Granulare Materie I -
Schüttgut in Ruhe - ein ungewöhnlicher Festkörper

Dr. Sigrid M. Weber

Didaktik der Physik und Z-MNU
Universität Bayreuth

Vorwort

Diese Handreichung handelt von Granulaten, auch unter dem Namen granulare Medien oder Schüttgüter bekannt. Sand ist ein typischer Vertreter - jedem hinreichend bekannt aus Kindertagen. Auch trockener Sand zeigt den - wie oft behauptet wird - neuen Aggregatzustand dieser Art von Materie, der weder fest, noch flüssig, noch gasförmig ist! Granulare Medien können all dies sein: Fest, wenn Sie in Ruhe sind, flüssigkeitsartig, wenn sie in fließender Bewegung sind, quasi gasförmig, wenn ihnen genügend Energie zugeführt wird, wie beispielsweise in einer Staublawine. Das Gebiet der granularen Materie ist nicht jung. Bereits Faraday (1831) und Reynolds (1885) haben sich damit beschäftigt. Es hat jedoch in jüngster Zeit bei Physikern eine Renaissance erfahren. Granulare Systeme sind Themen aktuellster Forschung.

In der Darstellung notwendiger Informationen für die Lehrkraft, die dieses faszinierende Gebiet in den Unterricht integrieren will, folgt die Handreichung der fachwissenschaftlichen Systematik: In Teil GRANULARE MATERIE I werden grundlegende Informationen über ruhende trockene Granulate vermittelt. Auf diesem notwendigen Basiswissen können weitere Teile zum Thema Granulate in Bewegung aufbauen. Kapitel 2 hat das Ziel, der Lehrkraft die Aneignung von logisch aufeinander aufbauenden Wissenselementen in diesem für den Unterricht in der Schule absolut neuen Gebiet zu erleichtern. Für eine nur kurze Unterrichtssequenz, die quasi nur hineinschnuppern möchte in dieses faszinierende Terrain nichtlinearer Effekte, ist eine ähnliche Reihenfolge der Stoffdarbietung nicht zwingend und auch nicht ratsam. Mehrere interessante Pfade durch die Welt der ruhenden Granulate sind zu finden, wie der in Kapitel 6 vorgestellte Lernpfad beweist.

Man sollte nicht vergessen, dass eine übertriebene fachwissenschaftliche Systematik im Unterricht Interesse dämpft statt weckt. Manche Effekte besitzen eine hohe Primärmotivation, die zum Einstieg in das Thema Granulate genutzt werden sollte. Ist das Interesse entfacht, mag man je nach Altersstufe mehr oder weniger in die Tiefe steigen, um die erfahrenen Phänomene zu erklären zu suchen. Angepasst an das angestrebte Verständnisniveau wird man unterschiedliche Modellierungsschwerpunkte setzen. Die Entwicklung einfacher Modellversuche steht häufig am Anfang des Erkenntniswegs, bei Bedarf gefolgt von vertiefenden theoretischen Betrachtungen.

