Möglichkeiten zur Behandlung des Wärmeäquivalents im Unterricht - Erweiterte Vorschläge zur experimentellen Erfassung des Wärmeäquivalents

Bekanntlich ist die Vernetzung der einzelnen Teilgebiete der Physik beim Lehren und Lernen von hoher Bedeutung. Zu den Schnittstellen zwischen Mechanik und Thermodynamik gehört die Beschäftigung mit dem Wärmeäquivalent, das in der Geschichte der Physik eine wichtige Rolle spielte. Welche Leistungen Meyer, Joule und Colding mit der Bestimmung des quantitativen Zusammenhangs zwischen Arbeit und Wärme erbracht haben, wird erst dann deutlich, wenn man selbst Experimente zur Findung des Wärmeäquivalents durchführt.  Auf experimentellem Wege kann man für Lernende besonders gut verdeutlichen, dass Wärme eine Prozessgröße ist und keinesfalls mit stofflichen Vorstellungen (Stichwort Phlogiston) in Verbindung gebracht werden darf. Im vorliegenden Artikel sollen Möglichkeiten präsentiert werden, wie man das Wärmeäquivalent experimentell zugänglich machen kann

Die Energiewende aus fachdidaktischer Sicht

Alle Formen der sogenannten regenerativen Energien werden hauptsächlich unter technischen, ökonomischen und gesellschaftlichen Aspekten betrachtet. Fachleute führen eine detailverliebte Diskussion, die Bevölkerung steht entweder abseits oder fühlt sich getäuscht. Zu voreilig hat man regenerative Energien als umweltfreundlich bezeichnet oder sie als effektives Allheilmittel für den immer weiter steigenden Energiebedarf der Menschheit stilisiert.Wir erleben in Deutschland gerade, wie sich viele Menschen von der an sich alternativlosen Nutzung regenerativer Energien abwenden, weil sie überrascht von den Konsequenzen der sogenannten Energiewende sind. Doch viele dieser Konsequenzen liegen auf der Hand. Man kann sie im Prinzip schon auf der Basis elementarer Naturgesetze erkennen. Wir haben die didaktische Aufgabe dies zu verdeutlichen, denn ohne die Einbeziehung des bewussten Handelns sehr vieler Individuen wird die Zivilisation in einen „energetischen Abgrund“ laufen. Auch eine elementarisierte Diskussion kann herausarbeiten:Der Flächenbedarf für die Gewinnung regenerativer Energien ist bei Wind- und Wasserkraft enorm. In Ländern, in denen kaum freie Flächen zur Verfügung stehen, kommt es zwangsläufig zur Flächenkonkurrenz mit anderen zivilisatorischen Nutzungsvarianten. In dicht besiedelten Ländern ist die Solarenergie eine Alternative im Bereich der regenerativen Energieformen

Möglichkeiten zur Behandlung des Wärmeäquivalents im Unterricht - Erweiterte Vorschläge zur experimentellen Erfassung des Wärmeäquivalents

Bekanntlich ist die Vernetzung der einzelnen Teilgebiete der Physik beim Lehren und Lernen von hoher Bedeutung. Zu den Schnittstellen zwischen Mechanik und Thermodynamik gehört die Beschäftigung mit dem Wärmeäquivalent, das in der Geschichte der Physik eine wichtige Rolle spielte. Welche Leistungen Meyer, Joule und Colding mit der Bestimmung des quantitativen Zusammenhangs zwischen Arbeit und Wärme erbracht haben, wird erst dann deutlich, wenn man selbst Experimente zur Findung des Wärmeäquivalents durchführt.  Auf experimentellem Wege kann man für Lernende besonders gut verdeutlichen, dass Wärme eine Prozessgröße ist und keinesfalls mit stofflichen Vorstellungen (Stichwort Phlogiston) in Verbindung gebracht werden darf. Im vorliegenden Artikel sollen Möglichkeiten präsentiert werden, wie man das Wärmeäquivalent experimentell zugänglich machen kann

