0. Didaktische Anmerkungen für den Workshop

Die Abhandlung bietet einen gerafften Einstieg in die Vorstellung von Natur, Naturerkenntnis und naturwissenschaftlicher Denkweise, wie sie sich in der abendländischen Philosophie herausgebildet hat. Die so gewonnen Erkenntnisse bilden den Grundstein zu den heutigen Errungenschaften in Naturwissenschaften und Technik.

Dazu sind zwei Denkweisen erforderlich. Die induktive Denkweise geht aus von einzelnen Beobachtungen und Experimenten, der Erfahrungswelt, und kommt zu Gesetzmäßigkeiten und Theorien.

Die deduktive Denkweise schließt umgekehrt aus erkannten Gesetzmäßigkeiten und Theorien auf die Erfahrungswelt und erlaubt das Planen von Experimenten.

Vorrangig ist die Erkenntnis, dass alles in der Natur im Gleichgewicht ist. Gleichgewichtslagen können daran erkannt werden, dass sich im betrachteten Zeitraum nichts ändert. Gleichgewichte können durch Einfluss von Energie verändert werden. Aus den Veränderungen kann auf die Zusammenhänge in der Natur geschlossen werden.

Schülerinnen und Schüler können am Beispiel der Entdeckung der Luft als Stoff und des Vakuums in der Nach-Renaissance (Barock ) die naturwissenschaftliche Arbeitsweise bis hin zur Veröffentlichung kennenlernen (Otto von Guericke ca. 1630). Dieser Einstieg ist auch historisch interessant, da die Vorstellungen von Aristoteles (um 350 v. Chr.), dass es keinen leeren Raum gäbe (Horror vacui) von von Galilei (um 1600 n. Chr.) geteilt wurde.

Zunächst wird aus mehreren kleinen, elementaren Experimenten die induktive Denkweise genutzt, um Luft zu entdecken. Anschließend werden die Eigenschaften von Luft ("verschiedener Lüfte") bestimmt. Es folgen Hinweise, wie durch induktive Denkweise Gemeinsamkeiten "verschiedener Lüfte" entdeckt werden (Verhalten bei Druck- Temperatur- und Volumnenänderung). Aus der Vereinigung der Regelmäßigkeiten folgt deduktiv das "Ideale Gasgesetz". Verbunden mit dem "Idealen Gasgesetz" ist die Vorstellung des Diskontinuums.

Das "deale Gasgesetz" bildet auch die Grundlage zu kinetischen Gastheorie und die Vorstellunvdes Aufbaus der Materie als Diskontinuum. Viele weitere Erkenntnisse ergeben sich durch Deduktion unter Benutzung der Erkenntnis, dass alles in der Natur im Gleichgewicht ist.

1. Natur und Naturerkenntnis

Natur ist Alles, Alles ist Natur. Dazu gehören sowohl die äußere Welt mit allen messbaren Erscheinungen der Natur als auch die Vorstellungen des Menschen über die Natur als innere Welt (Bild 1).

Es ist anzunehmen, dass die Natur auch ohne die Existenz des Menschheit und deren Vorstellungen über sie existiert.

Bild 1: "Natur ist Alles"

In den Naturwissenschaften geht es um das Verständnis der Natur.

Ein Verständnis von Natur zu gewinnen, kann auf zwei unterschiedliche Arten geschehen, die ganzheitliche Art zu Denken und die analytisch-konstruktive Art. Die ganzheitliche Denkweise findet sich in den asiatischen Philosophien. Die analytisch-konstruktive Denkweise hat sich im Altertum bei den Griechen entwickelt und bestimmt die naturwissenschaftliche Denkweise.

... zur Gegenüberstellung des Naturverständnisses in der Dichtung E. Fromm: Haben oder Sein

2. Naturwissenschaftliche Denkweise

Die naturwissenschaftliche Denkweise geht von dem Beobachtbaren aus. Der Mensch kann nur etwas erkennen, wenn Unterschiede bestehen. So kann man beispielsweise Luft nicht sehen. Wenn aber warme Luft von einer Kerzenflamme in kalte Luft aufsteigt, so kann man die Dichteunterschiede von warmer und kalter Luft sehen.

