BACHELORARBEIT Der Zugang zum physikalischen Einheitensystem über die menschlichen Sinne A sensual approach to physical units of the SI-system for elementry school and beyond Studiengang: Der Bachelor für Lehramt an Haupt-, Real- und Gesamtschulen (BA HRGe) Erstgutachter: Zweitgutachter: Prof. Dr. Stefan Heusler Jun.-Prof.'in Dr. Susanne Heinicke Stephanie Müller Matrikelnummer: 373621 s_muel52@muenster.de
Inhalt 1. EINLEITUNG... 3 2. MAßEINHEITEN... 5 2.1. WAS SIND MAßEINHEITEN?... 5 2.2. WOZU BRAUCHT DER MENSCH MAßEINHEITEN?... 5 2.3. WOZU BRAUCHT DIE PHYSIK MAßEINHEITEN?... 6 3.GESCHICHTE DES INTERNATIONALEN EINHEITENSYSTEMS... 7 3.1. MKS-SYSTEM UND INTERNATIONALES EINHEITENSYSTEM... 7 3.2. Historische Entwicklung der sieben Basisgrößen... 8 3.2.1. Die Länge...8 3.2.2. Die Masse...10 3.2.3. Die Zeit...11 3.2.4. Die Temperatur...13 3.2.5. Die Stoffmenge...14 3.2.6. Die Lichtstärke...14 3.2.7. Die Stromstärke...15 4. DIE AKTUELLE DEFINITION DES INTERNATIONALEN EINHEITENSYSTEM...17 5. MENSCHLICHE SINNE...19 DIE KLASSISCHEN FÜNF SINNE... 21 WEITERE SINNE AUS DER MODERNEN PHYSIOLOGIE... 22 6. VON DEN MENSCHLICHEN SINNEN ZU DEN PHYSIKALISCHEN GRÖßEN- DAS MENSCHLICHE MAßSYSTEM...23 6.1. DIE VERSUCHE... 24 6.1.1 Vorversuch...25 6.1.1.2 Ergebnis - Vorversuch...25 6.1.2. Versuche zur Länge... 26 6.1.2.1. Ergebnis Tafelbild Über den menschlichen Körper messen...26 6.1.2.2. antike Längeneinheiten...26 6.1.2.2.1 Ergebnis - antike Längeneinheiten...27 6.1.2.3. Architekten...28 6.1.2.3.1. Ergebnis - Architekten...29 6.1.3. Versuche zur Masse... 29 6.1.3.1. Ergebnis Tafelbild Über den menschlichen Körper messen...29 6.1.3.2. Schätzen eines Gewichtes...30 6.1.3.2.1. Ergebnis - Schätzen eines Gewichtes...30 6.1.3.3. Tauschgeschäfte...31 1
6.1.3.3.1. Ergebnis - Tauschgeschäft...31 6.1.3.4. Die Waage...32 6.1.3.4.1. Ergebnis - die Waage...32 6.1.4. Versuche zu der Zeit... 32 6.1.4.1 Ergebnis Tafelbild Was ist Zeit?...33 6.1.4.2 Wahrgenommene Zeit vs. real vergangene Zeit...33 6.1.4.2.1 Ergebnis - Wahrgenommene Zeit vs. real vergangene Zeit...33 6.1.4.3 Eine Minute...33 6.1.4.3.1 Ergebnis - eine Minute...34 6.1.4.4 Das Sekundenpendel...35 6.1.4.4.1 Ergebnis - Das Sekundenpendel...35 6.1.4.5 Die Wasseruhr...36 6.1.4.5.1 Ergebnis - Die Wasseruhr...37 6.1.4.6 Die Kerzenuhr...37 6.1.5. Versuche zur Stoffmenge... 38 6.1.5.1 Ergebnis Tafelbild Welche Packungen sind Sinnvoll?...38 6.1.5.2 Wie viel Legosteine?...39 6.1.5.2.1 Ergebnis - wie viele Legosteine...39 6.1.5.3 Wie viel Reis?...39 6.1.5.3.1 Ergebnis - Wie viel Reis?...40 6.1.6. Versuche zur Temperatur... 40 6.1.6.1 Ergebnis Tafelbild Beispiele für Temperatur und Temperaturmessung?...40 6.1.6.2 Wettkampf: Temperatur vs. Wärmemenge...40 6.1.6.2.1 Ergebnis Temperatur vs. Wärmemenge...41 6.1.6.3 Hände als Thermometer (Drei Schalen-Versuch nach Weber)...42 6.1.6.3.1 Ergebnis Hände als Thermometer...42 6.1.7 Versuche zur Lichtstärke...42 6.1.7.1 Ergebnis Tafelbild Beispiele Lichtstärke und Messung...42 6.1.7.2 magisches Glas...43 6.1.7.2.1 Ergebnis magisches Glas...43 6.1.7.3 Die Sonnenbrillen...43 6.1.7.3.1 Ergebnis Die Sonnenbrillen...43 6.1.8. Versuch zur Stromstärke... 43 7. FAZIT...46 8. QUELLENVERZEICHNIS...47 8.1. BÜCHERVERZEICHNIS... 47 8.2. ABBILDUNGSVERZEICHNIS... 49 8.3. INTERNETQUELLEN... 54 9. ANHANG...59 9.1. MATERIAL ZUR STROMSTÄRKE: DER TEXT VON ALOYSII GALVANI... 60 9.2. RECHNUNG/ HERLEITUNG DES SEKUNDENPENDELS MATHEMATISCHE PENDEL... 62 2
1. Einleitung Im Rahmen des Studiengangs: Lehramt, für Haupt-, Real und Gesamtschule, Fachrichtung Physik, beschäftige ich mich im Rahmen meiner Bachelorarbeit mit dem Schwerpunkt den Zugang zum physikalischen Einheitensystem über die menschlichen Sinne aufzuzeigen. Welche Bedeutung hat ein einheitliches Maßsystem für uns und warum messen wir überhaupt? In unserem Alltag ist der Vorgang des Messens so alltäglich geworden, dass wir verschiedene Einheiten und Skalen verwenden, ohne eine Reflektion über ihre Notwendigkeit. Wir schauen beispielsweise morgens auf das Smartphone, um zu erfahren wie warm es ist um uns dementsprechend zu kleiden. Die gemessene Temperatur wird direkt auf das Smartphone übermittelt. Ebenso erwarten wir, wenn wir bei einem Bäcker Brötchen kaufen, dass diese gleich schwer/groß sind. Warum messen wir in Meter, Sekunde, Kelvin, Mol, Ampere, Kilogramm und Candela? Die Geschichte des Maßsystems zeigt auf, dass ein einheitliches Maßsystem für die Gesellschaft unverzichtbar ist. Der gegenwärtige Stand sind die sieben Grundeinheiten, die das Internationale Einheitensystem SI bilden. Für die Wissenschaft, Technik, Industrie und Handel gehört ein Einheitensystem zum Grundstein. Mit der stetigen technischen und wissenschaftlichen Weiterentwicklung und der damit verbundenen Globalisierung bekommt ein einheitliches Maßsystem eine fundamentale Bedeutung. Für die Bedeutung eines einheitlichen Maßsystems sollen die Schülern und Schülerinnen (im Folgenden als SuS bezeichnet) sensibilisiert werden, da sie täglich mit verschiedenen Messungen konfrontiert werden. Es gibt Messungen, die zunächst nicht als erwähnenswert erscheinen. Zum Beispiel die Messung von elektromagnetischen Feldern von Verbrauchern, jedoch gibt es auch Messungen, die sogar über Leben und Tod entscheiden können, wie zum Beispiel die Körpertemperatur oder der Belag einer Auto- Bremsscheibe. Die SuS sollen aber nicht nur die Zweckmäßigkeit eines einheitlichen SI- Systems erkennen, sondern auch seine Notwendigkeit. Um diese Zweckmäßigkeit zu erkennen ist es für die SuS wichtig, die Basisgrößen auf dem historischen-geschichtlichen Weg zu erlernen. Die sieben Basisgrößen sind aus historischen und zweckmäßigen Größen hervorgegangen. Der historisch-geschichtliche Weg fängt bei den ältesten uns bekannten Einheiten an und führt von der Messung über den menschlichen Körper, zu den modernen Messverfahren der Gegenwart. Die Zielsetzung der Bachelorarbeit ist, die Ausarbeitung eines Konzeptes, dass den SuS 3
