Historische Versuche der Physik

Manfred Achilles Historische Versuche der Physik Funktionsfahig nachgebaut 69 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong

Professor Manfred Achilles Institut fur Fachdidaktik der Physik, TU Berlin, HardenbergstraBe 36, D-1000 Berlin 12 ISBN-13: 978-3-540-51587-6 e-isbn-13: 978-3-642-46683-0 DOl: 10.1007/978-3-642-46683-0 CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Achilles, Manfred: Historische Versuche der Physik: funktionsfahig nachgebaut 1 Manfred Achilles. Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo; Hong Kong: Springer, 1989 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschtitzt. Die dadurch begrtindeten Rechte, insbesondere die der Dbersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der Fassung Yom 24. Juni 1985 zulassig. Sie ist grundsatzlich vergtitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des U r heberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1989 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dtirften. Bindearbeiten: 1. Schaffer GmbH & Co. KG., D-6718 Grtinstadt 2156/3150-543210 - Gedruckt auf saurefreiem Papier

Professor Dr. Walter Bunger (1905-1988) in Dankbarkeit gewidmet v

Vorwort AnlaBlich der 51. Physikertagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft im April 1987 in den Gebauden der Technischen Universitat Berlin erstellte das "Institut fur Fachdidaktik Physik und Lehrerbildung" in seinen Raumen eine Ausstellung "Histodsche Versuche - funktionsfahig nachgebaut", die Liber die Tagung hinaus ganztagig geiiffnet und auch der interessierten Offentlichkeit zuganglich war. Besucher dieser Ausstellung regten an, die gezeigten Versuche einem gr6beren Kreis zuganglich zu machen. Ein schnell geschriebenes Manuskript reichte nicht aus. Erfreul icherweise machte mir der Springer-Verlag das Angebot, eine ausflihrliche Version anzufertigen fur Physiker, Wissenschaftshistoriker, denen das Experimentieren fern steht, Physiklehrer, Ingenieure, Techniker und interessierte Laien. Ober zwanz ig Fall stud ien aus untersch ied 1 i chen Zeiten und mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad werden in 19 Kapiteln vorgestellt. Jedes Kapitel beginnt mit einer Kurzbiographie des Physikers, die im zweiten Abschnitt durch eine Zusammenfassung seiner wissenschaftlichen Leistungen im Hinblick auf die im dritten Abschnitt dargestellten Experimente erganzt wird. Die "Biographien" und die "Wissenschaftlichen Leistungen" sind kurz gefabt und haben nur eine abrundende Aufgabe. FUr einige Kapitel (2, 4, 17, 18, 19) waren biographische Recherchen erforderlich, da die Lebenslaufe der besprochenen Physiker nicht oder nur durch Nachrufe bearbe itet sind. A 1 s Padagoge i nteress i erten mi ch im biograph i schen Abschnitt Kindheit, Schulbildung, Jugend und Studium eines spater Prominenten besonders. Leider haben sich keine Regeln finden lassen, wie sich ein spater Erfolgreicher fruhzeitig verrat. Aus "Wunderkindern" und aus "Spatentwicklern" unterschiedlichster Herkunft sind bedeutende Wissenschaftler geworden. Der Kern des Buches ist aber der Bericht Liber das Nachexperimentieren von 25 "historischen Versuchen". Einige davon stellen eine Auswahl der Arbeiten dar, die im letzten Jahrzehnt in physikhistorischen Seminaren unseres Institutes angefertigt worden sind. Originale Texte und Skizzen von Phys ikern, beginnend bei I. Newton und endend bei E. W.MUller, zei gen VII

