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FAKULTÄT FÜR PHYSIK UND ASTRONOMIE FACHDIDAKTIK PHYSIK Erkenntnisfragen der Physik Einführung 19.04.10 BURKHARD PRIEMER FACHDIDAKTIK PHYSIK Was ist Wissenschaftstheorie? Was ist Erkenntnistheorie? BURKHARD PRIEMER FOLIE 2 FACHDIDAKTIK PHYSIK Ändern sich Gesetze und Definitionen der Physik? - Wann sind Ergebnisse richtig? Wann werden Aussagen geändert? Wie zuverlässig sind Ergebnisse? Wie werden Aussagen anerkannt? - Wie sicher ist Wissen in der Physik? BURKHARD PRIEMER FOLIE 3 FACHDIDAKTIK PHYSIK Ändern sich Gesetze und Definitionen der Physik? BURKHARD PRIEMER FOLIE 4 FACHDIDAKTIK PHYSIK Ändern sich Gesetze und Definitionen der Physik? Pluto Erde BURKHARD PRIEMER FOLIE 5 FACHDIDAKTIK PHYSIK Clyde William Tombaugh (1906–1997), American astronomer BURKHARD PRIEMER FOLIE 6 FACHDIDAKTIK PHYSIK Percival Lowell Pluto -> Störungen der Uranusbahn (durch weiteren Planeten außer Neptun) -> Lowell: 1905-1907 Astronomisches Symbol für Pluto -> Lowell: 1911 -> Lowell: 1914-1916 -> Tombaugh: 1929-1930 Lowell Observatory BURKHARD PRIEMER FOLIE 7 FACHDIDAKTIK PHYSIK Percival Lowell Pluto -> Störungen der Uranusbahn (durch weiteren Planeten außer Neptun) -> Lowell: 1905-1907 (am falschen Ort und mit zu lichtschwachen Geräten gesucht) Astronomisches Symbol für Pluto -> Lowell: 1911 -> Lowell: 1914-1916 -> Tombaugh: 1929-1930 Lowell Observatory BURKHARD PRIEMER FOLIE 8 FACHDIDAKTIK PHYSIK Percival Lowell Pluto -> Störungen der Uranusbahn (durch weiteren Planeten außer Neptun) -> Lowell: 1905-1907 (am falschen Ort und mit zu lichtschwachen Geräten gesucht) -> Lowell: 1911 (optische Fehler) Astronomisches Symbol für Pluto -> Lowell: 1914-1916 -> Tombaugh: 1929-1930 Lowell Observatory BURKHARD PRIEMER FOLIE 9 FACHDIDAKTIK PHYSIK Percival Lowell Pluto -> Störungen der Uranusbahn (durch weiteren Planeten außer Neptun) -> Lowell: 1905-1907 (am falschen Ort und mit zu lichtschwachen Geräten gesucht) -> Lowell: 1911 (optische Fehler) -> Lowell: 1914-1916 (auf Bildern nicht erkannt) Astronomisches Symbol für Pluto -> Tombaugh: 1929-1930 "The discovery of a solar system body apparently trans-neptunian" Lowell Observatory BURKHARD PRIEMER FOLIE 10 FACHDIDAKTIK PHYSIK Pluto -> Störungen der Uranusbahn (durch weiteren Planeten außer Neptun) -> Lowell: 1905-1907 (am falschen Ort und mit zu lichtschwachen Geräten gesucht) -> Lowell: 1911 (optische Fehler) -> Lowell: 1914-1916 (auf Bildern nicht erkannt) -> Tombaugh: 1929-1930 -> heute: (1) Pluto viel zu klein, um Störungen der Uranusbahn zu erklären. (2) Ursache der Störungen waren zu ungenaue Werte der Neptunmasse BURKHARD PRIEMER FOLIE 11 FACHDIDAKTIK PHYSIK Pluto (Planet: *1930, †2006) -> Störungen der Uranusbahn (durch weiteren Planeten außer Neptun) -> Lowell: 1905-1907 (am falschen Ort und mit zu lichtschwachen Geräten gesucht) -> Lowell: 1911 (optische Fehler) -> Lowell: 1914-1916 (auf Bildern nicht erkannt) -> Tombaugh: 1929-1930 -> heute: (1) Pluto viel zu