Pascals Barometer ist ein Lehrstück der Lehrkunstdidaktik. Es wurde in den Jahren bis 1997 vom Berner Physikdidaktiker Ueli Aeschlimann auf Basis eines Exempels von Martin Wagenschein aus den 1970er Jahren entwickelt und in den Jahren bis 2013 von Marc Eyer, inzwischen ebenfalls Professor an der PH Bern, neuinszeniert.
Das Lehrstück behandelt die Phänomene des Druckes unter Verwendung originärer Quellen und Vorlagen aus dem 17. Jahrhundert von Galileo Galilei, Gasparo Bertisiehe :en:Gasparo Berti, Evangelista Torricelli, Blaise Pascal, Otto von Guericke und Robert Boyle. Es falsifiziert in genetischer Weise Aristoteles’ Theorie des horror vacui.
Wagenscheins Exempel mini|Wagenschein 1983 bei der legendären Vorführung (Foto des Leiters der Glockseeschule, Dieter Hermann) Martin Wagenschein war in den Jahren seit etwa 1971 häufig als Gastredner in pädagogischen Arbeitskreisen junger Schweizer Lehrkräfte aufgetreten. Zu jener Zeit gehörte ein spezielles Exempel zu seinem festen Repertoire: Er zog aus einer mit Wasser gefüllten Waschschüssel ein Bierglas mit der Öffnung nach unten heraus. Zum Erstaunen vieler Zuschauer bleibt in diesem Falle das Wasser im Glas, solange dessen Öffnung noch gänzlich unter Wasser liegt. Auf Basis dieses Phänomens führte Wagenschein Sokratische Gespräche mit den Seminarteilnehmern, die den Grund für das Verbleiben des Wassers im Glas zu erschließen suchten.vgl. Wagenschein (1983), S. 116–119
Im Jahr 1983 bestritt Wagenschein eine Tagung in Darmstadt unter Anwesenheit und Beteiligung von Otto Herz und Horst Rumpf sowie den Lehrerinnen und Lehrern zweier Alternativschulen, der Glockseeschule und der Freien Schule Frankfurt, in der er dieses Exempel inszenierte. Beim ebenfalls anwesenden Hans Christoph Berg sollte dieses Ereignis nachhaltige Folgen haben und kann als Gründungsmoment der Lehrkunstdidaktik angesehen werden. Berg erinnerte sich später:
Das Lehrstück mini|„Thematische Landkarte“ zum Barometer, handgezeichnet von Theodor Schulze Nachdem im Jahr 1995, herausgegeben von Hans Christoph Berg und Theodor Schulze, im Hauptwerk Lehrkunst. Lehrbuch der Didaktik. die ersten elf Lehrstücke vorgestellt waren, erschien zwei Jahre später unter identischer Herausgeberschaft der Band Lehrkunstwerkstatt I.s. Berg/Schulze (1997) In diesem werden drei weitere Lehrstücke deutlich ausführlicher dargestellt wurden als im Vorgängerband. Ueli Aeschlimann stellt das Barometerlehrstück vor; als Koautor wird Berg geführt, ferner wird Aeschlimanns Inszenierung insbesondere von Horst Rumpf kommentiert.
Aeschlimanns dokumentierte Inszenierung fand vor einer 10. Klasse des Berner Lehrerseminars statt. Rumpf zeigt sich verblüfft darüber, dass Aeschlimanns sokratisches Gespräch trotz der frühzeitigen andeutungsweisen Nennung der eigentlichen Kernerkenntnisse durch einige der Absolventen „noch ein so interessantes, vielgliedriges und lebendiges Unterrichts-Denken sozusagen ausgebrochen ist“.s. Rumpf in Berg/Schulze (1997) Heiner Ullrich, der im Jahr 2001 die Lehrkunstwerkstätten I–III für die renommierte Zeitschrift für Pädagogik rezensierte, stellt dort besonders heraus, dass Aeschlimann die Absolventen in sogenannten „Zwischenhalten“ durch protokollartige eigene Hefteinträge den jeweils momentanen Erkenntnisstand sichern lässt, wodurch der individuelle Lernprozess dokumentiert werde. Auch hebt er „bewundernswerte eigene Einfälle“ wie den Schlauchversuch hervor und attestiert dem Autor, „Ernst mit Wagenschein“ zu machen.vgl. Ullrich (2001), S. 611
Pascals Barometer wurde auch eines von drei dokumentierten Lehrstücken in Aeschlimanns zweiter Dissertation von 1999, für die, neben dem standardmäßigen Erstgutachter Berg, Wolfgang Klafki als Zweitgutachter gewonnen werden konnte.s. Aeschlimann (1999), S. 15–61