DDas Erinnerungsvermögen versetzt den Menschen dazu, Beobachtbares wiederzuerkennen. Dadurch ist er in der Lage, Gleiches und Ähnliches zu sammeln und durch Vergleichen von Ungleichem zu unterscheiden. Das führt zum Sortieren und Zusammenfassen von Gleichem oder Ähnlichen. Damit werden Gruppen gebildet und mit bezeichnenden Wörtern belegt. Mit Hilfe der Sprache wird die begriffliche Abgrenzung das entscheidende Hilfsmittel zur Kommunikation. Das Zusammenfassen von Gleichem vereinfacht aber auch die Beschreibung der Natur.

Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, wenn Regeln für das Auftreten von Gleichem und Unterschiedlichem aufstellen kann. Dazu muss genaueres Bescheibungen des Beobachten hinzufügen. Also: Luft kann man nicht sehen. Wenn warme Luft und in kalte Luft strömt, kann man die unterschiedlichen Lüfte sehen. Luft ist durchsichtig, man kann "unendlich weit" bis zu den Sternen sehen. Aber: Manchmal kann man die Sterne nicht sehen, wenn Wolken davor stehen. Oder: "Luft" kann man nicht riechen. Wenn man in der Kerze eine Tannennadel verbrennt, kann man Luft jedoch riechbar machen. Mit der Bescheibung, unter welchen Bedingungen etwas zu beobachten ist, haben wir die ersten Regel aufgestellt. Regel bestehen aus einer einschränkenden Beschreibung, einer Ursachen-Beschreibung und eine Beschreibung der Folgen.

(Einschränkung) Für das "Mensch-ärgere-dich-Nicht"-Spiel gilt: (Bedingung) Wenn man eine "sechs" würfelt, (Folge) muss man eine Spielstein aus dem "Haus" aufs Spielfeld ziehen.

Der Mensch lernt sien Umgebung spielerisch kennen.

Spielen und Forschen haben viel gemeinsam. Immer gibt es einen "Spielbereich" in dem das Spiel stattfindet. Dann gibt es im weiten Sinn einen "Sender", der etwas abgibt und einen "Empfänger", der das "Ausgesendete" auffängt. Der Raum um Sender und Empfänger herum beeinflusst das Spielgeschehen. Darüber hinaus gibt es "Spielregeln", die das Ziel des Spiels bestimmen und festlegen, wie das Ziel erreicht werden kann.

Auch in der Forschung gibt es einen Sender, einen Empfänger und einen Raum darum herum.

Spiel und Forschung unterscheiden sich nur in einem wesentlichen Punkt: Im Spiel müssen die Spielregeln (des Menschen) dem Spieler bekannt sein, eingehalten werden und das Spiel darf nicht vom Spieler verändert werden bis das Ziel des Spiels erreicht ist. In der Forschung sind dagegen die Naturgesetze ("Spielregeln") dem Forscher ("Spieler") unbekannt. Das Ziel der Forschung ("Spiel") heißt: "Finde die Spielregeln!" heraus. Dafür muss man als Forscher ("Spieler") entweder die Sender, die Epfänger oder den Raum zwischen Sender und Empfänger umgestalten, so dass man die Naturgesetze ("Spielregeln") erkennen kann. Gewonnen hat man, wenn man als Forscher alle "Spielzüge" der Natur richtig vorhersagen kann.

Verallgemeinert nennt man das Spielfeld des Forschers "das System" und alles, was darum ist "Umgebung". Die "Spielfiguren" der Forscher sind Stoffe und Energie in allen möglichen Erscheinungsformen. Der Forscher sucht die Regeln, nach denen das System mit der Umgebung in Wechselwirkung tritt.

3. Natur im Gleichgewicht

Alles in der Natur befindet sich im Gleichgewicht. Als Gleichgewicht bezeichnet man einen Zustand, bei dem sich im betrachteten Zeitraum nichts ändert.

Es gibt verschiedene Formen von Gleichgewichten. In der Physik (Mechanik) unterscheidet man stabile, labile und indifferente Gleichgewichte. Sie zählen zu den stationären Gleichgewichte. Außerdem gibt es noch die dynamischen Gleichgewichte. Als dynamische Gleichgewichte werden Gleichgewichte bezeichnet, bei denen verschiedene Zustände periodisch, immer wiederkehrend durchlaufen werden. Beispiele hierfür sind Schwingungen und Drehbewegungen von Körpern.

Bild 2: Beobachtung zur Einstellung eines Gleichgewichts, des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem U-Rohr.