ermöglicht einen sinnlichen Zugang zu den Basisgrößen des SI- Einheitensystems zu entwickeln. Dazu werden die historischen Fakten zu den verschiedenen SI-Einheiten behandelt, und somit erhalten die SuS eine Übersicht über die historischen Maßeinheiten. Vor der Festlegung von Grundeinheiten hat die Menschheit sich einfachster Mittel beholfen - dem menschlichen Körper. Um dieses den SuS besser zu verdeutlichen, werden in den Versuchen zunächst die Größen über den menschlichen Körper erklärt. Im weiteren Verlauf werden die Ergebnisse durch weitere Versuche überprüft. Dadurch soll den SuS die Notwendigkeit eines einheitlichen Maßsystems nahe gebracht werden. Die verwendete Methodik für das Konzept, sind verschiedene Versuche. Zu jeder Größe werden Versuche bereitgestellt, welche aufeinander aufbauend gestaltet sind. Damit die SuS die historische Entwicklung und den Nutzen bzw. die Zweckmäßigkeit der Größen entdecken können, werden die Versuche als Lernstraße aufgebaut. Jede der sieben Größen bildet hierbei eine Station, in der die Versuche bearbeitet werden sollen. Bei der Stromstärke wird auf Versuche verzichtet. Hier wird über Bilder und Texte die Größe erarbeitet. Am Ende der Versuchsreihen sollen die SuS die Fähigkeiten entwickelt haben, die sieben SI-Basisgrößen über ihren Körper zu definieren und die Notwendigkeit von einheitlichen Größen erkannt zu haben. Die folgenden Kapitel sollen zeigen, was Maßeinheiten sind, wozu der Mensch sie braucht und warum die Maßeinheiten so ausschlaggebend für die Physik sind. Zunächst wird das Internationale Einheitensystem dargelegt. Die sieben Basisgrößen Länge, Masse, Zeit, Temperatur, Stromstärke, Lichtstärker und Stoffmenge werden mit ihren aktuellen gültigen Definitionen aufgeführt. Weiter werden die Beziehungen der SI- Einheiten untereinander erläutert und es wird aufgezeigt, wie die Definitionen sich in Zukunft ändern könnten. Als nächstes wird die Geschichte des Einheitlichen Maßsystems (SI- Einheiten) thematisiert. Hier werden zunächst die Entstehung des MKS-Systems und später des Internationalen Einheitensystems aufgezeigt. Im Anschluss wird die historische Entwicklung der sieben Basisgrößen einzeln erläutert. Um die historische Entwicklung zu verstehen werden im nächsten Kapitel die menschlichen Sinne erörtert. Neben den fünf klassischen Sinnen werden weitergehend noch die vier Sinne der modernen Physiologie erläutert. Nachdem die menschlichen Sinne beschrieben worden sind, wird nun der Weg von den 4
menschlichen Sinnen zu den physikalischen Größen beschrieben. Zu diesem Kapitel gehören auch die vorgesehenen Versuche und die Ergebnisse. Am Ende der Arbeit wird das Gesamtkonzept reflektiert. 2. Maßeinheiten 2.1. Was sind Maßeinheiten? In der Umgangssprache gibt es zwei Bedeutungen von Größen. Zum Einem die direkt messbaren und zum Anderem die nicht direkt messbaren Größen. In dieser Arbeit wird mit den messbaren Größen gearbeitet. Die nicht direkt messbaren Größen werden nach dem Selbstempfinden gemessen. Das kann beispielsweise eine Charaktereigenschaft wie tapfer oder achtsam sein. Die direkt messbaren Größen sind jene, die bestimmt definiert werden können. So zum Beispiel die gefahrene Strecke eines Autos und die Zeit, die für diese Strecke benötigt wird. Zusammengesetzt ließe sich nun daraus die Geschwindigkeit ermitteln. Diese Maßeinheiten werden heutzutage im alltäglichen Gebrauch von uns benutzt und als selbstverständlich wahrgenommen. Die direkt messbaren Größen sind Einheiten, die durch genau vorgeschriebene Messoder Eichverfahren bestimmt werden. Eine solche Größe setzt sich aus einem quantitativen und qualitativen Wert zusammen. Der quantitative Wert einer Größe ist, ein bezifferter Zahlenwert, der die Stärke eines physikalischen Vorganges oder Zustandes beschreibt. Der qualitative Wert gibt die Dimension an. Die Dimension ermöglicht eine Vergleichbarkeit von Gemeinsamkeiten eines Körpers oder einer Bewegung. Aus dem Produkt des quantitativen Zahlenwertes und einer qualitativen Dimension setzt sich die Größe zusammen. Ein Beispiel für die Größe Länge: 20 m, dann ist 20 der Zahlenwert (Quantität) und m die Maßeinheit in Metern (Qualität). 2.2. Wozu braucht der Mensch Maßeinheiten? Ein sehr banaler Grund und auch ein Grundstein für die Entwicklung einheitlicher Maßeinheiten ist der Handel. Der Wert eines Getränkes wird zum Beispiel durch sein Volumen gemessen (Preis/Liter) oder der Wert eines Brotes an Hand des Gewichtes (Preis/Kilogramm). 5
Nicht nur für den Handel sind einheitliche Maßeinheiten wichtig, sondern auch im Bauwesen und in der Kommunikation. Im Bauwesen ist es beispielsweise wichtig, dass die Zeichnungen vom Architekten im Maßstab richtig übertragen werden, um zu gewährleisten, dass Fenster, Türen etc. später passen. Ein weiteres Beispiel ist der Flugverkehr. Die Fluglotsen der verschiedenen Flughäfen müssen in derselben Einheit die Flugbahnen berechnen, um ein Zusammenstoßen von Flugzeugen zu verhindern. Ebenso wichtig ist, dass der Pilot in der gleichen Einheit wie das Bodenpersonal des Flughafens seine Angaben, z.b. wie viel Kraftstoff gebraucht wird, angibt. Ein weiterer wichtiger Grund für ein einheitliches Maßsystem ist die Wissenschaft. Für gemeinsame Arbeiten in den Forschungsgebieten ist ein einheitliches System unabwendbar. Beispielsweise verlor die Wissenschaft im September 1999 die Sonde Mars Climate Orbiter. Aufgrund falscher Berechnung der Umlaufbahn stürzte die Sonde auf dem Mars. Ursache für die falsche Berechnung waren zwei Arbeitskreise, die einen hatten in Metern und Kilogramm gerechnet, die anderen in Feet und Pound. 2.3. Wozu braucht die Physik Maßeinheiten? Die Physik untersucht die grundlegenden Phänomene in der Natur. Es wird versucht Eigenschaften und Relationen anhand von Modellen und Gesetzmäßigkeiten zu beschreiben und vorherzusagen. Dazu nutzt die Physik theoretische Modellbildung und experimentelle Methoden. Die Maßeinheiten sind für das wissenschaftliche Arbeiten in der Physik von fundamentaler Bedeutung. Eine einheitliche Maßeinheit ist maßgeblich wichtig, damit mehrere oder verschiedene, weltweite Forschungsinstitute zusammen arbeiten können. So ist in der Zeit der globalen Industrialisierung die internationale Vereinheitlichung des Einheitensystems von Nöten, damit Größen und Einheiten von Gütern direkt verglichen werden können. Dies hat einen positiven Einfluss auf Wissenschaft, Technik, Industrie und Handel. Für die Umsetzung der Einhaltung der Maßeinheiten wurde das internationale Einheitssystem- SI (Système international d unités) gesetzlich festgelegt. Das SI- Einheitensystem besteht aus den sieben Einheiten Meter (m), Kilogramm (kg), Sekunde (s), Ampere (A), Kelvin (K), Mol (mol) und Candela (cd). Für die Umsetzung des Einheitensystems auf internationaler Ebene ist das internationale Maß- und Gewichtsbüro (BIPM), in Frankreich verantwortlich. Zur Gewährleistung der Vergleichbarkeit der SI- Einheiten arbeitet das BIPM mit den metrologischen Staatsinstituten zusammen. 6