Die Energiewende aus fachdidaktischer Sicht

Alle Formen der sogenannten regenerativen Energien werden hauptsächlich unter technischen, ökonomischen und gesellschaftlichen Aspekten betrachtet. Fachleute führen eine detailverliebte Diskussion, die Bevölkerung steht entweder abseits oder fühlt sich getäuscht. Zu voreilig hat man regenerative Energien als umweltfreundlich bezeichnet oder sie als effektives Allheilmittel für den immer weiter steigenden Energiebedarf der Menschheit stilisiert.Wir erleben in Deutschland gerade, wie sich viele Menschen von der an sich alternativlosen Nutzung regenerativer Energien abwenden, weil sie überrascht von den Konsequenzen der sogenannten Energiewende sind. Doch viele dieser Konsequenzen liegen auf der Hand. Man kann sie im Prinzip schon auf der Basis elementarer Naturgesetze erkennen. Wir haben die didaktische Aufgabe dies zu verdeutlichen, denn ohne die Einbeziehung des bewussten Handelns sehr vieler Individuen wird die Zivilisation in einen „energetischen Abgrund“ laufen. Auch eine elementarisierte Diskussion kann herausarbeiten:Der Flächenbedarf für die Gewinnung regenerativer Energien ist bei Wind- und Wasserkraft enorm. In Ländern, in denen kaum freie Flächen zur Verfügung stehen, kommt es zwangsläufig zur Flächenkonkurrenz mit anderen zivilisatorischen Nutzungsvarianten. In dicht besiedelten Ländern ist die Solarenergie eine Alternative im Bereich der regenerativen Energieformen

Growth and energy

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Kurskonzeptes, bestehend aus mehreren Lernmodulen, welches die aktuelle Energiediskussion aus einer bisher wenig berücksichtigten Perspektive untersucht. Anders als bislang betrachten wir die Grenzen jeglicher Form der Energiebereitstellung für zivilisatorische Prozesse anhand von Überlegungen, die sich aus den grundlegenden Gesetzen der Physik und der Geowissenschaften einschließlich der Astronomie ergeben. Der Kurs richtet sich hauptsächlich an Schülerinnen und Schüler der gymnasialen Oberstufe, Teilaspekte können jedoch auch schon in vorangehenden Klassenstufen unterrichtet werden. Begleitet werden die Lernmodule einerseits von fachwissenschaftlichen und fachdidaktischen Vorbetrachtungen und andererseits von ausgewählten Aufgaben zur Festigung des Erlernten jeweils am Ende einer Lehreinheit. Mehrere Erprobungen flossen in die Entwicklung der Lernmodule ein. Unbestreitbar ist die gesellschaftliche Bedeutung eines Unterrichts, der das beschriebene Themenfeld zum Inhalt hat. Diese Arbeit liefert detaillierte Beiträge zur Legitimation eines solchen Unterrichtsstoffes. Es wird der Lehrplan für die gymnasiale Oberstufe in NRW analysiert, flankierend erbringt eine vergleichende Studie gängiger Schulbücher den klaren Hinweis auf die Tatsache, dass umweltphysikalische Themengebiete im Schulunterricht zwar in Hinblick auf die Energiedebatte angesprochen werden, die naturgesetzlich fixierten Handlungsspielräume leider zu kurz oder überhaupt nicht zur Sprache kommen. Durchgeführte Umfragen sollen die Notwendigkeit eines neuen Kurses zum Themenfeld Energie – Wachstum – Umwelt unterstützen. Von essenzieller Bedeutung ist allerdings dabei, dass die fundamentalen Prozesse und ihre Dynamik nach entsprechender Elementarisierung im Lernprozess adäquat abgebildet werden. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit widmet sich die vorliegende Untersuchung dabei der Abschätzung planetarer Wachstumsgrenzen, dem Strahlungsgleichgewicht der Erde, dem Begriff des Strahlungsantriebs, den Potenzialen regenerativer Energien und der Einsicht in deren geringe Wirkungspotenziale anhand von Abschätzungen der Flächenleistungsdichte.This thesis aims for a development of a course containing several teaching modules, in which the energy revolution is researched from a rarely used perspective thus far. In a break from tradition we examine the limits of any energy supply for civilizing processes based on considerations which arise as results of fundamental laws of physics and geophysics including astronomy. This course is mainly directed at pupils of senior classes in secondary schools, however partial aspects can also be taught in preceding classes. The teaching modules are accompanied on the one hand by scientific and didactical previews and on the other hand by selected tasks at the end of the modules to consolidate the previously acquired knowledge. The teaching modules have been tested through several trials at school. The social importance of a class which contains the described subject is indisputable. This thesis provides detailed contributions for a legitimization of this kind of teaching subject. The curriculum of NRW is analyzed, accompanied by a comparing study of common school books which clearly stresses the fact that environmental physical subjects at school are addressed in view of the energy revolution, but that the nomological scope is being rarely discussed or not at all. Conducted surveys shall support the necessity of a new course about energy – growth – environment. Of essential importance is however that the fundamental processes and dynamics are presented adequately in the learning process. Without the demand of completeness, the present investigation attends to the estimation of planetary limits, the radiative equilibrium of the earth, the term of radiative forcing, the capabilities of renewable energies and the realization of their low potential effectiveness based on surface power density assessments