This six-volume textbook presents the branches of physics relevant for teacher training at the introductory lecture level, covering both the scientific material and the teaching methodology. Special discussion boxes address typical everyday notions, phenomenological approaches of interest to students, and typical obstacles to comprehension.

Volume 1 covers Mechanics.

Autorentext

Prof. Dr. Rainer Müller ist Physikdidaktiker an der TU Braunschweig. Seine Arbeitsgebiete sind das Lehren und Lernen von Quantenphysik, die Nutzung von authentischen Kontexten zur Vermittlung von Physik sowie die Untersuchung von Problemlöseprozessen in der Physik, vor allem in Bezug auf kognitive Belastung.

Nach dem Physikstudium in Gießen und Konstanz forschte er in der theoretischen Physik zur Quantenfeldtheorie in gekrümmten Raum-Zeiten (Promotion 1994 bei J. Audretsch). Nach einer Postdoczeit an der LMU München verlagerte er sein Arbeitsgebiet in die Physikdidaktik und entwickelte einen neuen Zugang zu modernen Aspekten der Quantenphysik für die Schule (Unterrichtskonzept milq). Mit diesem Thema habilitierte er sich 2003 an der LMU München (bei H. Wiesner). Seit 2002 ist er Professor für Physik und ihre Didaktik an der TU Braunschweig. Breiten Raum in seiner Forschung nimmt die Entwicklung von kontextorientierten Zugängen zu verschiedenen Gebieten der Physik ein. Es entstanden die Lehrbücher "Klassische Mechanik - vom Weitsprung zum Marsflug" (2009) und "Thermodynamik - vom Tautropfen zum Solarkraftwerk" (2013) sowie der Band "Mechanik" in der Lehrbuchreihe "Physik für Lehramtsstudierende" (2020). Daneben ist er seit vielen Jahren Autor und Herausgeber zahlreicher Schulbücher (Schulbuchreihen "Kuhn Physik" und "Dorn-Bader Physik"). Seit 2019 hat sich das neu entstehende Gebiet der Quantentechnologien zu einem weiteren Arbeitsschwerpunkt entwickelt. Es entstand das Lehrbuch "Quantentechnologien für Ingenieure" (2023, gemeinsam mit F. Greinert).

Rainer Müller ist Mitglied der Exzellenzcluster SE²A (Sustainable and Energy-efficient Aviation) und Quantum Frontiers sowie des Quantum Valley Lower Saxony. Auf europäischer Ebene ist er in der Koordination des Europäischen Quantum Technology Flagships aktiv.

Inhalt

1. Ein lernwirksamer Zugang zur newtonschen Mechanik
   1.1.Kinematische Größen
   1.2.Geschwindigkeit als Vektorgröße, Richtung und Tempo
   1.3.Das Trägheitsgesetz
   1.4.Zweidimensionaler Stoß als Hinführung zum 2. newtonschen Gesetz
2. Modell- und Theoriebildung in der Mechanik
   2.1.Von der Beobachtung von Alltagsphänomenen zu den Modellen der Mechanik
   2.2.Die Grundgesetze der Mechanik sind nicht im Alltag erkennbar
   2.3.Antike Vorstellungen zur Bewegung und ihre Entsprechungen in Schülervorstellungen
   2.4.Systematische Begriffsbildung
   2.5.Begriff der Masse
   2.6.Gesetz oder Axiom?
3. Die newtonschen Gesetze mit System anwenden
   3.1.Geschwindigkeit und Beschleunigung; das zweite newtonsche Gesetz als Differentialgleichung
   3.2.Systeme und Systemgrenzen; äußere und innere Kräfte
   3.3.Planvolles Anwenden des zweiten newtonschen Gesetzes
   3.4.Beispiel: Schiefe Ebene
   3.5.Drittes newtonsches Gesetz
   3.6.Modellieren von Wurfbewegungen: Senkrechter, schräger Wurf, schräger Wurf mit Reibung
   3.7.Schwerelosigkeit
4. Erhaltungssätze
   4.1.Energieformen
   4.2.Formulierung des Energiesatzes
   4.3.Umgang mit dem Energiesatz
   4.4."Kraftsparende Maschinen" als Anwendung des Energieerhaltungssatzes
   4.5.Impulserhaltung
   4.6.Eindimensionale Stöße als Anwendung von Energie- und Impulssatz
   4.7.Drehimpulserhaltung, Drehmomente und Hebelgesetz
5. Mechanische Schwingungen
   5.1.Schwingungsgleichung, Hookesches Gesetz
   5.2.Harmonische Schwingungen
   5.3.Gedämpfte Schwingungen
   5.4.Resonanz
6. Kreisbewegungen und Scheinkräfte
   6.1.Beschreibung einer Kurvenfahrt im Inertialsystem
   6.2.Zentripetalkräfte
   6.3.Kinematische Beschreibung der Kreisbewegung
   6.4.Zentripetalbeschleunigung und Zentripetalkraft
   6.5.Rotierende Bezugssysteme
   6.6.Zentrifugal- und Corioliskraft
7. Himmelsmechanik
   7.1.Begriffsgeschichte der Himmelsmechanik
   7.2.Newtonsches Gravitationsgesetz und keplersche Gesetze
   7.3.Gravitationsfeld und potentielle Energie
   7.4.Ausblick auf die Allgemeine Relativitätstheorie