Auf nationaler Ebene sind die metrologischen Einrichtungen für die Umsetzung des Einheitssystems zuständig. Bei den metrologischen Instituten handelt es sich um Institute, die sich mit der Lehre von den Maßen und den Maßsystemen beschäftigen. Beispiele für metrologischen Institute, die für die nationale Umsetzung verantwortlich sind, sind: in Deutschland die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) (in der DDR war es das Amt für Standardisierung, Messwesen und Warenprüfung (ASMW)), in Großbritannien das National Physical Laboratory (NPL) und in den USA das National Institute of Standards and Technology (NIST). 3.Geschichte des internationalen Einheitensystems 3.1. MKS-System und Internationales Einheitensystem Seit Urzeiten betrieb der Mensch Handel. Für den Handel war es wichtig, dass Waren und geleistete Arbeit verglichen werden konnten. Der Wert eines Produktes kann von verschiedenen Faktoren abhängen, beispielsweise vom Produktionsaufwand oder von der Menge, der Länge usw. Die ersten Maßeinheiten entstanden lokal in einzelnen Regionen. Das hatte zur Folge, dass durch den Menschen geografisch abgesteckte Länder unterschiedliche Einheiten hatten. Es gab Einheiten, die die gleichen Körperteile als Grundlage hatten, wie z.b. die Elle, aber dennoch unterschiedliche Längenwerte hatten. Dies führte dazu, dass jede Stadt und jedes Land unterschiedliche Maßeinheiten hatten. Erst nach der Französische Revolution wurde ein einheitliches Maßsystem festgelegt, um den fairen Handel von Gütern zu gewährleisten. Im Jahr 1790 wurde von der französischen Nationalversammlung ein Auftrag an die Akademie der Wissenschaften gestellt, ein einheitliches System von Maßen und Gewichten zu entwerfen. Ziel der Akademie für Wissenschaften war es, Maße und Gewichte aus naturgegebenen Größen herzuleiten. Ebenfalls wurden die Basisgrößen so gewählt, dass weiter, auf diesen Größen basierend, hergeleitet werden konnten. Es wurde das MKS- Einheitensystem (Meter-Kilogramm-Sekunde-System) entwickelt. Dies wurde 1875 von 17 Staaten anerkannt und übernommen. Die Generalkonferenz für Maß und Gewicht tagte erstmalige im Jahr 1889. Hier wurden die Prototypen für den Urmeter und das Urkilo anerkannt und an alle Mitgliedsstaaten weitergegeben. Aus dem MKS-System, wurde durch Aufnahme des Ampere im Jahr 1939, das MKSA-System 7
(Meter-Kilogramm-Sekunde-Ampere-System). Das MKSA-System wurde 1960 umbenannt in Système International d Unités (SI) bzw. Internationales Einheitensystem. Seit 1971 besteht das Internationale Einheitensystem aus den Sieben Basisgrößen. (Fachorgan für Wirtschaft und Wissenschaft 1, 2012) 3.2. Historische Entwicklung der sieben Basisgrößen 3.2.1. Die Länge Die Länge gehört zu den ersten Größen, die vom Menschen genutzt wurden. Die Datierung der ersten Einheit für Länge ist schwierig, da es schon Längeneinheiten vor der Erfindung der Schrift gab. Um eine Länge bestimmen zu können, brauchte man damals wie auch heute einen Referenzwert. Als Maßstab für eine Längeneinheit wurden zunächst Körperteile genommen. Im alten Ägypten, ca. 7000 vor Chr., nutzten die Ägypter bereits die Einheit Fuß. Die Einheit Fuß entsprach der Länge eines Fußes, von der Spitze des großen Zehs bis zur Ferse. Ebenso wurde ca. 2200 vor Chr. der erste Wasserstandmesser genutzt, der Nilometer auf der Nil-Insel Elphantine (Seidlmayer 2001). Im alten Griechenland wurden als weitere Längeneinheiten Fuß (pous, ca.29,6 Zentimeter), Spanne (spithame, ca. 22,2 Zentimeter), Handbreite (palaiste, ca. 7,4 Zentimeter), Gelenkbreite (kondylos, ca. 3,7 Zentimeter) und Fingerbreite (daktylos, ca.1,85 Zentimeter) genutzt. Für große Längenmaße wurde unter anderem Klafter (orgyia, Spannweite eines Mannes, ca. 177,6 Zentimeter) und Stadion (stadion, ca. 177,6 Meter) verwendet (Trapp, 1996). Im antiken Rom wurde ebenfalls als Längeneinheit der Fuß (pes, ca. 29,60 Zentimeter) und der Finger (digitus, ca. 1,85 Zentimeter) gebraucht (Trapp, 1996). Da im 18./19. Jahrhundert ebenfalls Einheiten genutzt wurden, die auf Körperteile beruhten, entstanden die Längeneinheiten wie der Pariser Fuß, der Bayrischen Fuß, der Wiener Fuß und viele weitere. Die Einheit Fuß variiert zwischen ca. 28,87 Zentimeter bis zu 32,47 Zentimeter (Trapp, 1996). Es gab in den verschieden Kulturen viele Einheiten, die die gleiche Bedeutung hatten, aber in ihren Maßen doch voneinander abwichen. Eine Erklärung für Einheiten mit gleichem Namen, aber unterschiedlichen Werten ist die gleiche Entwicklung der Einheiten über Verkörperlichungen. Eine weitere Erklärung ist der Handel zwischen verschiedenen Ländern, bei dem Längeneinheiten zum Teil übernommen und an heimische Einheiten angepasst wurden. 8
Ein Beispiel für eine solche Längeneinheit ist die Elle. In dem religiösen Zentrum der Sumerer, Nippur, wurde ca. 3500 vor Chr. die Nippur-Elle angefertigt. Die Nippur- Elle war das wichtigste Längenmaß im Altertum. Sie bestand aus einem Kupferstab mit der Länge 110,35 Zentimeter (vgl. Abbildung 2). Sie gab einen Ziegel, einen Fuß, eine Hand, ein Fingerbreite und eine Elle an. Eine Elle ist, auf der Nippur-Elle, 51,8 Zentimeter lang. Abbildung 2: Nippur-Elle Im alten Griechenland nutzten die Menschen ebenfalls die Elle (pechys, ca. 44,1Zentimeter). Im 18.-19. Jahrhundert war die Entwicklung der Längeneinheit in Europa ähnlich, so dass auch hier als Längeneinheit die Elle genutzt wurde, es gab zwischen den Ländern und Städten Unterschiede. Die Frankfurter Elle betrug 54,37 Zentimeter, die kurze Hamburger Elle 57,31 Zentimeter, die lange Hamburger Elle 68,71 Zentimeter und die Bremer Elle entsprach 55,372 Zentimeter (Trapp, 1996). Zur Erleichterung des Handels waren die Maßeinheiten für jeden Bürger leicht zugängig. So konnte die Bremer Bürger zum Beispiel eine Elle an der Roland Statue abmessen, von einem Knie zu dem anderen Knien der Statur (Bartelmann, Kiefer, 2014). Abbildung 3 zeigt die Rolandstatue mit den Gebrauchsspuren an den Knien. Bremer Elle Nippur Elle (Ägypten) antikes Griechenland Frankfurter Elle kurze Hamburger Elle lange Hamburger Elle Bremer Elle Schließlich wurde im Jahr 1791 von dem französischem Nationalkonvent als Längeneinheit der Meter gewählt, der durch ein vierzig-millionstel des hergeleiteten Erdumfangs definiert wurde. 1791 wurde eine Definition eines Meters durch das Sekundenpendel vorgeschlagen, aber aufgrund von ortsabhängigen unterschieden der Erdbeschleunigung Ellen im Vergleich 0 20 40 60 80 ANGABEN IN ZENTIMETER Abbildung 1: Ellen im Vergleich Abbildung 3: Rolandstatue in Bremen 9