Speziell ein solches Vorgehen bietet eine Chance, die Methodik des naturwissenschaftlichen Arbeitens zu schulen. Ausgehend von interessanten Phänomenen, kann das Gebiet immer tiefer erschlossen werden. Das tieferschürfende Suchen fördert Kontexte für althergebrachten Physikstoff zu Tage: Bereits ruhende Granulate regen an, über das einfache Teilchenmodell der Sekundarstufe hinauszuschreiten, hinein in die Struktur von Metallen oder allgemein Kristallen; sie bieten Anlässe, sich mit Reibungsphänomenen zu beschäftigen, dort erlerntes Wissen zu festigen und beziehungsweise oder zu vertiefen. Begriffe wie Dichte, Kraft, Druck sind bereits bei Granulaten in Ruhe Voraussetzung, um ihre Eigenschaften physikalisch zu fassen. So ist beispielsweise ohne ein Verständnis der Druckfortpflanzung in Granulaten die Funktionsweise einer Sanduhr nicht erklärbar: Pro Zeiteinheit fließt die gleiche Menge Sand, (fast) unabhängig davon, wie hoch der Sand in der Sanduhr steht. Ein Anlass den hydrostatischen Druck zu hinterfragen. Lassen Sie es mich nochmal betonen: Die Beschäftigung mit Granulaten schafft Anlässe, erworbenes physikalisches Wissen anzuwenden.¹Mehr noch - sie schafft auch Anlässe zu erfahren, wie wichtig physikalisches Wissen bei natürlichen und technischen Prozessen ist. Gerade technische Kontexte bringen ins Bewusstsein, dass Physik alltagsbezogen und berufsrelevant ist. Eine Einschätzung, die vergangene Schülergenerationen nicht mehrheitlich teilen. Streng genommen ist jeder in unserer modernen Industriegesellschaft abhängig von physikalischen Erkenntnissen und darauf basierenden technischen Entwicklungen. Dies soll den Beitrag anderer Naturwissenschaften nicht schmälern, aber Physik ist Basiswissenschaft. Sie kann bereits in der Schule faszinierend sein, wenn es ihr erlaubt wird. Dies betrifft nicht nur Kontexte, sondern auch die Integration von Aspekten moderner Physik mit ihren Paradigmen und Strukturfragen. Methodisch geschickt gewählte Experimente mit Granulaten - wie sie in Kapitel 4 zu finden sind - können hierzu beitragen.

Damit der Leser dieser Handreichung aufgrund der Stofffülle nicht ein ähnliches Motivationsloch erlebt, wie so manche Schülerinnen und Schüler im Physikunterricht, wird ihm ein Weg durch den Text anempfohlen, der Interesse weckt: Er verschaffe sich als erstes einen Überblick über die enthaltenen Experimente. Diese sind in Kapitel 4 in eigenen Abschnitten, im Weiteren Experimentiermodule (E-Module) genannt, zusammengefasst. Hier ist zu empfehlen, jeweils mit den Übersichtsdiagrammen zu Anfang eines jeden E-Moduls zu beginnen. Jedem Experiment sind Beispiele beziehungsweise Anregungen für lebensweltliche Kontexte vorangestellt. Die Experimentieranleitungen des Kapitels 4 wenden sich an Lehrkräfte, nicht an Schüler. Auch wenn ihre Gliederung für diesen Zweck nicht üblich ist. Totzdem wurde sie gewählt, um das Suchen von Informationen innerhalb eines Versuchs zu erleichtern. Einige Beispiele für Schülerarbeitsblätter in Kapitel 5 sind als methodische Vorschläge für die Sekundarstufe 1 zu verstehen.

Dieser erste Durchgang durch die vorgestellten Experimente sollte genügend Neugier geweckt haben, um die Abschnitte, die Basisinformationen enthalten, mit Begeisterung zu studieren. Zwischen diesen Abschnitten findet der Leser immer wieder Abschnitte, die den Vermerk Vertiefungswissen tragen. Sie können beim ersten Lesen übergangen werden. Die meisten dieser Vertiefungstexte eignen sich als Grundlage für ein den Stoff vertiefendes Schülerreferat in der Oberstufe.

Auf die Frage, in welcher Jahrgangsstufe die Experimente eingesetzt werden können, wird in Kapitel 6 näher eingegangen. Hier sei nur darauf hingewiesen, dass die Mehrzahl der Experimente schon in der Unterstufe² erfolgreich durchzuführen sind, vorausgesetzt den Schülerinnen und Schülern ist vermittelt worden, welches konkrete Ziel sich hinter ihren Anstrengungen verbirgt, weshalb geeigneten lebensweltlichen Kontexten ein extrem wichtiger Stellwert zukommt.

Die Autorin

Footnotes

... anzuwenden.¹

Im Fall einer integrativen Erarbeitung physikalischer Grundlagen ist auch neues Fachwissen erschließbar.

... Unterstufe²

In den Jahrgangstufen fünf bis sieben