Erklären

Erklären ist eine Tätigkeit, die eng mit Gesetzen und Modellen verbunden ist. Beim Erklären wird geordnet und zusammenhängend dargestellt, warum eine Erscheinung in der Natur so und nicht anders auftritt. Dabei wird die Erscheinung auf das Wirken von Gesetzen zurückgeführt, indem man darstellt, dass die Wirkungsbedingungen bestimmter Gesetze in der Erscheinung vorliegen. Auch Modelle können zum Erklären herangezogen werden.
Erklären darf nicht mit dem Begründen verwechselt werden. Erklärt werden Sachverhalte (Erscheinungen, die Wirkungsweise von Geräten), begründet werden Aussagen. Während beim Erklären immer auf Gesetze und Modelle zurückgegriffen wird, können Begründungen objektiv oder subjektiv sein. Es ist zweckmäßig, beim Erklären in folgenden Schritten vorzugehen:

• Beschreiben Sie die für das Wirken von Gesetzen und Anwenden von Modellen wesentlichen Seiten der Erscheinung! Lasse unwesentliche Seiten unberücksichtigt!
• Nennen Sie Gesetze und Modelle, mit denen die Erscheinung erklärt werden kann, weil deren Wirkungsbedingungen vorliegen!
• Führen Sie die Erscheinung auf das Wirken physikalischer Gesetze bzw. auf das Anwenden von Modellen zurück!

Beispiel 1:
Je nach Tageszeit und Bewölkung kann der Himmel sehr unterschiedliche Farben haben (Bilder 1 und 2).
Wie kommen diese unterschiedlichen Farben des Himmels zustande?

Das Licht, das von der Sonne zu uns gelangt, fällt durch die Lufthülle der Erde, die Atmosphäre. Ein Teil dieses Lichtes wird von den Teilchen, die sich in der Atmosphäre befinden, gestreut. Wie stark das Licht gestreut wird, hängt von seiner Farbe ab. Allgemein gilt: Die Intensität des gestreuten blauen Lichtes ist wesentlich größer als die Intensität des gestreuten roten Lichtes. Die unterschiedlichen Farben kommen dann folgendermaßen zustande: Bei hohem Sonnenstand ist der Weg des Sonnenlichtes durch die Atmosphäre kurz. Da die Intensität des gestreuten blauen Lichtes sehr groß ist, sehen wir den Himmel in dieser Farbe.
Am Morgen bzw. am Abend ist der Weg des Lichtes durch die Atmosphäre wesentlich länger als bei hohem Sonnenstand. Aufgrund der stärkeren Streuung des blauen Lichtes auf diesem langen Weg gelangt nur noch wenig blaues Licht und viel rotes Licht zu uns. Wir sehen den Himmel mit dem typischen Morgenrot oder Abendrot.

Beispiel 2:
Erklären Sie, warum sich der elektrische Widerstand eines metallischen Leiters mit Erhöhung der Temperatur vergrößert!
Die Vergrößerung des elektrischen Widerstandes eines metallischen Leiters mit Erhöhung der Temperatur kann mithilfe des Modells der Elektronenleitung erklärt werden. Mit der Erhöhung der Temperatur bewegen sich die Metall-Ionen immer heftiger um ihre Ruhelage. Dadurch stoßen die Elektronen bei ihrer gerichteten Bewegung häufiger mit dem Metall-Ionen zusammen. Die gerichtete Bewegung der Elektronen wird dadurch stärker behindert als bei niedrigerer Temperatur. Dem elektrischen Strom wird ein größerer Widerstand entgegengesetzt.

Beispiel 3:
Erklären Sie die Wirkungsweise einer Lichtschranke, so wie sie z.B. bei Rolltreppen oder Fahrstuhltüren genutzt wird (Bild 3)!

Bei Beleuchtung des Fotowiderstandes im Basisstromkreis ist der elektrische Widerstand des Fotowiderstandes gering, demzufolge der Spannungsabfall an ihm klein. Die Emitter-Basis-Spannung liegt damit unterhalb der Schwellenspannung. Im Kollektorstromkreis fließt kein Strom. Der gesamte Strom fließt im äußeren Stromkreis (in der Skizze rot) am Transistor vorbei.
Wird der Fotowiderstand nicht beleuchtet, weil sich z.B. eine Person oder ein Gegenstand im Lichtweg befindet, so vergrößert sich der elektrische Widerstand des Fotowiderstandes. Damit liegt auch eine größere Spannung zwischen Emitter und Basis, die größer als die Schwellenspannung ist. Damit wird der Kollektorstromkreis eingeschaltet, in dem sich der Antriebmotor befindet.
Hinweis: Eine derartige Schaltung nennt man Dunkelschaltung, weil bei Dunkelheit ein Arbeitsstromkreis eingeschaltet wird. Das Gegenstück dazu ist die Hellschaltung, die genau umgekehrt reagiert.