Erst ein gutes Jahrzehnt später, im Jahr 2013, wurde das Lehrstück wieder aufgegriffen und neuinszeniert, und zwar in der Zweitdissertation von Marc Eyer, ebenfalls Berner, die, nachdem sich Klafki altersbedingt ab etwa 2007 zurückgezogen hatte, dessen früheren Schüler Heinz Stübig als Zweitgutachter hatte. Eyers Inszenierung richtet sich an eine 9. Klasse des Gymnasiums Neufeld und weicht auch deshalb etwas von Aeschlimanns ab.s. Eyer (2013), S. 79–145 Noch vor Abschluss der Dissertation gaben Eyer und Aeschlimann, auf Initiative des Erstgenannten, ein gesondertes Buch zum Lehrstück heraus, das beide Varianten wie auch eine weitere an der Kantonsschule Solothurn durch Fabienne Freiburghaus dokumentiert, analysiert und vergleicht.s. Eyer/Aeschlimann (2013)
Weitere Inszenierungen sind nur in internen Skripten und grauen Publikationen dokumentiert. So entwickelte Björn Gemmer, einer der beiden Schulleiter des Landschulheims Steinmühle im Süden Marburgs, eine schulinterne eigene Variante für den Projektunterricht der 8. Klasse.vgl. Gemmer (2016)
Dramaturgie Pascals Barometer ist in der Hauptsache aus modifizierten historischen Versuchen des 17. Jahrhunderts aufgebaut, die durch aktuelle Beobachtungen ergänzt werden. Die Aufteilung in Akte ist bei Aeschlimann und Eyer auch intern nicht einheitlich bzw. wird auch zwischen den einzelnen Darstellungen modifiziert. Da der Fundus der Experimente in der Hauptsache immer der gleiche ist, werden die Fundamentalversuche nachfolgend in einer sinnvollen ReihenfolgeDie hier dargestellte Reihenfolge entspricht der des Abschnitts Das Lehrstück auf einer Doppelseite aus Eyer/Aeschlimann (2013), S. 12–13. abgehandelt, von der in Teilen auch abgewichen werden kann. Wichtig ist, dass Bierglas- und Wasserschlauchexperiment vornean gestellt werden und die Experimente von von Guericke und Boyle, die bereits eine Vakuumpumpe benötigen, am Ende stehen. Hauptquellen der nachfolgenden Unterabschnitte sind die Lehrkunstwerkstatt I, die Zweit-Dissertationen von Aeschlimann und Eyer sowie ihr gemeinsames Buch zum Lehrstück.Vgl. Aeschlimann in Berg/Schulze (1997), Aeschlimann (1999), Eyer (2013) sowie Eyer/Aeschlimann (2013).
Wagenscheins Bierglasexperiment mini|Aeschlimann (im Vordergrund) bei einer Vorführung des Bierglasexperiments Ende 1997 in Marburg; links Wolfgang Klafki, in der Mitte Hans Christoph Berg (Foto der Lehrkunstlerin Beate E. Nölle) Ganz am Anfang steht das aus dem Becken gezogene Bierglas, das auch unmittelbar die organisierende Sogfrage stellt: „Warum bleibt das Wasser im Glas und fließt nicht ins Becken?“ Idealerweise, aber auch real mehrfach in der Form geschehen, kristallisieren sich unter den Lernenden zwei mögliche Erklärungen heraus: Das Ausfließen des Wassers würde ein Vakuum erzeugen, was dem horror vacui widerspräche. Der Luftdruck hält die Wassersäule oben. Obwohl die zweite Erklärung zutrifft, widerspricht sie der Intuition: Im täglichen Leben spürt man nichts von der Schwere der Luft. Im sokratischen Gespräch muss nunmehr erörtert werden, welche weiteren Überlegungen und Experimente, welche der beiden Erklärungen stützen würden.
Ein unmittelbares Folgeexperimente ist etwa eine volle Apothekerflasche, deren Wasser von einer winzigen Petrischale gehalten wird. Die Erkenntnis, dass es nicht auf das Wasservolumen, sondern einzig auf die absolute Höhe der Wassersäule ankomme, da bei Verwendung einer Flasche mit kleinem Ausguss der Großteil des Wassers von den Gefäßwänden gehalten werde, kommt im Idealfalle in genetischer Weise von der Schülerseite. Die Frage, wie hoch die Wassersäule maximal werden könne, führt zu Bertis Versuch.