den Ausgangspunkt der Bemtihungen, die durch etliche Besuche europaischer naturwi ssenschaft 1 icher Museen, teilwei se wahrend student i scher Exkurs i onen, erganzt wurden. Photographien und MeBergebnisse belegen jeweils im dritten Abschnitt das Resultat der Nacharbeit. Beim Durchblattern wird der Kund i ge auf den B i 1 dern manche hi stori schen Experimente spontan erkennen und Interessantes nachlesen. Beim Nachexperimentieren kam es mir weniger darauf an, eine Anordnung materialmabig "antik" zu gestalten, indem auch Drechslerarbeiten und anderer Zierat der Apparate nachgeahmt wurden, sandern mehr darauf, die urspriing 1 iche Funkt ion zu rekonstru iereno Ich scheute mich auch nicht, moderne Versorgungsgerate, wie sie in jeder physikalischen Sammlung zu finden sind, immer dann zu benutzen, wenn sie das Experiment nicht verfalschten. Mein Dank gilt Herrn Stud.Dir. F.G.Rheingans, Berlin, der mir aus seinem Arbeitsgebiet das Kapitel 2 (Fahrenheit) zusammenstellte, Herrn Dr.B.Weiss, Berlin, der seine Dissertation ftir die Anfertigung des Kapitels 4 (Prevost und Pictet) nutzte, und Herrn Gesamtschulrektor E.Swinne, Berlin, der dank seiner biographischen Arbeiten tiber H.Geiger das Kapitel 18 schrieb. Herr Mechanikermeister W.Steuer fertigte mit grobem Einfiihlungsvermogen etliche Gerate in der Werkstatt an und zeichnete die Skizzen, teilwei se nach hi stari schen Varbi 1 dern. Unschatzbare Hi lfe gewahrte mir Herr Priv.-Doz. Dr.K.H.Wiederkehr, Hamburg, der freundlicherweise nicht nur kritisch wissenschaftliche Karrektur las, sondern zusatzliche und wichtige Verbesserungsvorschlage machte. Auch hat friihzeitige Kritik van Herrn Dr.H.-U.Daniel, Springer-Verlag, dem weiteren Schreiben die Richtung gegeben. Ber 1 in, im Oktaber 1989 Manfred Achilles VIII

Inhaltsverzeichnis 1. I saak Newton und das "Experimentum cruci s"......... 1 1.1 Biographisches... 1 1.2 Wissenschaftliche Arbeiten zur Optik........... 3 1.3 Nachvollzug des "Experimentum crucis"....... 5 2. Daniel Gabriel Fahrenheit und das Thermometer... 7 2.1 Biographisches... 7 2.2 Wissenschaftliche Arbeiten... 8 2.3 Ober den Bau von Thermometern... 10 2.3.1 Herstellung eines Thermometerrohlings mit Kugelkolben..................... 10 2.3.2 Thermometerkolben mit Zylinderkolben....... 11 2.3.3 Fullen eines Flussigkeitsthermometers....... 11 2.3.4 Nachbau des Fahrenheitthermometers........ 11 3. Johann Heinrich Lambert und die Photometrie....... 13 3.1 Biographisches..................... 13 3.2 Wissenschaftliche Arbeiten zur Photometrie... 14 3.3 Versuche................................................. 17 3.3.1 Versuche mit dem Schattenphotometer...... 17 3.3.2 Versuche zum Lambertschen Gesetz........... 17 4. Marc-Auguste Pictet, Pierre Prevost und die "Reflexion der Klilte" 19 4.1 Biographisches... 19 4.2 Wissenschaftliche Arbeiten...... 20 4.3 Versuche zur "Reflexion der K ~ l t... e " 25 5. Lichtenberg und die L i chtenbergschen F i guren... 27 5.1 Biographisches... 27 5.2 Wissenschaftliche T ~ t i g... k e i t 28 5.3 Experimente mit Lichtenbergschen Figuren........ 30 5.3.1 G e r zum ~ t Erzeugen von Lichtenbergschen Figuren... 30 5.3.2 Prinzipielles zum Photokopierverfahren... 32 6. Alessandro Volta und der Voltasche Versuch zum Galvanismus... 33 6.1 Biographisches... 33 6.2 Wissenschaftliche Arbeiten................ 34 6.3 Der Voltasche Fundamentalversuch im Nachbau..... 37 7. Etienne-Louis Malus und die Polarisation des Lichts an Glasoberf l ~ c................ h e n 40 7.1 Biographisches... 40 7.2 Wissenschaftliche Arbeiten...... 41 7.3 Experimente zur Entdeckung der Polarisation an Glas... 43 7.3.1 Der "Nachtversuch" von Malus von 1808... 43 7.3.2 Die Malussche S ~ u von l e 1809..... 45 IX