Fragen zur Beschreibung des Experiments ergeben, das sich der Wasserstand immer in beiden Schenkeln des U-Rohres gleich hoch befindet. Markiert man den Endstand auf beiden Seiten, neigt das Rohr so ist der Füllstand in den Schenkeln unterschiedlich hoch. Markiert man den Endstand wiederum in beiden Schenkeln, so zeigt sich dass die Füllstand auf der einen Seite um den gleichen Abschnitt gefallen ist, wie er auf der anderen Seite anstieg. Der Versuch ist beliebig wiederholbar (reproduzierbar). Er ist damit von der Zeit, dem Experimentator, dem Neigungswinkel usw. unabhängig. Es scheint also eine objektive Regelmäßigkeit vorzuliegen.

Sie lautet: In verbundenen Gefäßen steht eine Flüssigkeit immer gleich hoch.

Es ergeben sich noch weitere Fragen, z.B. ob das auch für andere Gefäßformen gilt.

Dazu stellt man ein Rohr in ein Becherglas. Wieder ist die Füllhöhe im Bechergas außen gleich hoch wie im Rohr darin. Das Regel ist also auch von der Form und der Art der Verbindung der Gefäße unabhängig. Offenbar spielt die Menge (Stoffportion) der Flüssigkeit keine Rolle. Diese Regel ist immer wieder bestätigt worden und kann deshalb als Naturgesetz bezeichnet werden. Es ist aber verblüffend, dass unterschiedlich große Gefäßquerschnitte keine Rolle spielen. Daher ist das Phänomen als "Hydrostatische Paradoxon" bekannt.

Die Einstellung eines elementaren Gleichgewichts kann auch beobachtet werden, wenn man ein Glasrohr in ein Gefäß mit Wasser taucht (Bild 3).

Bild 3: Füllstandshöhe in einem Glasrohr in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe und Orientierung

Man beobachtet, dass die Füllstandshöhe im Glasrohr genau so hoch steht wie außerhalb des Rohres, egal wie tief man das Glasrohr in eine Flüssigkeit taucht (A-E). Auch der Neigungswinkel hat keinen Einfluss auf das Ergebnis.

Es bleibt die Frage nach der Ursache. Das kann man am besten durch Experimente herausfinden, wenn man nicht auf zufällige Beobachtungen warten will.

4. Der Einfluss von Energie auf Gleichgewichte

Um ein Gleichgewicht zu verändern, muss man Energie aufwenden.

Bild 3: Experiment zur Bestimmung von Gleichgewichtseinstellung nach einer Störung.

Zwei Glasrohre (A, B) werden in ein Becherglas getaucht. Das Glasrohr A ist oben offen und sinkt zu Boden. Das Kontrollexperiment Rohr A ist zum Vergleich in das Becherglas gestellt. Ein solches Vorgehen ist besonders hilfreich, wenn man kleine Unterschiede oder eine Vielzahl von Unterschieden erwartet.

Das Glasrohr B ist oben mit einen kleinen Gummistopfen verschlossen. Nun stellt man wesentliche Unterschiede fest:

1. Das Rohr B sinkt nicht zu Boden. Es schwimmt.
2. Auch wenn man es in die gleiche Position drückt wie das Rohr A, dringt kein Wasser ein. Zum Hineindrücken ist Energie nötig.
3. Wenn man die Spitze des Rohres B genau betrachtet, stellt man fest, das etwas Wasser in die Spitze eindringt. Es ist um so mehr, je tiefer das Rohr eingetaucht wird. (Bild 3 durch Anklicken vergrößern.) (weiterführender Versuch: Cartesischer Taucher

Zur Kontrolle entfernt man den Stopfen aus dem Rohr. Dann tritt Wasser in der gleichen Weise ein (C). Es ist in den Naturwissenschaften häufig hilfreich, einen "gegenteiliges" Experiment zu machen.

Dazu setzt man auf das Rohr C, in dem nun Wasser ist, wieder den Stopfen auf und hebt das Rohr an (D). Aus dem Rohr E fließt kein Wasser heraus. Zum Anheben ist mehr Energie nötig (Rohr E) als zum Anheben des leeren Rohres.

Öffnet man nun den Stopfen in Position F, so fließt das Wasser heraus bis in die Höhe des äußeren Wasserspiegels. Damit ist der gleiche Endzustand erreicht wie wnn man da offene Rohr A sofort auf die Position F gebracht. Der Endzustand ist demnach vom Ablauf und Vorgeschichte unabhängig.

