Inleiding door Prof. Dr. J.T. Devreese

“De Natuur gebruikt enkel de langste draden om haar patronen te weven, ieder klein stukje van haar weefsel openbaart de organisatie van het ganse tapijt.” (Richard Feynman, 1963)

De aantrekkelijke en hersenprikkelende experimenteerkoffer aangeboden door Wim Peeters, Joris Dirckx en Dirk Van Dyck, deed me denken aan onze natuurkunde-lessen in het secundair onderwijs.

Onze leraar natuurkunde, die ook wiskunde en scheikunde onderwees, was zo overbelast met leer- en andere opdrachten, dat hij de natuurkunde - proeven wel tijdens de les moest opstellen. De les begon met het verzamelen van de “benodigdheden “ uit de grote en geheimzinnige glazen kasten die de wanden van het fysicalokaal bekleedden. De bekerglazen, de poreuze potten, de glazen buisjes, de rubberslangen, de klemmen…of een batterij, koperen of ijzeren geleidende draden met deze of gene diameter, gloeilampjes, een ampèremeter, een voltmeter, klemmen,… werden te voorschijn gehaald terwijl de leraar commentaar gaf of een vraag stelde: “wat kunnen we meten met dit instrument?”. Het geheim dat we vandaag zouden ontsluieren kwam, naarmate de opbouw van de opstelling vorderde – in voortdurende interactie tussen leraar en leerlingen – gaandeweg of plots aan het licht. Het was een thriller. Dikwijls volgde de ontknoping slechts helemaal aan het einde van de les.
Onvergetelijk was de proef over de voortplanting van de druk in vloeistoffen en gassen waarvoor onze leraar een complexe opstelling had bedacht. U-vormige buizen, glazen vaten, zuigers, manometers, plastiekkorreltjes, gekleurde vloeistoffen,…werden aangevoerd. Samen met het interactieve opbouwproces van de apparatuur kregen we voorbereidende uitleg met de inzichten van Archimedes, Stevin, Pascal en Gay-Lussac die hier aan de orde waren. Nadat de suspense was opgebouwd culmineerde de ganse opbouw in de uitspraak: “wanneer ik nu dit kraantje open, zal het vloeistofniveau in deze arm van deze U-buis stijgen”. Waarop het kraantje plechtig werd opengedraaid en het aangeduide vloeistofniveau… daalde. De reactie van de leraar was een les over wat een van de basiskenmerken van de wetenschappelijke methode is. Hij vroeg: “waar heb ik verkeerd geredeneerd? ”. Een vraag die, uit de mond van een leraar, in vele andere lessen ondenkbaar was. We voelden aan dat het zorgvuldig gecontroleerd proefondervindelijk resultaat onaantastbaar is. De rest van de les werd gewijd aan het interactief zoeken naar de oplossing van ons dilemma. Op de speelplaats sprak weldra de ganse school over onze fysica - proef.
Tijdens deze interactieve natuurkunde - sessies werden we betrokken bij het creatief samenspel van inductief en deductief redeneren dat de natuurwetenschappelijke methode is.
Bij talrijke verschijnselen en wetmatigheden werd onze nieuwsgierigheid en fascinatie rechtstreeks opgewekt. Er was de proef met de loden bel met loden klepel die een dof ratelend geluid voortbracht. Nadat de leraar deze bel zowat een minuut had ondergedompeld in vloeibare stikstof, hoorden we plots een mooie heldere klank. Verwondering alom! We wilden weten hoe dit mogelijk was. De demonstratie van de absorptie-lijnspectra van gassen van waterstof, helium, e.a. en de confrontatie ervan met het absorptiespectrum van de zon was een ander onvergetelijk moment. De grootste fascinatie ontstond toen de leraar ons de wetten van Kepler had uitgelegd en hoe die leidden tot de universele gravitatiewet. Daarop vulden we de speelplaats met schetsen van allerlei ellipsvormige banen, perken en enkele bijhorende formules. Kepler hield ons werkelijk in de ban. Hij was voor ons “The Lord of the (elliptic) Rings”.

Het is opvallend hoe het thema van de fascinatie over fysische verschijnselen en hun - soms contra-intuïtieve - verklaring, dat zo prominent aanwezig was bij onze fysica – sessies, ook het Leitmotiv is van de fysica- experimenteerkoffer van Peeters-Dirckx-Van Dyck. Het thema “verwondering” hebben de initiatiefnemers terecht verbonden aan de lijfspreuk van Simon Stevin: “Wonder en is gheen wonder”. Stevin plaatste deze spreuk in het embleem rond zijn beroemde bewijs, dat de basis vormt voor de algemene samenstellingswet van krachten en hij gebruikte zijn spreuk ook als merkteken bij zijn talrijke octrooien. Stevin bedoelt met zijn devies dat de natuurverschijnselen, die ons aanvankelijk verwonderen en die als ongelooflijk voorkomen, na wetenschappelijke analyse niet langer verwonderlijk zouden zijn. Ongetwijfeld kan men Stevins devies aanvullen, zoals zijn zoon Hendrik Stevin deed, met “en gheen wonder is wonder”. “Wonder en is gheen wonder” verwijst mede naar de fascinatie over- en het boeiend karakter van de natuurverschijnselen dat student, leraar en navorser zo tot de fysica aantrekt.

