Didaktisch-methodischer Kommentar
Das Thema „Neue SI-Einheiten – Ihre Vereinheitlichung“ im Unterricht
Dieses alle Fachrichtungen der Physik umfassende Thema zeigt über die Neudefinition der veralteten SI-Einheiten, wie die sieben neuen Basiseinheiten der Physik über allgemein gültige und nach jetzigem Wissensstand unveränderliche Naturkonstanten miteinander verknüpft werden können. Dabei werden die Schwachstellen des alten SI-Systems, die vor allem mit den problematischen Definitionen des Kilogramms und daraus resultierend mit Ampere und Kelvin zusammenhängen, beseitigt.
Vorkenntnisse
Die für die Neugestaltung des SI-Systems wichtigen Naturkonstanten wie Lichtgeschwindigkeit, Avogadro-Konstante und Boltzmann-Konstante sollten im Rahmen des Unterrichtes der Sekundarstufen I und II bereits besprochen worden sein. Besondere Bedeutung kommt darüber hinaus dem Planck´schen Wirkungsquantum zu, dessen Kenntnis voraussetzt, dass die Grundlagen der Quantenphysik ebenfalls bereits erarbeitet wurden.
Didaktische und methodische Analyse
Klaus von Klitzing, der den Nobelpreis in Physik für die Entdeckung des sogenannten quantisierten Hall-Effekts im Grenobler Hochfeld-Magnetlabor erhielt, bezeichnete bei der Generalkonferenz für Maße und Gewichte im Jahr 2018 die Neuordnung des SI-Einheitensystems als „die größte Umwälzung im Einheitensystem seit der Französischen Revolution“. Schul- und Lehrbücher müssen umgeschrieben werden; Naturkonstanten sind keine Messgrößen mehr, sondern besitzen exakte Werte. Physiklehrkräfte und in der Folge ihre Lernenden müssen umlernen, denn nun sind unverrückbare Naturkonstanten vorhanden: Die Werte der sieben neuen Basiseinheiten stellen keine willkürlich gewählten Ausgangsgrößen mehr dar, sondern sind umgekehrt durch Konstanten definiert und festgelegt.
Allerdings ist das neue internationale Einheitensystem wesentlich abstrakter und für die Lernenden anspruchsvoller als das bisherige System. Deshalb ist es für jeden Schüler und jede Schülerin besonders wichtig, die generelle Bedeutung der Naturkonstanten in ihren Grundzügen zu verstehen und das dahinterstehende Konzept zu hinterfragen.
Fragestellungen wie etwa, was Naturkonstanten überhaupt sind, warum sie so sind wie sie sind oder woher sie letztlich kommen, müssen beantwortet werden. Danach geht es erst um das Ver-stehen der einzelnen Naturkonstanten, was bei der Lichtgeschwindigkeit sicher noch gut nachvoll-ziehbar ist, aber bei einer Konstante wie dem Planck´schen Wirkungsquantum mit der eigenartig anmutenden Dimension einer „Wirkung“ schon deutlich komplexer wird.
Schwierig wird es für die Lernenden auch dadurch, dass die ausgewählten Naturkonstanten nicht identisch die Basiseinheiten abbilden – dies würde nur „funktionieren“, wenn jede Einheit ihre eigene „Konstante“ bekommen hätte. Allerdings wäre es dann auch notwendig, dass diese „Konstante“ dann auch die Dimension dieser Einheit hätte.
Vielmehr werden alle mechanischen Größen, die sich aus den Einheiten für Zeit, Länge und Masse zusammensetzen, über die drei Naturkonstanten für eine Frequenz, die Lichtgeschwindigkeit c und das Planck´sche Wirkungsquantum h dargestellt. Dies erfordert ein hohes Maß an Transferleistung und stellt eine durchaus große Herausforderung für die Lernenden dar – aber auch für Lehrerinnen und Lehrer, die neue didaktische und methodische Konzepte finden müssen.