klein, um Störungen der Uranusbahn zu erklären. (2) Ursache der Störungen waren zu ungenaue Werte der Neptunmasse BURKHARD PRIEMER FOLIE 12 FACHDIDAKTIK PHYSIK Was ist ein Planet? BURKHARD PRIEMER FOLIE 13 FACHDIDAKTIK PHYSIK 2003, 2005 BURKHARD PRIEMER FOLIE 14 FACHDIDAKTIK PHYSIK Ändern sich Gesetze und Definitionen der Physik? International Astronomical Union (IAU) RESOLUTION 5A ...Die IAU beschließt [deshalb], dass „Planeten“ und andere Körper unseres Sonnensystems entsprechend der folgenden Definitionen in eine der drei Kategorien eingeordnet wird: 1.Ein „Planet#1“ ist ein Himmelskörper, der a.sich auf einer Umlaufbahn um die Sonne befindet, b.der genügend eigene Schwerkraft besitzt, um die Kräfte fester Körper so zu überwinden, dass er die Gestalt eines hydrostatischen Gleichgewichts (annährend rund) erreicht, und c.die nähere Umgebung seiner Bahn von anderen Körpern bereinigt hat. 2.Ein „Zwergplanet#2“ ist ein Himmelskörper, der a.sich auf einer Umlaufbahn um die Sonne befindet, b.der genügend eigene Schwerkraft besitzt, um die Kräfte fester Körper so zu überwinden, dass er die Gestalt eines hydrostatischen Gleichgewichts (annährend rund) erreicht, c.die nähere Umgebung seiner Bahn nicht von anderen Körpern bereinigt hat und d.nicht selbst ein Satellit [=Mond, Anm. d. Übs.] ist. 3.Alle anderen Objekte#3 außer Satelliten, die um die Sonne kreisen, werden als „Kleine Objekte des Sonnensystems“ zusammengefasst. #1: Die acht Planeten sind: Merkur, Venus, die Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Es wird ein IAU-Verfahren zur Abgrenzung von Zwergplaneten und anderen Kategorien eingeleitet. #3: Diese umfassen gegenwärtig die meisten Asteroiden des Sonnensystems, die meisten Trans-Neptunischen Objekte (TNOs), die Kometen und andere kleine Körper. #2: aus: http://www.neunplaneten.de BURKHARD PRIEMER FOLIE 15 FACHDIDAKTIK PHYSIK Ändern sich Gesetze und Definitionen der Physik? International Astronomical Union (IAU) RESOLUTION 5A ...Die IAU beschließt [deshalb], dass „Planeten“ und andere Körper unseres Sonnensystems entsprechend der folgenden Definitionen in eine der drei Kategorien eingeordnet wird: 1.Ein „Planet#1“ ist ein Himmelskörper, der a.sich auf einer Umlaufbahn um die Sonne befindet, b.der genügend eigene Schwerkraft besitzt, um die Kräfte fester Körper so zu überwinden, dass er die Gestalt eines hydrostatischen Gleichgewichts (annährend rund) erreicht, und wird von Pluto c.die nähere Umgebung seiner Bahn von anderen Körpern bereinigt hat. 2.Ein „Zwergplanet#2“ ist ein Himmelskörper, der nicht erfüllt a.sich auf einer Umlaufbahn um die Sonne befindet, b.der genügend eigene Schwerkraft besitzt, um die Kräfte fester Körper so zu überwinden, dass er die Gestalt eines hydrostatischen Gleichgewichts (annährend rund) erreicht, trifft für Pluto zu c.die nähere Umgebung seiner Bahn nicht von anderen Körpern bereinigt hat und d.nicht selbst ein Satellit [=Mond, Anm. d. Übs.] ist. 3.Alle anderen Objekte#3 außer Satelliten, die um die