Stevin is een uitmuntend ankerpunt voor deze experimenteerkoffer omdat hij een der eersten is die de moderne natuurwetenschappelijke methode heeft omschreven én toegepast. In een essay uit 1608, getiteld “Vant Menghen van Spiegheling en Daet”, stelt Stevin dat theorie (“spiegheling”) en praxis / experiment (“daet”) hand in hand moeten gaan. In zijn werk over statica en hydrostatica zien we de voortdurende symbiose van axiomatische theorie enerzijds, waarneming en experiment anderzijds. De natuurwetenschappelijke methode kwam pas vanaf de 16e eeuw tot ontwikkeling, in de werken van speciaal Copernicus, Stevin, Gilbert, Kepler en Galileo om te culmineren in het werk van Newton en Huygens.

Stevin ontdekte (in 1586) de hydrostatische paradox, die hij theoretisch afleidde en met experimenten onderbouwde. Hij was eveneens de eerste die de kracht berekende die een vloeistof uitoefent op de wand (ook een schuine wand-) van een vat en hij ontdekte het principe van de hydraulische pers. De gelijkmatige voortplanting van de druk in een vloeistof werd ontdekt door Pascal (“wet van Pascal”) , en –het is overbekend – de opwaartse kracht die inwerkt op een massa in een vloeistof was al gevonden door Archimedes. Enkele van de basisproeven van de experimenteerkoffer (“Speld van de bodem halen”, “De vreemde beker”, “Het kantelend cylindertje”, “Evenwicht kom”) zijn illustraties uit de hydrostatica die verwijzen naar de evolutie via Archimedes – Stevin – Pascal – Huygens. Naast de intrinsiek prachtige natuurverschijnselen die de experimenteerkoffer hierbij aanbiedt, -denk aan het verrassingselement van Stevins hydrostatische paradox- is het van betekenis dat de studie van de hydrostatica, samen met de mechanica, historisch eveneens aan de basis ligt van de wetenschappelijke methode. In de experimenteerkoffer vinden we enkele uiterst intrigerende mechanica-proeven: “Fles met zand opheffen”,”Onwillige fles”, “Doorslaggevend deel”, “Auto op schuine helling”,”Het waggelwiel”.

Het geval van de hydrostatica illustreert ook sommige sociologische kanten van de wetenschap: de toewijzing van wetten en formules is niet steeds aan de echte ontdekker. Zo wordt Stevins hydrostatische paradox (grondig door hem beschreven en aangetoond in 1586) dikwijls toegedicht aan Pascal, die in 1620 werd geboren. Verschillende klassieke hydrostatica-leslokaalproefjes waaraan de naam Pascal wordt geassocieerd, zijn in werkelijkheid door Stevin bedacht en werden door hem adequaat beschreven in 1586. In ‘Wonder en is gheen wonder.-de geniale wereld van Simon Stevin- ”, beschrijven de auteurs de relatieve bijdragen van o.a. Archimedes, Stevin, Pascal en Huygens tot de hydrostatica.

De associatie van deze experimenteerkoffer met Stevin is ook gelukkig omdat Stevin een begenadigd didacticus was, terwijl ook de koffer vol didactische hoogstandjes zit. Men spreekt van de “zichtbare taal” en de ‘visuele didactiek” van Stevin. Nieuwe informatie kan enkel door de geest van de leerling worden gevat en geabsorbeerd, indien ze in verband kan worden gebracht met andere informatie die al aanwezig is in hun ervaring. Dit didactisch principe wordt knap gerealiseerd in de experimenteerkoffer door de keuze van de experimenten, die zowel rechtstreeks en onmiddellijk toegankelijk als veelal verrassend, mentaal provocerend en dan weer subtiel zijn. Het spiegelkwartet, het draaiende water, de schaduwring zijn mooie voorbeelden van eenvoudig te realiseren natuurverschijnselen die niettemin om een subtiele verklaring vragen.

Met hun initiatief en hun opbouw van deze experimenteerkoffer sluiten Peeters-Dirckx-Van Dyck aan - met eigen origineel accent - bij de traditie geschapen door geleerden zoals bijvoorbeeld Faraday (met zijn “Christmass Lectures”) en Minnaert (met de onvolprezen; “de natuurkunde van ’t vrije veld”) om studenten en publiek te boeien met “alledaagse” maar toch verrassende verschijnselen en proeven (een hoogtepunt zijn Faradays zes lezingen over de kaars), die ze zelf kunnen waarnemen of opstellen, en waarvoor stap na stap een verfijnde, subtiele verklaring kan worden gevonden..

De experimenteerkoffer van Peeters-Dirckx-Van Dyck zal zowel de leraar als de leerling meeslepen in een avontuurlijke zoektocht, waarbij ze iedere stap, ieder element van de opstelling en van de verklaring –experiment/theorie – van een boeiend natuurverschijnsel voor zichzelf ontdekken.. Ik wens de leraars en de leerlingen veel “Aha”-momenten toe op deze zoektocht.

En ik wens mijn collegae natuurkundigen, Wim Peeters, Joris Dirickx en Dirk Van Dyck van harte geluk met dit schitterend initiatief!

Jos Devreese
Gewoon hoogleraar, em.
Universiteit Antwerpen en Technische Universiteit Eindhoven.

Referenties:
- M. Minnaert, De Natuurkunde van 't Vrije Veld 1, 2 en 3, vijfde druk (W.J. Thieme & Cie, Zutphen, 1974)
- Jozef T. Devreese en Guido Vanden Berghe, Wonder en is gheen wonder. – De geniale wereld van Smon Stevin. Davidsfonds Leuven, (2003). ISBN 90 – 5826 –174-3
- The Faraday Christmas Lectures. Zie bijvoorbeeld: http://www.woodrow.org/teachers/chemistry/institutes/faraday/