Bertis Wassersäulen und das Schlauchexperiment links|mini|hochkant=0.7|Gasparo Bertis Experiment (Kupferstich von Caspar Schott, 1664)s. Schott (1664) right|mini|hochkant=0.7|Das Schlauchexperiment am Landschulheim Steinmühle (2017) Gasparo Berti (ca. 1600–1643) hatte im Jahr 1641 in Rom die maximale Höhe einer Wassersäule demonstriert und gleichzeitig versucht, ein Vakuum herzustellen. Dazu verwendete er eine knapp 12 m hohe Konstruktion mit einem Bleirohr, oberhalb dessen eine gläserne Phiole luftdicht angebracht war und die nach unten in eine mit Wasser gefüllte Schüssel ragte. Gefüllt wurde von oben (C), während das Rohr unten (R) verschlossen war. Anschließend wurde oben verschlossen und der Hahn unten freigegeben. Das Wasser senkte sich auf eine Höhe von 18 Ellen (9,7 m), die zuvor bereits u. a. Galileo Galilei als maximale Ansaughöhe von Pumpen bekannt gewesen war.
Um zu beweisen, dass oberhalb der Wassersäule ein Vakuum entstehe, platzierte Berti auf Anregung von Athanasius Kircher ein magnetisch betriebenes Glöckchen (M) im Inneren der Phiole. Dieser Beweis misslang indes, da der Klang der Glocke klar vernehmbar war, was auf das Vorhandensein von Luft schließen ließ. Dies dürfte an einer verminderten Dichtigkeit der Konstruktion gelegen haben, die auf Dauer auch dazu führte, dass die Wassersäule sank.Eine Darstellung findet sich auch in Friedrich Jaegers Enzyklopädie der Neuzeit 13, Metzler, Stuttgart 2011; ISBN 978-3-476-02003-1 (Google Books).
Bertis Versuch lässt sich heute deutlich einfacher nachstellen. Hierzu wird ein 12 bis 15 m langer, durchsichtiger Schlauch ganz mit Wasser gefüllt, an der Oberseite verschlossen und diese dann in einem Treppenhaus nach oben transportiert, bis die Wassersäule bei etwa zehn Metern stehenbleibt – selbst wenn man das Schlauchende weiter anhebt. Damit erhält man ein Maß dafür, wie weit sich das Wasser in einem fiktiven, extralangen Bierglas maximal in die Höhe ziehen ließe. Unklar bleibt indes, ob oberhalb des Wassers ein Vakuum entsteht oder aber etwa Wasserdampf.
Chronologisch fand Bertis Versuch nach der Veröffentlichung von Galileis unten dargelegten Überlegungen statt, die für Berti auch Motivation gewesen waren.Siehe etwa History of the Barometer auf strange-loops.com Im Lehrstück folgt er jedoch unmittelbar auf das Bierglasexperiment, das er verallgemeinert.
Galileis begrenzte Kraft des Vakuums Galileo Galilei (1564–1642) hatte im Jahr 1633 (bzw. 1638)Im Jahr 1633 hatte Galilei das Buch verfasst, es wurde jedoch aufgrund seines Hausarrestes zunächst nicht publiziert; 1635 erschien in Straßburg eine lateinische Übersetzung und erst 1638 folgte die italienische Version. das Buch Discorsi e Dimostrazioni Matematiche intorno a due nuove scienze verfasst. Er war zu diesem Zeitpunkt kein Vertreter der Luftdrucktheorie, zweifelte jedoch auch die Theorie des horror vacui an. Vielmehr glaubte er daran, dass eine feste Kraft existiere, mithilfe der man ein Vakuum erzeugen könne. Als Versuchsaufbau schlug er einen mit Wasser gefüllten Zylinder vor, der durch einen Kolben verschlossen werde, nachdem alle Luft herausgelassen sei. Drehe man den Zylinder nunmehr um, so könne man durch an den Kolben angehängte Gewichte die „Kraft des Vakuums“ messen.vgl. Galilei (1633), S. 14–15 bzw. Aeschlimann (1999), S. 59–60 nebst Skizze
Die Kraft des Vakuums lässt sich auch mit einfacheren Methoden messen. So kann man an einer Plastikspritze, deren Ende zugehalten wird, mit einer Federwaage ermitteln, welche Kraft notwendig ist, um den Kolben herauszuziehen. Diese Kraft ist offenbar proportional zur Bohrung, d. h. zur Querschnittsfläche der Spritze. Torricellis Barometer und der Schweredruck mini|hochkant=0.5|Funktionsweise des Quecksilberbarometers Evangelista Torricelli (1608–1647) war ein Schüler Galileis. Im Jahr 1643 baute er Bertis Wassersäulenversuch mit dem 13–14 mal schwereren Quecksilber nach, womit er insbesondere das Barometer erfand. Es stellte sich heraus, dass die maximale Höhe der Quecksilbersäule bei Normaldruck etwa 760 mm, also den dreizehnten bis vierzehnten Teil von 10 m, beträgt.