Sonne kreisen, werden als „Kleine Objekte des Sonnensystems“ zusammengefasst. #1: Die acht Planeten sind: Merkur, Venus, die Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Es wird ein IAU-Verfahren zur Abgrenzung von Zwergplaneten und anderen Kategorien eingeleitet. #3: Diese umfassen gegenwärtig die meisten Asteroiden des Sonnensystems, die meisten Trans-Neptunischen Objekte (TNOs), die Kometen und andere kleine Körper. #2: aus: http://www.neunplaneten.de BURKHARD PRIEMER FOLIE 16 FACHDIDAKTIK PHYSIK „Hydrostatisches Gleichgewicht“ BURKHARD PRIEMER FOLIE 17 FACHDIDAKTIK PHYSIK „Bahnbereinigung“ „Fegerate“ kM 2 P „PlanetenDiskriminator“ μ M MR k: Konstante, M: Masse, P: Umlaufzeit MR: zusätzliche Massen im gleichen Orbit (vgl. Klahr, Physikjournal Okt. 2006) BURKHARD PRIEMER FOLIE 18 FACHDIDAKTIK PHYSIK Petition for a "better definition" Within five days of the new IAU Planet Definition over 300 scientists signed a petition that opposes the new definition. The full text of the petition says: “We, as planetary scientists and astronomers, do not agree with the IAU's definition of a planet, nor will we use it. A better definition is needed.” BURKHARD PRIEMER FOLIE 19 FACHDIDAKTIK PHYSIK Petition for a "better definition" Within five days of the new IAU Planet Definition over 300 scientists signed a petition that opposes the new definition. The full text of the petition says: “We, as planetary scientists and astronomers, do not agree with the IAU's definition of a planet, nor will we use it. A better definition is needed.” This petition has been criticized because nearly all of its signatories are Americans. In contrast, those who voted in the IAU assembly were composed of scientists from different countries. The petitioners also failed to propose an alternative definition, so their signatures are no indication that they are all of similar views. BURKHARD PRIEMER FOLIE 20 FACHDIDAKTIK PHYSIK Ändern sich Gesetze und Definitionen der Physik? - Entdeckungen können systematisch und zufällig (zugleich) sein - Technik ermöglicht Entdeckungen – Entdeckungen ermöglichen Technik - Neue Erkenntnisse/ Entdeckungen erfordern eine Revision - Es gibt keine endgültige Richtigkeit - Aussagen bedürfen einer Konvention - Wissenschaft wird von Menschen gemacht Internationale Gesellschaft, persönliche Gründe, „subjektive Komponente“ - Wie sicher ist Wissen in der Physik? BURKHARD PRIEMER FOLIE 21 FACHDIDAKTIK PHYSIK Was ist Wissenschaftstheorie? -> -> -> -> theoretische Beschreibung einer Wissenschaft betrachtete Wissenschaft wird nicht in Frage gestellt Rekonstruktion der Wissenschaft Lehre von den Voraussetzungen, Gegenständen, Methoden und Grenzen einer Wissenschaft Was ist Erkenntnistheorie? -> theoretische Beschreibung der Erkenntnisgewinnung einer Wissenschaft -> Geltungsfrage wird gestellt BURKHARD PRIEMER FOLIE 22 FACHDIDAKTIK PHYSIK Was ist Wissenschaftstheorie? -> -> -> -> theoretische Beschreibung einer Wissenschaft betrachtete Wissenschaft wird