8. Augustin-Jean Fresnel und die Fresnelsche Zonenkonstruktion zur Deutung der geradlinigen Ausbreitung von Lichtwellen... 46 8.1 Biograph i sches... 46 8.2 Wissenschaftliche Arbeiten...... 47 8.3 Die Fresnelsche Zonenkonstruktion zur Begrilndung der geradlinigen Lichtausbreitung... 49 8.3.1 Hypothese der Fresnelschen Zonen... 49 8.3.2 Versuche zur Fresnelschen Zonenkonstruktion... 50 9. Hans Christian Oersted und der elektromagnetische Grundversuch. 52 9.1 Biograph i sches... 52 9.2 Wissenschaftliche Arbeiten......... 54 9.3 Versuche zum elektromagnetischen Grundversuch... 55 9.3.1 Der Grundversuch... ~........... 55....... 9.3.2 Krafte oder Drehmomente?... 56 9.3.3 Durchdringt das magnetische Feld Materie?... 57 10. Andre Marie Ampere und die Stromwaage... 59 10.1 Biograph i sches... 59 10.2 Wissenschaftliche Arbeiten zu Elektromagnetismus... 60 10.3 Versuche mit der Ampereschen Stromwaage... 62 10.3.1 Nachbau der Stromwaage... 62 10.3.2 Der "Erste Gleichgewichtsfall"... 62 10.3.3 Der "Zweite Gleichgewichtsfall"... 63 10.3.4 Der "Dritte Gleichgewichtsfall"... 65 11. Thomas Johann Seebeck und der thermoelektrische Effekt... 66 11.1 Biograph i sches... 66 11.2 Wissenschaftliche Leistungen... 67 11.3 Versuche zu Seebecks Forschungen... 69 11.3.1 Saccharimetrie mit dem Norrembergschen Polarisationsapparat... 69 11.3.2 Magnetisches Zirkularfeld urn einen elektrischen Strom... 70 11.3.3 Thermoelektrischer Effekt... 70 12. Georg Simon Ohm und die Ohmsche Drehwaage... 73 12.1 Biographisches...... 73 12.2 Arbeiten zum Ohmschen Gesetz... 75 12.3 Versuche mit der Ohmschen Drehwaage... 76 12.3.1 Vergleich der historischen Anordnung mit dem Nachbau 76 12.3.2 Auswertung der Ohms chen Messungen... 78 12.3.3 Messungen mit dem Nachbau... 79 13. Wilhelm Weber, Carl Friedrich GauB und der Induktionstelegraph. 81 13.1 Biograph i sches... 81 13.1.1 W. Weber......... 81 13.1.2 C.F. GauB... 83 13.2 Physikalische Arbeiten von Weber und GauB... 85 13.2.1 Der Telegraph... 85 13.2.2 Das absolute MaBsystem... 86 13.3 Versuche mit dem Induktionstelegraph... 87 14. Hermann von Helmholtz und die physikalische Physiologie... 90 14.1 Biograph i sches... 90 14.2 Wissenschaftliche Leistungen... 92 14.3 Versuche zur physikalischen Physiologie... 95 14.3.1 Der Augenspiegel... 95 14.3.2 Die Doppelsirene... 97 x

15. Werner von Siemens und das dynamoelektrische Prinzip... 100 15.1 Biographisches...... 100 15.2 Wissenschaftliche Leistungen...... 102 15.3 Versuche zum dynamoelektrischen Prinzip... 105 15.3.1 Die HauptschluBmaschine nach Siemens... 105 15.3.2 Die NebenschluBmaschine nach Wheatstone... 106 15.3.3 Die gemischt erregte Maschine... 107 16. Lord Kelvin und prazise elektrische MeBmethoden... 109 16.1 Biographisches... 109 16.2 Wissenschaftliche Arbeiten... 111 16.2.1 Zur Thermodynamik... 111 16.2.2 Zu den elektrischen Schwingungen... 112 16.2.3 Gerate fur Prazisionsmessungen...... 112 16.2.4 Zur Elektrostatik und Luftelektrizitat... 113 16.3 Versuche mit Nachbauten Kelvinscher Gerate... 114 16.3.1 Die Stromwaage... 114 16.3.2 Die Spannungswaage... 115 16.3.3 Versuche mit dem "water-dropping collector"... 117 17. R. W. Pohl, die Farbzentren und die Modellinfluenzmaschine... 120 17.1 Biographisches... 120 17.2 Wissenschaftliche Arbeiten... 122 17.3 Experimente aus R.W. Pohls Institut... 125 17.3.1 Wanderung von Farbzentren in KBr-Kristallen unter dem EinfluB elektrischer Spannungen... 125 17.3.2 Ubersichtliche Influenzmaschine... 126 18. Hans Geiger und der Spitzenzahler... 128 18.1 Biographisches... 128 18.2 Wissenschaftliche Arbeiten... 129 18.3 Spitzenzahler... 131 18.3.1 Nachbau eines Spitzenzahlers... 131 18.3.2 Versuche mit dem Spitzenzahler... 132 19. Erwin Wilhelm Muller und das Feldelektronenmikroskop... 134 19.1 Biographisches... 134 19.2 Wissenschaftliche Arbeiten... 135 19.3 Experimente mit dem Feldelektronenmikroskop... 137 Referenzen... 141 Namenverze i chn is.................................................... 149 Sachwortverzeichnis... 151 XI