Mathematische Auswertung

Aufgabenstellungen in der Physik

Hausaufgaben oder Klassenarbeiten in Physik umfassen fast immer das Lösen von Aufgaben. Darin gleicht die Schulphysik sogar den Prüfungen im Physikstudium an einer Universität. Natürlich sind Prüfungen an der Universität inhaltlich deutlich schwieriger als in der Schule, aber konzeptionell sind sie sehr ähnlich.

Meist ist ein physikalisches Problem gegeben, das du lösen sollst. In der Schule könnte das in etwa bedeuten, die Geschwindigkeit einer Kugel zu berechnen, die eine schiefe Ebene herunterrollt. Oder aber du sollst die Stromstärke in einem gegebenen Stromkreis berechnen. Im Physikstudium besteht eine Aufgabe möglicherweise darin, einen Wirkungsquerschnitt für die Streuung eines Elektrons an einem Photon zu bestimmen. Doch egal wie kompliziert die Aufgabe sein sollte, du kannst sie stark vereinfachen, wenn du nach den Methoden des physikalischen Rechnens vorgehst.

Über das Lösen von Physikaufgaben

Wenn du ein physikalisches Problem lösen möchtest, benötigst du dafür nicht nur Kenntnisse über die zugrunde liegenden physikalischen Phänomene, sondern auch das mathematische Know-How. Die Mathematik ist die Sprache und Grammatik der Physik, also ein notwendiges Werkzeug. Daher ist es wichtig, nicht nur im Physikunterricht gut aufzupassen, sondern auch im Mathematikunterricht.

Das Lösen einer physikalischen Aufgabenstellung ähnelt sehr dem Vorgehen bei einer mathematischen Textaufgabe. Schließlich dreht es sich in beiden Fällen darum, methodisches Wissen auf einen mehr oder weniger alltäglichen Sachzusammenhang anzuwenden. Im Mathematikunterricht lernst du die notwendigen Methoden, etwa Gleichungen aufzustellen und umzustellen, Funktionen und Ableitungen, Wahrscheinlichkeitsrechnung und vieles mehr. In einer Textaufgabe ist es dann deine Aufgabe, genau die gelernten Methoden zu identifizieren und anzuwenden, die du zum Lösen der Aufgabe brauchst.

In der Physik kommt erschwerend hinzu, dass du viele Formeln und Einheiten kennen musst. Tückisch ist dabei, dass es zu ein und demselben Thema verschiedene Formeln gibt: Für das elektrische Feld gibt es beispielsweise unterschiedliche Formeln, je nachdem, ob es sich um einen Kondensator oder eine Punktladung handelt. Einheiten können mit verschiedenen Präfixen (Kilo, Mega, Giga, Zenti, Milli etc.) auftreten, die du ineinander umrechnen musst.

Beim Lösen von Physikaufgaben ist es entscheidend, die gesuchten und gegebenen Größen zu bestimmen, die richtigen Formeln zu identifizieren und mit den richtigen Einheiten zu rechnen. Hast du dir dann deinen Ansatz mit den entsprechenden Formeln aufgestellt, musst du nach der gesuchten Größe auflösen. Dazu benötigst du alles, was du im Mathematikunterricht gelernt hast: Den Begriff einer Variable, Äquivalenzumformungen, Gleichungssysteme, Wurzeln, Logarithmen und Exponentialfunktionen etc.

Bei der mathematischen Auswertung ist es empfehlenswert, zunächst sämtliche Variablen stehen zu lassen und erst, wenn in der Gleichung nur noch eine unbekannte Variable vorkommt, die entsprechenden Zahlenwerte einzusetzen. So vermeidest du unnötige Fehler wie Rundungsfehler und auch Schreibarbeit.

Wenn du es irgendwann sogar bis zur Forschung in der theoretischen Physik schaffst, gibt es meistens noch keine Formeln, die ein Problem lösen. Dann liegt es an dir, einen mathematischen Mechanismus und Formeln selbst aufzustellen und zu entwickeln, die die letzen offenen Fragen beantworten können.