nicht in Frage gestellt Rekonstruktion der Wissenschaft Lehre von den Voraussetzungen, Gegenständen, Methoden und Grenzen einer Wissenschaft Was ist Erkenntnistheorie? -> theoretische Beschreibung der Erkenntnisgewinnung einer Wissenschaft -> Geltungsfrage wird gestellt BURKHARD PRIEMER FOLIE 23 FACHDIDAKTIK PHYSIK Die Aufgaben der Wissenschaftstheorie 1 Die analytische Wissenschaftstheorie der Physik untersucht im einzelnen: - die Struktur der Physik, d. h. die Arten physikalischer Begriffe und ihre Bildung sowie die Arten physikalischer Sätze (als Verknüpfungen zwischen Begriffen) und ihre Gewinnung. Bsp.: Definition der Geschwindigkeit Gasgesetz/ Van der Waals Gleichung Archimedisches Prinzip qualitative, halbquantitative, quantitative Gesetze Nutzung der Mathematik (Bsp.: l = l0 (1 +αT) ) nach: Oy (1977) BURKHARD PRIEMER FOLIE 24 FACHDIDAKTIK PHYSIK Die Aufgaben der Wissenschaftstheorie 2 Die analytische Wissenschaftstheorie der Physik untersucht im einzelnen: - die Basis der Physik, indem sie sowohl nach dem Anfang des physikalischen Handelns fragt als auch nach der Rechtfertigung der Anfangsergebnisse dieser Wissenschaft. Bsp.: Was sind die Grundlagen der Physik? Womit nimmt Physik ihren Anfang? Wie erhält der Physiker erste Ergebnisse? Rolle der Wahrnehmung, Beobachtung Ringschlüsse nach: Oy (1977) BURKHARD PRIEMER FOLIE 25 FACHDIDAKTIK PHYSIK Die Aufgaben der Wissenschaftstheorie 3 Die analytische Wissenschaftstheorie der Physik untersucht im einzelnen: - die Frage der Geltung und Rechtfertigung physikalischer Sätze und Satzsysteme. Bsp.: Wie rechtfertigt der Physiker seine Ergebnisse? Woher weiß er, dass es gültige Aussagen sind? Gewinnung von Aussagen -> Rechtfertigung? (Balmer-Serie, Goldbachsche Vermutung) Anwendbarkeit der Mathematik nach: Oy (1977) BURKHARD PRIEMER FOLIE 26 FACHDIDAKTIK PHYSIK Balmer Serie Johann Jakob Balmer (1825-1898) 1885: Empirisch gefundene Formel für die Wellenlängen für eine Serie von Spektrallinien des Elements Wasserstoff n = 3, 4, 5, 6 A = const. BURKHARD PRIEMER FOLIE 27 FACHDIDAKTIK PHYSIK Goldbachsche Vermutung Christian Goldbach (1690-1764) „Jede gerade Zahl (außer 2) kann als Summe zweier Primzahlen geschrieben werden.“ Bewiesen: für alle Zahlen bis 2 · 1018 (April 2007) y: Anzahl der Möglichk. x: gerade Zahl Ein Beweis, dass die Vermutung für jede beliebig große gerade Zahl gilt, gibt es (noch) nicht. -> beweisbar oder nicht? (vgl. Gödel:“ Nicht jeder wahre Satz ist beweisbar.“) BURKHARD PRIEMER FOLIE 28 FACHDIDAKTIK PHYSIK Was ist Wissenschaftstheorie? -> -> -> -> theoretische Beschreibung einer Wissenschaft betrachtete Wissenschaft wird nicht in Frage gestellt Rekonstruktion der Wissenschaft Lehre von den Voraussetzungen, Gegenständen, Methoden und Grenzen einer Wissenschaft Was ist Erkenntnistheorie? -> theoretische Beschreibung der Erkenntnisgewinnung einer Wissenschaft -> Geltungsfrage wird gestellt Was ist Wissenschaft? Was ist Pseudowissenschaft? BURKHARD PRIEMER FOLIE 29 FACHDIDAKTIK