wieder verworfen. Der Meter wurde als die Länge des Pendels für eine Periodendauer von zwei Sekunden definiert. Im Jahr 1799 wurde in Frankreich ein Urmeter, auf Grundlage des Erdumfanges angefertigt, ein Messing Prototyp, der als geltendes Maß des Landes festgelegt wurde. Später wurde festgestellt, dass die Messung des Erdumfangs Abweichungen hatte, also somit auch der Urmeter. Aber durch den Erfolg des einheitlichen Maßsystems wurde der Meter als Einheit beibehalten. Die Generalkonferenz für Maß und Gewicht hat im Jahr 1889 den Urmeter aus Messing durch einen Meterprototypen aus Platin und Iridium ersetzt. Grund für den Austausch war die Wärmeausdehnung der Metalle. Der neue Platin und Iridium Metertyp war 102 Zentimeter lang und definierte einen Meter bei einer Temperatur von 0 C. Dieser Metertyp war um drei Größenordnungen genauer und wurde als Kopie an die verschiedenen Eichinstitute weitergegeben. 1960 wurde der Meter neu definiert, als das 1.650.763,73 fache der Wellenlänge, die von dem Übergang von 86 Krypton zwischen zwei Zuständen abgesandt wird. (Fachorgan für Wirtschaft und Wissenschaft 1,2012) Seit 1983 ist das Meter als SI- Basiseinheit definiert als die Länge der Strecke, die Licht in einer 299 792 458-tel Sekunde im Vakuum durchläuft (Trapp, 1996). 3.2.2. Die Masse Die Masse gehört ebenfalls mit zu den ältesten Größen. Genauso wie bei der Längeneinheit benötigte man (damals und heute auch noch) einen Referenzwert. Um diesem Referenzwert zu nutzten, wurde schon sehr früh in der Geschichte, mit Waagen gearbeitet. Die erste Waage ist zeitlich nicht datiert. Als Gewichtseinheit nutzten die Römer z.b. die uncia ca. 27,29 Gram. Eine Unze (röm. uncia) war ein Zehntel der Kupfer- As Münze und 1/12 einer libra (Trapp, 1996). Eine weitere wichtige Gewichtseinheit ist das Gran (röm. Granum), das ca. 47 Milligramm entsprach und sich auf Getreide bezog. Neben Getreide wurden auch getrocknete Samen des Johannisbrotbaums genutzt, da die Samen meist eine identische Größe hatten. Das Gewicht von Diamanten wurde früher durch die Samen des Johannisbrotbaums ermittelt. Da die Frucht, in der die Samen des Baumes sind, wie ein Horn aussehen, entstand aus dem griechischen Wort für Horn die heutige Einheit Karat, in der das Gewicht von Diamanten auch heute noch ermittelt wird. Mit der Masse verhielt es sich wie mit der Länge, es gab viele Einheiten, die die gleiche Bedeutung hatten, aber mit unterschiedlichen Maßen. Ein Beispiel für eine solche 10
Gewichtseinheit ist das Pfund. Bei den Römern war ein Pfund (röm. libra) ca. 327,45Gram schwer, wobei das alte römische Pfund einer Kupfer-As Münze entsprach, also 272,9 Gramm. Ein hebräisches Pfund (heb. Maneh) Abbildung 4: Pfund im Vergleich Pfund im Vergleich römisches Pfund bremer Handelspfund berliner Handelspfund hebräisches Pfund altes römisches Pfund römisches Pfund 0 100 200 300 400 500 600 Einheiten in Gramm entsprach ca. 500 Gramm. Die Grafik in Abbildung 4 zeigt im Vergleich die verschieden Pfunde. Auch im 18./19. Jahrhundert wurden in Europa das Pfund als Maß genutzt. Es gab auch hier wieder lokale Unterschiede für die Einheit Pfund. So entsprach zum Beispiel in Berlin ein altes Handelspfund ca. 468,536 Gramm, in Bremen war ein Handelspfund ca. 498,5 Gramm schwer und in Rom ca. 339,161 Gramm schwer (Trapp, 1996). 1790 wurde zunächst von der Französischen Akademie der Wissenschaft ein Gramm als die Masse von einem Kubikzentimeter reinem Wasser bei 4 C und einem Druck von 760 mm Quecksilbersäule definiert (Schönbucher, 2014). Im Jahr 1799 wurde in Frankreich das Urkilogramm angefertigt, ein Platin Prototyp, der noch heute als Referenz eines Kilogramms dient. Spätere Messungen haben gezeigt, dass das Urkilogramm, aufgrund von Umwelteinflüssen, an Gewicht verliert (Mühl, 2014). 3.2.3. Die Zeit Heute wird die Zeiterfassung primär zur Organisation der Gesellschaft benötigt. Aber auch für unsere Vorfahren war die Zeitmessung wichtig zur Planung, um etwa die Felder zu bestellen. Für die Erfassung der Zeit nutzen die Menschen seit jeher periodische Abläufe. Zunächst wurden die offensichtlichen Perioden verwendet. Es wurde beispielshalber der periodische Wechsel von Tag/ Nacht oder den Wechsel der Jahreszeiten genutzt. Zur Verbesserung der Messverfahren suchte man immer genauere periodische Abläufe, so dass heutzutage eine Quarzuhr die Zeit über die Schwingung von Quarzkristallen misst. Die älteste Zeitmessung ist auf die Beobachtung von Naturereignissen zurückzuführen. Es wurden Himmelskörper, wie die Bewegung von Sternen und Mond, der Wechsel von Tag und Nacht oder der Jahreszeiten beobachtet. 11
Im alten Ägypten wurden ca. 3000 vor Chr. die ersten Sonnenuhren genutzt. Durch die Anwendung der Sonnenuhr wurde der Tag bereits in 12 Lichtstunden und 12 Dunkelstunden unterteilt (Trapp, 1996). Ca. 2000 vor Chr. benutzten die Ägypter Wasseruhren. Die Zeit wurde über den Ablauf von Wasser aus einem Gefäß gemessen. Diese waren schwieriger in der Handhabung und nicht so genau wie Sonnenuhren, konnten aber unabhängig von der Sonne genutzt werden (Trapp, 1996). In Griechenland wurden ab dem Jahr 776 vor Chr. die Kalenderjahre nach Mondphasen gezählt. Grund war, dass die olympischen Spiele im Rhythmus von vier Jahren stattfinden sollten. Die Ägypter teilten ca. 238 vor Chr. ein Jahr in 356 Tage ein (Trapp, 1996). Die Kerzenuhr wurde um 900 nach Chr., in Europa zur Erfassung der Zeit genutzt. Da sie sehr teuer war, wurde sie primär in Klöstern genutzt um z.b. die Gebetszeit einzuhalten. Die Zeiteinteilung ist von den Eigenschaften der Kerze abhängig. Der englische König Alfred wählte die Kerzen für einen Tagesverlauf so, dass er sechs Kerzen benötigte, jede Kerze brannte vier Stunden (Fetzer, 2011). Zusätzlich wurden die Kerzen mit kleinen Glocken oder Metallstiften, für je eine Stunde versehen, so dass ein akustisches Signal beim Fall, ertönte. Im 13 Jahrhundert nach Chr. wurde die erste Räderuhr gefertigt. Die ersten öffentlichen Uhren in den Städten waren Räderuhren, allerdings waren sie noch sehr ungenau. Ca. 1345 nach Chr. wurde eine weitere Einteilung des Tages vorgenommen, neben den 2 mal 12 Stunden wurde eine Stunde in 60 Minuten unterteilt (Trapp, 1996). Die Sanduhr als Zeitmessung wurde erstmals im 14 Jahrhundert in Europa verwendet. 1585 wurde von Jost Bürgi die erste Uhr mit Sekundenzeiger konstruiert, er wird offiziell als Erfinder der Sekunde geführt (Staudacher, 2009). 1657 wurde die erste Pendeluhr gebaut. Die Pläne der Pendeluhr stammten von Christiaan Huygens. Vorreiter war Galileo Galilei, der die Schwingungen zur Zeitmessung nutzten wollte (Höpfner, 2012) Abbildung 5: Eine Kerzenuhr 1790 wurde zunächst von der Französischen Akademie der Wissenschaft eine Sekunde als 1/86'400 Teil des mittleren Sonnentages definiert. Seit 1967 wird die Sekunde über eine Atomuhr definiert. Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Caesiumisotops 133 Cs entspricht (Trapp, 1996). 12
