Atomphysik. Weil vermutet wurde, dass ein α-Teilchen entlang seiner Bahn ionisierte Teilchen erzeugt, entwickelte Wilson die Idee, darauf Wassertröpfchen anzulagern, die dann die Bahn des Teilchens repräsentieren würden. Mit einem quellentreuen Nachbau der Wilsonschen Expansions-Nebelkammer von 1911 und dem Nachvollzug des historischen Experiments konnten Fotografien gewonnen werden, die den historischen Originalen nahekommen.
Wolfgang Engels
Kapitel 11. Der Franck-Hertz-Versuch
Zusammenfassung
Der 1914 erstmals durchgeführte Franck-Hertz-Versuch ist ein Meilenstein auf dem Weg zur Quantenphysik. Sein zentrales Ergebnis ist die experimentelle Evidenz, dass die Anregung von Atomen unterhalb der Ionisierung nur in bestimmten Energiestufen erfolgen kann. Diese Schlussfolgerung war damals aber noch nicht ganz zwingend und wurde von James Franck und Gustav Hertz selbst fünf Jahre lang bestritten, denn sie hatten ganz andere Ziele verfolgen wollen. Neben ihrer großen Sorgfalt beim Experimentieren und einer Reihe von eher zufälligen günstigen Umständen ist das bahnbrechende Ergebnis ihrer Arbeit vor allem dem Vorschlag von Niels Bohr geschuldet, die damals noch offene Frage nach der Ionisierungsenergie durch ein weiteres Experiment zu klären. Dies wurde 1917 von Davis und Goucher durchgeführt. Warum aber der Franck-Hertz-Versuch von 1914 weltberühmt wurde und nicht das gleichzeitig durchgeführte Experiment von Nils Åkesson, einem Doktoranden bei Philipp Lenard, aus dem sich dieselbe bahnbrechende Evidenz zweifelsfrei und sogar deutlicher ergeben hatte, ist bis heute unklar. Den Nobelpreis dafür erhielten 1925 Franck und Hertz.
Jörn Bleck-Neuhaus
Kapitel 12. Millikan, die Öltröpfchenexperimente und die Elementarladung
Zusammenfassung
Der Millikansche Öltröpfchenversuch ist einer der klassischen Versuche, die sich in allen Lehr- und auch fast allen Schulbüchern finden. Mehr noch, fast alle Lehrmittelfirmen bieten eine Apparatur für diesen Versuch an, die sich auch in den meisten universitären Grundpraktika und vielen Schulsammlungen wiederfinden. Zu dieser sehr prominenten Platzierung trägt sicherlich bei, dass die Elementarladung eine zentrale Naturkonstante ist, zudem ist Millikan u. a. für die Arbeiten zu deren Bestimmung 1923 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet worden. In diesem Beitrag werden die experimentelle Entwicklung und der historische Kontext der Messungen diskutiert. 
Peter Heering
Kapitel 13. Das Geiger-Müller Zählrohr
Zusammenfassung
Damals wie heute besticht das Geiger-Müller Zählrohr durch seine Einfachheit. In gängigen Lehr- und auch Schulbüchern reicht in der Regel eine Spalte oder gar ein Absatz, um das Funktionsprinzip hinreichend genau zu beschreiben: Ein auf hohem Potential liegender, leicht evakuierter Zylinderkondensator mit einer wenigen µm dicken Anode sorgt dafür, dass ein einzelnes ionisierendes Teilchen nahe dem Draht eine Entladungslawine auslöst, die den Zusammenbruch der Spannung verursacht und auch schon ohne elektrische Verstärkung über einen Lautsprecher als Knacken hörbar wird. Die Entwicklungsgeschichte des Zählrohrs zeichnet aber ein vielschichteres Bild, das von sozialer Hierarchie und Laborstrukturen, von durchdachten Publikationsstrategien und der selektiven Weitergabe von Handlungswissen rund um die Konstruktion des Zählrohrs geprägt ist.
Sebastian Korff
Kapitel 14. Die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung durch Arno Allan Penzias und Robert Woodrow Wilson
Zusammenfassung
Lehrbücher der Physik führen die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung (cosmic microwave radiation) als zweite wichtige Basis für die Akzeptanz des Urknallmodells neben der Entdeckung der Expansion des Kosmos durch Edwin Powell Hubble auf. Manchmal wird in diesem Zusammenhang auch, zusätzlich, der Nachweis der Häufigkeit von Helium im Kosmos genannt. Diese Häufigkeit von rund 25 % kann nur durch die frühe Produktion in einem heißen Urknall erklärt werden.
Jürgen Teichmann
Metadaten
Titel
Kanonische Experimente der Physik
herausgegeben von
Prof. Dr. Peter Heering
Copyright-Jahr
2022
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-64646-5
Print ISBN
978-3-662-64645-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-64646-5

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