Altlast

Der Begriff Altlast bezeichnet einen abgrenzbaren Teil der Erdoberfläche, der infolge früherer menschlicher Tätigkeiten gesundheits- oder umweltschädliche Veränderungen der natürlichen Zusammensetzung des Bodens oder des Grundwassers aufweist.

Übertragen auf den Physikunterricht bedeutet Altlast ein Begriff, eine mathematische Formulierung oder auch ein theoretischer Zusammenhang, die auf frühere Theorien verweisen, aus dem Zusammenhang gerissen worden sind oder auf einem längst ausgeräumten Missverständnis beruhen.

Mechanik

• Newtonsche Axiome, Newtonsche Prinzipien oder auch Newtonsche Gesetze: Die alte, auf Newton und Euler zurückzuführende Formulierung der Mechanik verschweisst die Impulsbilanz mit dem zugehörigen kapazitiven Gesetz zu drei abstrakten Aussagen (oft fälschlicherweise Axiome genannt), die eigentlich nur auf das Modell des Massenpunktes zutreffen. Zahlreiche Untersuchungen zeigen, dass diese Aussagen kaum je richtig verstanden werden. Zudem ist der Ausbau zu den offenen Systemen oder zur relativistischen Mechanik erschwert.
  • Alternative: den Impuls als Primärgrösse einführen; damit werden Impulsbilanz und Kinematik klar getrennt.
• Zentripetalkraft: Kräfte sind Impulsströme oder Impulsquellen bezüglich eines vorher ausgewählten Systems. Aus diesem Grund sollte man jede Kraft nach der impulsführenden Zuleitung oder nach der Quelle benennen (Normalkraft, Reibungskraft, Seilkraft, Gravitationskraft und elektromagnetische Kraft). Die Zentripetalkraft ist dann entweder eine von diesen Kräften, eine ihrer Komponente oder eine Summe aus verschiedenen Kräften. Zudem verliert der Begriff Zentripetalkraft schon bei der allgemeinen Planetenbewegung ihren Sinn.
  • Alternative: Körper freischneiden, Bewegungsgleichungen (Impulsbilanzen) formulieren und zusätzliche Annahmen treffen. Bei krummlinigen Bewegungen die Begriffe Normal- und Tangentialbeschleunigung einführen.
• Erdbeschleunigung: Galileo Galilei hat als erster gezeigt, dass alle im Vakuum fallen gelassene Körper die gleich Beschleunigung erfahren. Weil die Beschleunigung frei fallender Körper nur vom Ort und nicht von deren Masse abhängt, haben sich Begriff wie Erdbeschleunigung oder Schwerebeschleunigung eingebürgert
  • Alternative: Im Sinne von Einstein sollte man eine unmittelbare Erklärung für das Phänomen Gravitation geben: die Masse der Erde erzeugt ein Gravitationsfeld; dieses Feld bildet gemeinsam mit der Masse eines Körpers eine Impulsquelle, dessen Stärke man Gewichtskraft, Schwerkraft oder Gravitationskraft nennt. Folglich heisst die Stärke dieses Feldes Gravitationsfeldstärke g (Einheit N/kg) und hat nur über den zugeführten Impuls etwas mit Beschleunigung zu tun.
• Potentielle Energie: Hebt man einen Körper hoch, nimmt die Energie des Gravitationsfeldes zu. Vernachlässigt man Leistung und Arbeit der Gewichtskraft, kann die durch das Heben des Körpers dem Gravitationsfeld zugeführte Energie dem Körper selber als potentielle Energie zugeschrieben werden. Nicht der Begriff potentielle Energie ist eine Altlast, sondern die fehlende Erklärung für den allgemeinen Zusammenhang.
  • Alternative: Bei Gravitations- und elektromagnetischen Feldern zeigen, dass die Energie eher dem Feld als dem Körper zuzuordnen ist. Zudem aber auch darauf hinweisen, dass man im Sinne einer vereinfachenden Modellbildung diese Energie ohne Verlust an Präzision dem Körper zuweisen kann. Ähnlich verhält es sich mit dem Impuls beim elektromagnetischen Feld.

Elektrizitätslehre

• Strom als bewegte Ladung: Unter einer Bewegung versteht man die Ortsveränderung von Objekten. Eine Bewegung setzt folglich Objekte voraus, welche identifizierbar sind. Fliesst nun ein Strom durch einen Metalldraht, sind die Elektronen für den elektrischen Strom verantwortlich. Diese Elementarteilchen bewegen sich aber nicht im Sinne der klassischen Mechanik durch das Metallgitter. Einzig bei Ionen, die sich in einer Flüssigkeit bewegen, oder bei Protonen und Elektronen, die durch ein evakuiertes Rohr fliegen, kann näherungsweise vom Strom als Bewegung gesprochen werden.
  • Alternative: Der (leitungsartige) elektrische Strom ist ein Transport von elektrischer Ladung durch den Raum.
• Zwei Stromrichtungen: Die Aussage wonach es eine technische und eine physikalische Stromrichtung gibt, ist logisch nicht haltbar. Zudem findet man in den theoretischen Grundlagen der Elektrodynamik (Maxwell'sche Gleichungen) keine zwei Stromrichtungen. Die Richtung des elektrischen Stromes folgt direkt aus dem Vorzeichen, das man der Ladung zuordnet. Würde eine Regierung festlegen, dass in ihrem Hoheitsgebiet das Elektron positive Ladung trägt, flössen die elektrischen Ströme mit Inkraftsetzung dieses Erlasses in die andere Richtung.
  • Alternative: Die Richtung des elektrischen Stromes ist über die Bilanz mit dem Vorzeichen der Ladung verknüpfen. Dies kann man anhand von echten Ladungsspeichern wie z.B. isoliert aufgehängte Metallkugeln zeigen. Zudem sollte man darauf hinweisen, dass die Ladungsträger (Ionen, Elektronen, Löcher) immer dann auf die andere Seite fliessen, wenn die Ladung pro Trägerteilchen Q_Teilchen negativ ist. Dies lässt sich auch mathematisch formulieren. Aus [math]I=Q_{Teilchen}I_{Teilchen}[/math] folgt, dass der Trägerstrom das entgegen gesetzte Vorzeichen bekommt, sobald das Trägerteilchen negativ geladen ist.

Thermodynamik

• Wärme als Energieform: Die bezüglich eines Systems thermisch ausgetauschte Energie ist Mitte des 19. Jahrhunderts als Wärme definiert worden. Diese Festlegung gilt heute noch. Trotzdem sollte man aus daraus nicht eine umfassende Theorie machen. Gemäss dieser Definition der Wärme gibt es weder einen Wärmeinhalt noch einen Wärmetransport. Wärme hat auch nicht direkt etwas mit Bewegung von Teilchen zu tun. Offen bleibt auch die Frage, wieso dieser Energieaustausch thermisch genannt werden muss.
  • Alternative: Die Entropie mit der natürlichen Vorstellung von Wärmemenge (Menge, die gespeichert, transportiert und erzeugt werden kann) verbinden. Nachdem die Entropie als Basismenge der Wärmelehre gefestigt ist, die Energiezuordnung (Entropie als Energieträger) einführen. Als letztes kann man dann die Wärme als die Energie definieren, die zusammen mit der Entropie über die Grenze eines Systems transportiert wird.

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Altlasten der Physik von Friedrich Herrmann