3.2.4. Die Temperatur Um Temperatur messen zu können, waren zunächst mehrere wissenschaftliche Entdeckungen und technischer Fortschritt nötig. Erste Aufzeichnung, ca. 1596 nach Chr., zur Erfassung von Temperatur gibt es von Galileo Galilei (Joachim Herz Stiftung 2, 2014). Dieser erkannte, dass die Ausdehnung einer Flüssigkeit mit ihrer Temperatur zusammenhängt und die Dichte sich dadurch verändert. Das erste Thermometer bestand aus einem geschlossenen Glaskörper mit Flüssigkeit, an dem ein Glasrohr mit einer Glaskugel befestigt war. Durch Erwärmen/Abkühlen der Glaskugel dehnte/zog sich die Flüssigkeit im Gefäß aus/zusammen und in dem Röhrchen veränderte sich der Flüssigkeitsstand. 1715 baute Daniel Gabriel Fahrenheit das erste Quecksilberthermometer. Als Temperaturskala nutze Fahrenheit den kältesten Tag, aus dem Winter 1709, als Nullpunkt um negative Temperaturen zu vermeiden. Den kältesten Punkt konnte er mit einem Kältegemisch rekonstruieren. Als zweiten Punkt wählte er die Körpertemperatur, die den Wert 100 zugeordnet bekam (Joachim Herz Stiftung 2, 2014). 1742 wurde von Anders Celsius eine weitere Skala vorgeschlagen. Ihre Fixpunkte orientierten sich am Wasser. Der Nullpunkt 0 C ist die Schmelztemperatur von Wasser und der Siedetemperatur wird der Wert 100 C zugeordnet (Joachim Herz Stiftung 2, 2014). Der Vorteil dieser Skalierung war, dass sie reproduzierbar war, unter Berücksichtigung des Druckes, dieser muss konstant bei p= 1,013 bar (Normaldruck) sein. Ca. 1848 entwickelte Lord Kelvin (William Thomson) die Kelvin-Skala. Ihr Nullpunkt ist der absolute Nullpunkt, dieser liegt bei -273,15 C. Als zweiten Referenzpunkt wählte Lord Kelvin den thermodynamischen Trippelpunkt von Wasser 0,01C (Joachim Herz Stiftung 2, 2014). Abbildung 6: Nachbildung eines Thermoskops von Galilei 1954 wurde die Kelvin-Skala offiziell zum MKS-System hinzugefügt. Zunächst war der Name der Basisgröße als Grad Kelvin festgelegt, 1968 wurde der Name in Kelvin geändert. Bis heute ist Kelvin die Basiseinheit für die Temperatur (Trapp, 1996). 13
3.2.5. Die Stoffmenge Die Stoffmenge ist auf das Stück und die Zählmaße zurückzuführen. Im 18.-19. Jahrhundert wurden in Europa Einheiten benutzt wie z. B. ein Dutzend. Das entsprach einer Anzahl von 12 Stück eines Gutes. Eine Mandel 15 Stück, ein Bund oder eine Stiege 20 Stück und ein Schock 60 Stück (Trapp, 1996). Erst mit dem wissenschaftlichen Fortschritt erkannte man, dass es molekulare Verbindungen gab. Durch die neuen Erkenntnisse in der Chemie wurde das bestehende Weltbild geändert. Um nun viele Teilchen zu bestimmen war eine große Einheit notwendig. Zunächst wurde das Grammatom und das Grammmolekül für chemische Verbindungen genutzt. Diese Einheiten gaben an, welche Mengen in Gramm, bezogen auf das Atom- oder Molekülgewicht vorlagen. Später wurde das Mol für die einzelnen Teilchen verwendet. Grund für diese Entwicklung war, dass die Wissenschaft erkannte, dass chemische Verbindungen aus noch kleineren Teilchen existieren. Zunächst wurde im Jahr 1927 das Mol als Maßeinheit für den Gehalt von Lösungen definiert. Damals wurde mit der Stoffmasse gearbeitet, später mit der neuen Definition nutzte man die Stoffmenge als Teilchenzahl (Fachorgan für Wirtschaft und Wissenschaft 1,2012). 1973 wurde das Mol als siebte Basiseinheit, als Maß der Stoffmenge definiert: Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen Einzelteilchen besteht, wie Atome in zwölf Gramm des Kohlenstoffisotops 12C enthalten sind. 1 Mol enthält 6,022*10 23 Teilchen (Trapp, 1996). 3.2.6. Die Lichtstärke Auch für die Messung der Lichtstärke wurde früher ein alltäglicher zugänglicher Vergleich benötigt. Es wurden verschiedene Lichtquellen als Einheiten genutzt. Zur Messung der Lichtstärke wurde 1883 die Hefnerkerze genutzt. Sie ist eine reproduzierbare Dochtlampe, mit einem 8mm Dochtdurchmesser und einer 40mm hohen Flamme (Spektrum, 1998). Im Jahr 1889 wurde in Frankreich die Violle-Einheit genutzt, diese ist definiert als die Lichtstärke eines Quadratzentimeters Platin bei einer Verfestigungstemperatur von 2042,5 Kelvin. Ab 1890 wurde die Einheit der Hefnerkerze auch in Deutschland angewandt. Zuvor diente in Deutschland eine Paraffinkerze mit einem Durchmesser von 20mm und einer Flammenhöhe von 50 mm. Ebenfalls wurde die Berliner Lichteinheit benutzt, diese wurde über eine Walrat- Kerze definiert. Die Kerze hatte die Flammenhöhe von 44,5mm und einen Verbrauch von 1,77g pro Stunde (Fachorgan für Wirtschaft und 14
Wissenschaft 2, 2012). 1909 wurde die Internationale Kerze als Einheit zur Messung von Lichtstärke zunächst in Frankreich verwendet. Anschließend ersetzte die Internationale Kerze im Jahr 1942 die Alten Lichteinheiten der anderen Länder. Im Jahr 1954 wurde die Einheit Candela als Basiseinheit zur Messung der Lichtstärke zu dem MKS-System hinzugefügt. 1946 wurden 60 Candela als die Lichtstärke einer ein Quadratzentimeter großen Öffnung eines schwarzen Körpers mit einer Temperatur von 2042,5 K (2042,5 K entspricht dem Schmelzpunkt von Platin) definiert. Im Jahr 1979 wurde von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine neue Definition für ein Candela festgelegt. Demnach ist ein Candela die Lichtstärke, die in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, welche monochromatische Strahlung der Frequenz 540 10 12 Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt durch Steradiant (Maßeinheit für Raumwinkel) beträgt. (Fachorgan für Wirtschaft und Wissenschaft 1, 2012) 3.2.7. Die Stromstärke Die Größe Stromstärke wurde erst im 19. Jahrhundert mit der technischen Nutzung vom Strom bedeutsam. Zunächst wurde die Stromstärke über die Elektrolyse definiert. 1881 wurde festgelegt, dass ein Ampere die Stärke des Stromes ist, der aus einer Silbernitrat- Lösung mittels Elektrolyse in einer Sekunde 1,118mg Silber abscheidet (Joachim Herz Stiftung 3, 2014). Im Jahr 1939 beschloss die Generalkonferenz, dass das Ampere als Basiseinheit in das MKS-System mit aufgenommen werden sollte (Aus dem MKS-System wurde das MKSA-System) (Fachorgan für Wirtschaft und Wissenschaft, 2007). 1948 wurde das Ampere über die Lorentzkraft neu bestimmt: Das Ampere ist die Stärke eines konstanten elektrischen Stromes, der durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von einem Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend zwischen diesen Leitern, je einem Meter Leiterlänge die Kraft 2 10-7 Newton hervorrufen wurde. Diese Definition ist bis heute gültig. (Schönbucher, 2014) 15