PHYSIK So in etwa sieht aus, was ich sehe. Wie erfahre ich aus diesem Bild etwas über „mich“? Mach, 1900 BURKHARD PRIEMER FOLIE 30 FACHDIDAKTIK PHYSIK BURKHARD PRIEMER FOLIE 24 FACHDIDAKTIK PHYSIK Themen für Seminarvorträge 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. Erkenntnisgewinnung in Physik und die Theorien von Thomas Kuhn Erkenntnisgewinnung in Physik und die Theorien von Karl Popper Erkenntnisgewinnung in Physik und die Theorien von Paul Feyerabend Erkenntnisgewinnung in Physik und der Ansatz nach Bayes Erkenntnisgewinnung in Physik und die Ansätze von Willard Quine und Pierre Duhem (Quine-Duhem-These) Der Induktivismus und das Induktionsproblem Die Bedeutung von Experimenten für die Erkenntnisgewinnung in Physik Die Bedeutung von Modellen für die Erkenntnisgewinnung in Physik Determinismus, Lokalität und Realismus: der Einfluss der Quantenphysik auf die Erkenntnistheorie Die Bohr-Einstein Debatte Wissenschaft und Wissenschaftssoziologie: Wie stark ist Wissenschaft vom Menschen abhängig? Fälschungen, Schwindel und Betrug in der Physik Farbenlehre nach Goethe und Newton Das Schlüsselexperiment und seine Bedeutung Die Rolle offener physikalischer Fragen: Die Pioneer Anomalie ggf. weitere Themen - xx Eigene Vorschläge BURKHARD PRIEMER FOLIE 32 FACHDIDAKTIK PHYSIK Termine im SS 10 19.04. Einführung, Organisatorisches 26.04. Was ist Wissenschaft? 03.05. Grundbegriffe: Theorie, Gesetz, Hypothese 10.05. Naturwiss. Methoden, Tatsachen, Grundvoraussetzungen 17.05. Referat 1 und 2 31.05. Referat 3 und 4 07.06. Referat 5 und 6 14.06. Referat 7 und 8 21.06. Referat 9 und 10 28.07. Referat 11 und 12 05.07. Referat 13 und 14 12.07. Referat 15 und 16 19.07. Abschlussveranstaltung BURKHARD PRIEMER FOLIE 33 FACHDIDAKTIK PHYSIK Hinweise zu den Referaten (werden bewertet) -30 min. + 15 min. Diskussion -Motivation und Einleitung zur Fragestellung -Verknüpfung von Physik (Beisp.) mit Erkenntnistheorie -Klares Vortragsziel (Schwerpunkt) setzen und benennen -Klare Gliederung (roter Faden) vorgeben und benennen -ggf. Teilnehmer aktiv mit einbeziehen, Aufgaben geben, ansprechen -Eigene Stellungnahmen und Einschätzungen -Zusammenfassung (Kernpunkte, Fazit) am Ende -Diskussion am Ende anregen und leiten; eigene Rückfragen stellen -Langsames, betontes, klares Vortragen, Auditorium ansprechen -Eigene Körpersprache (kontrollieren) -Mediennutzung (Visualisierungen, Texte, Fragen usw.) -Keine langen Texte auf Folien -ggf. Rücksprache mit Dozenten vor dem Termin -Eigenes „Probesprechen“ BURKHARD PRIEMER FOLIE 34 FACHDIDAKTIK PHYSIK Hinweise zu den Schriftlichen Ausarbeitungen (werden bewertet) -Insg. 5 Seiten Text -2 Seiten: allgemeine Kernaussagen und Theorie zum Thema -1 Seite: Übertragung auf physikalische Beispiele -2 Seiten: Eigene Stellungnahme bzw. Einschätzung zum Thema/ zur Theorie (und ggf. Ergebnisse der Diskussion) -Korrektes Zitieren (Literaturquellen) -Abgabe nach Wunsch BURKHARD PRIEMER FOLIE 35 FACHDIDAKTIK PHYSIK BURKHARD PRIEMER FOLIE 36