Qualitativ wird das Verhalten durch die folgenden Regeln (Naturgesetz) beschreiben:

1. Wo ein Stoff ist, kann kein anderer sein.
2. Wo kein Stoff ist, muss einer hin.
3. Es gibt keinen absolut leeren Raum.

Das setzt voraus, dass Schülerinnen und Schüler die Luft als Stoff wahrnehmen.

5. Entdecken von Luft

Bild 4: Experiment zum Entdecken des Stoffes "Luft"

Aus didaktischen Gründen wird das Experiment vom Lehrer durchgeführt. Man lässt für alle sichtbar Leitungswasser in ein Reagenzglas fließen bis das Glas halbvoll ist. Nun stellt man die Frage: "Was ist in dem Reagenzglas?"

In der Regel antworten die Schülerrinnen und Schüler zögerlich, weil sie die Frage zu einfach finden. Dann kommt die Antwort: "Wasser!"

Verschließt man nun das Glas mit den Fingern und dreht es um, so antworten die Schülerinnen und Schüler: "Luft und Wasser". Offenbar wird in einem geschlossenen System die darin enthaltene Luft mit "gesehen".

Anmerkung: Die Zugabe einer Spur flüssiger Seife zum Wasser stört den Erkenntnisprozess in überraschender Weise. Oft verändert das auftrete vom "Schaum" die weitere Erkenntnis. Oft wird gesagt, in den Blasen ist nichts. Meistens wird angenommen, dass sich Luft in den Blasen befindet. Bemerkenswerter Weise finden wilde Spekulationen über den Schaum an sich statt, wenn man fragt, wohin die Luft "verschwindet", wenn die Blase ülatzt.
Anders liegt der Fall bei der Einschätzung, was in den Blasen von siedendem Wasser ist. Hier findet man häufig die Behauptung, die Blasen sind mit Luft gefüllt. Obwohl den Schülerinnen und Schülern klar ist, dass soviel Luft garnicht im Wasser sein kann, insbesondere dann, wenn alles Wasser restlos verdampft wird. -
Noch verwirrender ist für Schülerinnen und Schüler die Feststellung, dass Fische Sauerstoff, einen Bestandteil der Luft, atmen, wo doch im Wasser keine Blasen zu erkennen sind. Auch findet man zuweilen die Annahme, dass Fische den Sauerstoff des Wassers (H₂O) atmen.

Hieran kann man erkennen, wie wichtig eine experimentelle Beweisführung für ein richtiges Verständnis nötig ist. Ein bloßes Auswendiglernen von vorgetragenen Tatsachen bringt die Schüler nicht weiter. Es stellt nur ein passives Wissen dar und ist für eigenständige Denkoperationen wenig brauchbar.

7. Der Systembegriff und der Einfluss von Energie auf physikalische Gleichgewichte

... zur Apparatur-Entwicklung zur Untersuchung von Gase am Beispiel der Luftuntersuchung

8. Der Einfluss von Energie auf chemische Gleichgewichte

... zur Apparatur zur Untersuchung von Gasen am Beispiel des Kalkbrennens

9. Das Denken in Gleichgewichten unter Benutzung geschlossener Apparaturen

... zur Das Prinzip des "Kleinsten Zwanges" und Entsorgung der Chemikalien (Stickoxide)

Stören eines Gleichgewichts am Beispiel des Kalkbrennens; das stabile anorganische Gleichgewicht

Kohlenstoffdioxid im Atemzug; das metastabile anorganische Gleichgewicht

Technischer Kalkkreislauf

Natürlicher Kalkkreislauf

Thermolyse von Bariumnitrat und Untersuchung des Prinzips von Le Chatelier

Zu den chemischen Gleichgewichten kommt man, wenn man den Einfluss von Energie auf Stoffe im Vergleich mit Luft untersucht. Für diese Experimente eignet sich gut das Brennen von Kalk. Die Nachweis und die Rückführung (Recycling) der beim Kalkbrennen entstehenden angeregten Stoffe bieten den Einstieg zur Diskussion von

• biologischen Kreisläufen (Energieerzeugung in Lebewesen, "Atemluftuntersuchung", Aufbau von "Tiergehäusen"),
• den natürlichen Kreisläufen (Kalksteinauflösung und Tropfsteinhöhlenbildung) und
• technische Kreisläufe (Verwendung von Mörtel, Kalksandsteinerzeugung, Kalksandstein").

werden chemische Experimente geplant, durchgeführt und die entstehenden Stoffe entsorgt, bis sich wieder alles im natürlichen Gleichgewicht befindet.

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