Abbildung 7: Geschichte der SI-Einheiten 16
4. Die aktuelle Definition des Internationalen Einheitensystem Die sieben Basiseinheiten sind seit 1973 unverändert. Allerdings ist die Definition der Basiseinheiten nicht endgültig festgelegt. Durch neue Technologien können die Messtechniken optimiert werden, wodurch die Basiseinheiten immer genauer beschrieben werden können. Die aktuell gültigen Basiseinheiten sind: Meter: Abbildung 8: Tabelle der SI- Einheiten Ein Meter definiert sich über die Länge der Strecke, die Licht in einer 1 /299 792 458 Sekunde im Vakuum durchläuft. 1 Kilogramm: Das Kilogramm ist gleich der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps. 1 Sekunde: Die Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Caesiumisotops 133Caseium entspricht. 1 Ampere: Das Ampere ist die Stärke eines konstanten elektrischen Stromes, der durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von einem Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend zwischen diesen Leitern je einem Meter Leiterlänge die Kraft 2 10-7 Newton hervorrufen wurde. 1 Kelvin: Das Kelvin ist der 273,16-te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wassers. 1 Mol: Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen 17
Einzelteilchen besteht, wie Atome in 0,012 kg des Kohlenstoffnuklids 12 C enthalten sind. 1 Candela: Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540 10 12 Hz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung ein 1 /683 Watt pro Steradiant beträgt. 1 1 (Rüdiger et al. 2007, S.81) Eine Basisgröße wird definiert und kann mit einer weiteren Basisgröße in Beziehung stehen. Aus den sieben Basisgrößen können weitere Größen abgeleitet werden (Abgeleitete Größen). Um eine Basisgröße zu definieren ist es von großer Bedeutung Naturkonstanten zu nutzen. Diese haben den Vorteil, dass sie einen festen Wert haben, der nicht durch äußerliche Einflüsse verändert werden kann. Der Größenwert einer Naturkonstante ist überall gleich, daher können mit Hilfe der Konstanten an beliebigen Orten die Definition der SI-Einheiten reproduziert werden. Abbildung 9: SI-Basiseinheiten stehen untereinander in vielfältiger Beziehung Die SI- Basiseinheiten stehen untereinander in Beziehung (Abbildung 9). Die Temperatur, gemessen in Kelvin, ist die einzige Basisgröße, die nicht in Verbindung mit den anderen Basisgrößen steht. Die Basiseinheiten Meter (Länge), Kilogramm (Masse) und Sekunde (Zeit) wurden per Definition festgelegt. Die weiteren Basisgrößen stehen in Abhängigkeit zu den gerade genannten Basiseinheiten. Um die Stromstärke beschreiben zu können, werden die Basiseinheiten Zeit, Masse und Meter gebraucht. Für die Definition der Basiseinheit der Stoffmenge wird die Basisgröße Masse benötigt. Die Lichtstärke wird über die Basiseinheiten Meter, Masse, Zeit 18
bestimmt. Für die Zukunft ist geplant, dass möglichst alle Basisgrößen auf Grundlage von Naturkonstanten definiert werden können: Für den Meter gibt die aktuelle Definition bereits die Lichtgeschwindigkeit c vor. Das Kilogramm soll mit Hilfe des Planck schen Wirkungsquantum definiert werden. Das Planck sche Wirkungsquantum ist eine Größe der Quantenphysik und beschreibt den Zusammenhang zwischen Energie und Frequenz von Photonen. Die Sekunde soll mit ihrer jetzigen Definition bestehen bleiben. Während das Ampere verändert werden soll. Hier soll die Elementarladung e als Grundlage dienen, somit wären für die Bestimmung eines Amperes das Kilogramm und der Meter nicht mehr relevant. Das Kelvin soll ebenfalls neu definiert werden, hier wird die Boltzmann Konstante verwendet. Die Boltzmann Konstante steht im Zusammenhang mit der Entropie ( Unordnung von Teilchen als Ursache von Wärme), auf dieser Grundlage soll eine neue Definition erstellt werden. Das Mol soll mit Hilfe der Avogadro Konstante NA bestimmt werden. Die Avogadro Konstante ist der Wert aus Teilchenzahl durch Stoffmenge und hat den Quotienten NA. Die Candela bleibt mit ihrer Definition bestehen. (Fachorgan für Wirtschaft und Wissenschaft 2, 2012) 5. Menschliche Sinne Der menschliche Organismus besitzt verschiedene Formen der Sinneswahrnehmung. Dies ermöglicht dem Individuum die Wahnwahrnehmung von verschiedenen physikalischen Reizen. Der menschliche Körper besitzt nach der klassischen Philosophie fünf Sinne: Seh-, Hör-, Geruchs-, Geschmacks- und Tastsinn. In der modernen Physiologie (Neurowissenschaft) werden vier weitere Sinne aufgeführt: Gleichgewichtssinn, Körperempfindung, Schmerzsinn und Temperatursinn. Die menschlichen Sinne lassen sich in Nahsinne (endogene Reize) und Fernsinne (exogene Reize) unterteilen. Unter den Nahsinnen werden alle Sinne gefasst, die im Körper wahrgenommen werden, während die Fernsinne durch äußeren Reizen vom Körper wahrgenommen werden. Zu den Fernsinnen gehören Sehen und Hören. Sie werden durch exogene Reize angeregt. Weiter lässt sich der menschliche Sinn Sehen den Lichtsinnen zuordnen. Über die Augen kann der menschliche Körper den Raum, Farben und damit verbunden 19
Lichtintensität wahrnehmen - Sehsinn. Das Hören wird ebenfalls zu den Fernsinnen gezählt. Mit den Ohren können Geräusche/ Klänge, Tonarten, Lautstärke und räumlicher Klang wahrgenommen werden - Hörsinn. Zu den Nahsinnen gehören Riechen, Schmecken und Tasten. Die Sinne Riechen und Schmecken gehören darüber hinaus noch zu den chemischen Sinnen des Körpers und werden durch endogene Reize angeregt. Mit der Nase können Gerüche wahrgenommen werden - Geruchssinn. Über die Zunge kann der menschliche Organismus verschiedene Geschmäcke wahrnehmen - Geschmackssinn. Das Tasten gehört neben dem Nahsinnen noch zu dem mechanischen Sinnen und wird über endogene Reize aufgenommen. Zum Beispiel kann mit den Händen getastet werden. Ebenso kann der Druck und die Schwere wahrgenommen werden - Tastsinn 20
Sinne endogene Reize (Nahsinne) exogene Reize (Fernsinne) chemische Reize mechanische Reize physikalischer Reiz physikalischer Reiz gustatorische Wahrnehmung olfaktorische Wahnwahrnehmung taktile Wahnwahrnehmung visuelle Wahrnehmung auditive Wahnwahrnehmung Riechen Schmecken Tasten Sehen Hören Wahrnehmung von Duftstoffen Wahrnehmung von Süß, Bitter, Salzig, umami (fleischig, herzhaft wohlschmeckend ) Wahrnehmung von: - lateral motion Oberfläche überstreichen - pressure Drücken - enclosure Umfassen contour following Kontur nachfahren Wahrnehmung von Lichtreizen/Wellenlängen (Farben) Licht Intensität/ Helligkeit Wahrnehmung von Schall durch Schwingungen Identifizierung von Nahrung, Körpergeruch (z.b. Geschlechtsreife), Warnung giftiger Stoffe (z.b. Schwefelwasserstoff) - Warnung giftiger Stoffe (z.b. Schwefelwasserstoff) optische Abbildung (Bildwahrnehmung) Wahrnehmung von Richtungen Wahrnehmung von Tönen, Klang, Geräusche, Lautstärke Minimum visibile Minimum visibile Orientierung Abbildung 10: Sinne Die klassischen fünf Sinne Raumwahrnehmung/ Farbwahrnehmung 21
Weitere Sinne aus der modernen Physiologie Weitere Sinne aus der modernen Physiologie Oberflächensensibilität (exogene Reize) Tiefensensibilität (endogene Reize) Oberflächensensibilität (exogene Reize)/Tiefensensibilität (endogene Reize) Temperatursinn Schmerzempfindung Körperempfindung Gleichgewichtssinn Wahrnehmung über Haut, Schleimhäute Wahrnehmung über Nozizeptoren Wahrnehmung der Reize aus dem inneren des Körpers Wahrnehmung übe Statolithen (Flüssigkeit im Röhrchen mit ausrichtenden Haaren) Tragen dazu bei: Gesäß Beschleunigung in vertikaler Richtung, Gehör - Schätzung von Geschwindigkeiten, Haut Eigen-/ Luftbewegung, Muskulatur - Körperdehnung Übertragung der Wärmemenge Empfindung von: Hitze/ Kälte, chemische Reize, starke/ spitze Reize Stellung von Körperteilen z.b. Hände und Beine Beschleunigung/ Erdanziehung Gleichgewicht Abbildung 11: Vier weitere Sinne der modernen Physiologie 22
6. Von den menschlichen Sinnen zu den physikalischen Größen- das menschliche Maßsystem Über welche Sinne werden physikalische Größen wahrgenommen? Die Größen Länge und Stoffmenge (hier von Körpern) werden über den Sehsinn als optische Abbildung wahrgenommen. Die Lichtstärke einer Lichtquelle wird ebenfalls über den Sehsinn, der optischen Abbildung in Form von Helligkeitstuffen wahrgenommen. Eine Masse wird über den Tastsinn wahrgenommen, beim Anheben muss der Körper die Gewichtskraft ausgleichen. Die Zeit ist keinem Sinn spezifisch zuzuordnen, vielmehr ist das Empfinden von Zeit ein Zusammenspiel aus allen Sinnen. Beispielsweise kann der Verlauf der Zeit über den Sehsinn erfasst werden. Wechsel von Tag/Nacht oder Wanderung des Mondes. Ebenso kann die Wahrnehmung aus dem Körperinneren kommen: Hungergefühl (ca. alle drei bis vier Stunden empfindet der Körper eines Säugling Hunger), Hormonumstellung bei Jahreswechsel usw.. Die Temperatur nimmt der Körper über die Oberflächensensibilität war, speziell über den Temperatursinn. Über die Haut und über die Schleimhäute kann der Körper über Nervenrezeptoren die übertragene Wärmemenge wahrnehmen. Die Stromstärke kann über Schmerzempfinden, also der Oberflächensensibilität vom Körper erfasst werden. Es gibt Sinne, die genutzt werden um weitere physikalische Größen zu erfassen. Bei diesen Größen handelt es sich um von den SI- Einheiten abgeleitete Größen. Beispielhaft wird der Hörsinn in der Akustik genutzt, um Höhen und Tiefen, also Frequenzen, wahrzunehmen. Ein weiteres Beispiel ist unter anderem der Gleichgewichtssinn, dieser wird genutzt um eine Beschleunigung wahrzunehmen. Zusätzlich gibt es weitere Sinne, die in den hier vorgestellten Versuchen nicht benötigt werden, wie das Schmecken, das Riechen, die Körperempfindung und den Schmerzsinn. Die Geschichte der Maßeinheiten hat verdeutlicht, dass in der historischen Vergangenheit Einheiten nach praktikabler Nutzung gewählt wurden. Häufig wurden über Maßverkörperungen oder Empfindungen die Einheiten festgelegt. Um nun von den menschlichen Sinnen zu dem physikalischen Größen zu gelangen, werden zunächst in den Versuchen die historischen Anfänge der Einheiten thematisiert. 23
6.1. Die Versuche Die SI-Einheiten gehören zu dem Basiswissen in der Schule, daher werden sie nicht spezifisch im Kernlehrplan aufgeführt, sind aber Bestandteil der einzelnen zu behandelnden Inhaltsfelder. Mit den SI- Größen Länge, Masse, Temperatur und Zeit sind die SuS bereits in der Grundschule in Kontakt gekommen. Darüber hinaus sind die SuS auch schon mit der Größe Lichtstärke über ihren Alltag konfrontiert worden, beispielsweiße durch tragen einer Sonnenbrille oder der Abenddämmerung. Die im folgendem beschriebenen Versuche sind für die Zielgruppe der fünfte und sechste Klasse, wenn die SuS erstmals das Fach Physik als Unterrichtsfach haben. Die Schulform ist unspezifisch, da es sich um Basiswissen im Allgemeinen handelt. Gegeben falls sollte an dieser Stelle die ausführende Lehrkraft die Versuche vom Schwierigkeitsgrad so abwandeln, so dass die Schulklasse nicht unter- oder überfordert wird. Auf Grundlage dieser Überlegungen wurde, für die Versuche, als Testgruppe eine Reihe an freiwilligen SuS aus einer Grundschule, vierte Klasse, gewählt. Grund für diese Wahl war, dass diese noch keinen wissenschaftlichen Unterricht hatten und deshalb völlig unvoreingenommen waren. Aus der historischen Entwicklung geht hervor, dass den Größen Länge und Masse als erstes Einheiten zugeordnet wurden. Danach Zeit, Stoffmenge und Temperatur, als letztes Lichtstärke und Stromstärke. Wobei die Stoffmenge wahrscheinlich schon vor der Länge und Masse genutzt wurde z.b. als Stückzahl für eine Länge oder Masse (drei Steine/ drei Fische). Dies lässt sich allerdings nur schwer belegen, weshalb die Ursprüngliche Reihenfolge beibehalten wird. Bei den historischen Einheiten spielen die menschlichen Sinne eine fundamentale Rolle. Die ersten Einheiten basierten auf dem menschlichen Körper, auf verschiedene Körper (z.b. Gefäße) oder auf der sinnlichen Wahrnehmung. Die SuS sollen zunächst die Bedeutung der Basiseinheiten über ihre Geschichte verstehen. Anschließend sollen die SuS durch die aufeinander aufbauenden Versuche erkennen, wie wichtig einheitliche Maßeinheiten sind. Dazu werden die Versuche als Lernstraße aufgebaut, jede Größe bildet dabei eine Station. An den einzelnen Stationen sollen die Versuche nacheinander durchgeführt werden. Für den Unterricht eignet sich hier eine Projektmappe, in der jeder/jede SuS seine Eindrücke und Ergebnisse sammeln kann. Diese Projektmappe soll den SuS helfen ihr erworbenes Wissen über die sieben SI-Basisgrößen zu bündeln und damit zu verinnerlichen. Das Erschließen der Bezugsgrößen soll mit Hilfe der Wahrnehmung vertieft werden. Es 24
sollen alle relevanten Ergebnisse von den SuS in Form eines Plakates zusammengestellt werden, im Gruppenraum für alle sichtbar auf gehangen werden und so nachhaltig dem Lernprozess festigen. 6.1.1 Vorversuch Um zu veranschaulichen, welche eigenen Erfahrungen die SuS im Bereich der Größen besitzen, sollen die SuS zunächst in einer Versuchsreihe Schätzungen abgeben. Dazu soll jeder/jede SuS ohne Hilfsmittel schätzen, wie lang ein Meter, wie schwer ein Kilogramm und wie warm ein Körper ist. Ziel der Versuchsreihe ist, dass die SuS erkennen, dass sie aufgrund von Vorerfahrung bereits Einheiten abschätzen können. 6.1.1.2 Ergebnis - Vorversuch Bei dem Vorversuch wurde deutlich, dass die SuS zwar die Begriffe Meter, Kilogramm und Temperatur kennen, aber bis auf die Begrifflichkeit noch keine große Kenntnis darüber haben. Deshalbwurde der Versuch auf den Meter reduziert. Dreizehn SuS haben an diesem Versuch teilgenommen. Davon haben sieben SuS einen Meter als Länge vom Boden bis zum Brustkorb beschrieben. Einen Meter als den Abstand zwischen den Händen haben drei SuS gezeigt. Weiterhin haben drei SuS einen großen Schritt als einen Vom Boden bis zum Brustkorb Meter angegeben. SuS 7 SuS 6 SuS 5 SuS 4 SuS 3 SuS 2 SuS 1 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 Angaben in Meter Abbildung 12: Ein Meter Vom Boden zum Brustkorb SuS 13 SuS 12 SuS 11 Großer Schritt 0 0,5 1 1,5 Angaben in Meter Abbildung 14: Großer Schritt genau, es stellte sich heraus, dass die SuS bereits im Unterricht diese Methode kennen gelernt haben. Für den Abstand zwischen Händen zeigen wurde ein Aus dem Ergebnis Vom Boden bis zum Brustkorb ergaben sich einen Mittelwert von ca. 1,03 Meter und eine Standardabweichung ca. 0,04 Meter (vgl. Abb.12). Diese Methode war ziemlich SuS 10 SuS 9 SuS 8 Abstand zwischen Händen zeigen 0 0,5 1 1,5 Angaben in Meter Abbildung 13: Abstand zwischen den Händen zeigen 25
Mittelwert von ca. 0,957 Meter und eine Standardabweichung von ca. 0,17 Meter ermittelt (vgl. Abb.13). Aus dem Ergebnis Großer Schritt ließen sich ein Mittelwert von ca. 0,92 Meter und eine Standardabweichung von ca. 0,08 Meter (vgl. Abb.14). 6.1.2. Versuche zur Länge Um eine Länge zu messen nutzt der Menschen seinen Sehsinn. Die ersten Einheiten der Länge sind über Körpermaße entstanden. Als Einstieg sollen die SuS zunächst überlegen, über welche Körperteile eine Länge gemessen werden kann. Die Vorschläge werden als Tafelbild gesammelt. Ziel der Überlegung war, dass die SuS erkennen, über den menschlichen Körper Längen zu gemessen. Diese Überlegungen schafften den Übergang zu den ersten Einheiten der Menschheit. 6.1.2.1. Ergebnis Tafelbild Über den menschlichen Körper messen Die SuS wurden gefragt, welche Körperteile zum Messen genutzt werden könnten. Die Antworten waren alle von Körperteilen ausgehend und wurden bei Unstimmigkeiten von den SuS diskutiert. Das Ergebnis war: Arm, Finger, Bein, die Breite eines Haares, Unterarm (Handspitze bis zum Ellenbogen Elle), Größe des Körpers, Fuß, Hand, Kopf, Zehen, Mund und Haare(Länge). Das Aufzählen der Körperteile, über die eine Länge verglichen werden kann, hat hier bereits den SuS die historischen Einheiten aufgezeigt. Besonders schön war die Diskussion um Haaresbreite. Zunächst wurde Haareslänge gesagt, aber nach einer kurzen Diskussion wurde daraus die Haaresbreite. Es gab eine Gruppe, die darauf bestand, dass man um Haaresbreite nur sprachlich sagen würde um eine gefährliche Situation zu beschreiben und eine weiter Gruppe, die darauf bestand, dass man auch mit Haaresbreite messen kann. 6.1.2.2. antike Längeneinheiten Vom Tafelbild, aus der Sammlung von Versuch 6.1.1 ausgehend, wurden nun verschiedene alte Längeneinheiten untersucht. Jeder/jede SuS sollte zwei verschiedene Einheiten an dem eigenem Körper messen. Alle Ergebnisse wurden gesammelt um diese im Anschluss zu vergleichen. Ziel des Versuches war, dass die SuS erkennen, dass Längen am eigenen Körper messbar sind, jedoch von Person zu Person variieren können. 26
6.1.2.2.1 Ergebnis - antike Längeneinheiten An diesem Versuch haben sich acht SuS beteiligt. Es haben sich drei Einheiten gebildet, dies waren Fingerbreit, Elle und Handbreit. Grund dafür war, dass die Versuche in einem Raum stattfanden und die SuS andere gefragt haben, welche Körperteile gewählt wurden, weiter war die Einfachheit des Messens der Körperteile ein entscheidender Faktor. Abbildung 15 zeigt die Abbildung 15: Fingerbreit Messung von Fingerbreit. Die Ergebnisse wurden notiert und zur Vergleichbarkeit in ein Balkendiagramm übertragen. SuS 8 SuS 7 SuS 6 SuS 5 SuS 4 SuS 3 SuS 2 SuS 1 "Fingerbreit" im Vergleich 0 1 2 3 4 Angaben in cm Abbildung 16: Fingerbreit im Vergleich SuS 8 SuS 7 SuS 6 SuS 5 SuS4 SuS 3 SuS 2 SuS 1 "Elle" im Vergleich 30 32 34 36 38 40 42 Angaben in cm Abbildung 17: Elle im Vergleich Für die Einheit Fingerbreit lagen die Werte zwischen 3,4 cm und 2,6 cm, der Mittelwert beträgt ca. 2,99 cm und die Standardabweichung ca. 0,27 cm (vgl. Abb. 16). Die Standardabweichung vom Mittelwert beträgt ca. 9,31%. Die Elle liegt zwischen 34,0 und 40 Zentimetern. Aus den Werten ergibt sich ein Mittelwert von ca. 36,04 cm und die Standardabweichung ca. 2,11 cm (vgl.abb.17). Die Standardabweichung beträgt ca. 5,85% vom Mittelwert. 27
"Handbreit" im Vergleich SuS 8 SuS 7 SuS 6 SuS 5 SuS 4 SuS 3 SuS 2 SuS 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Angaben in cm Abbildung 18: Handbreit im Vergleich Die Einheit Handbreit liegt zwischen 6,3 und 7,6 Zentimetern (vgl.abb.18). Der Mittelwert beträgt ca. 7,04 cm und die Standardabweichung ca. 0,47 cm. Damit ergibt die Standardabweichung ca. 6,68% vom Mittelwert. Der Versuch hat gezeigt, dass sich manche Einheiten bereits durch ihre praktische Anwendung bei den SuS durchgesetzt hatten. Weiter hat die Wahl der Einheiten aufgezeigt, dass die SuS aktiv mit Hilfe von Körpermaßen messen und ein Interesse an der Vergleichbarkeit besteht. Des Weiteren war es nötig bei diesem Versuch eine Standardgröße als gemeinsamen Vergleich zu nutzen. Die SuS benutzten ein Zentimetermaß, was bedeutet die SuS haben ihre Körpermaße mit dem Standardmaß Meter-Zentimeter verglichen. Beim Vergleich ihrer Werte haben die SuS erkannt, dass ihre Körpermaße zwar ähnlich, aber nicht identisch sind. Von den jeweils ermittelten Mittelmaßen betrug die Standardabweichung zwischen ca. 5,85% und ca. 9,31%. 6.1.2.3. Architekten In diesem Versuch werden die SuS in zwei Gruppen aufgeteilt. Jede Gruppe bekommt ein unterschiedliches Haus als Vorlage (siehe Abbildung 19 und 20). Die SuS sollen nun mit der Einheit ein Fingerbreit die Maße ihrer Häuser Abbildung 20: Haus B notieren. Anschließend sucht sich jeder/jede SuS einen Partner aus der anderen Gruppe. Mit dem Partner sollen Abbildung 19: Haus A die Maße getauscht werden. Jeder/jede SuS konstruiert nun nach den notierten Maßen das Haus der jeweils anderen Gruppe. 28