Was ist Physik?

Was ist Physik? Übung

• Beschreibe, was Physik ist.

  Tipps

  Welche Fragen versucht die Physik zu beantworten?

  Lösung

  Die Physik beschäftigt sich wie die anderen Naturwissenschaften auch mit der Natur, die uns umgibt. Dabei sucht sie Antworten in Form von Naturgesetzen sowohl im mikroskopischen Bereich (siehe nebenstehende Abbildung des Bohr'schen Atommodells) als auch in den fast unendlichen Weiten unseres Universums (siehe obige Abbildung).

  Die Erscheinungen und Phänomene der Umwelt haben Menschen schon immer gefesselt. Ihr Erforschung und ihr Verständnis haben der Menschheit Schritt für Schritt das Überleben gesichert und die Lebensweisen verändert. Aufgrund der Fülle von Naturerscheinungen haben sich im Laufe der letzten Jahrhunderte mehrere Zweige in den Naturwissenschaften herausgebildet, die aber nach wie vor eng miteinander verbunden sind. Die Biologie beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit den Lebewesen unserer Umwelt, die Chemie mit den Stoffen, aus denen unsere Umwelt besteht.

• Gib an, wie durch das Zusammenspiel von Experimentalphysik und Theoretischer Physik Erkenntnisse zur Schwerkraft gewonnen wurden.

  Tipps

  Mit welcher fundamentalen Beobachtung begannen die Überlegungen zur Schwerkraft?

  Welcher bedeutende Physiker hat die physikalischen Überlegungen zur Schwerkraft angestoßen?

  Die Schritte wechseln beständig zwischen Experimentalphysik und Theoretischer Physik.

  Lösung

  Seit Anbeginn der Menschheit besteht eine fundamentale Erfahrung darin, dass alle Objekte in unserer Umgebung nach unten fallen.

  Durch die theoretischen Überlegungen des Physikers Isaac Newton (siehe Abbildung) konnte diese Erscheinung durch ein grundlegendes Naturgesetz, das Wirken einer Schwerkraft zwischen allen Körpern mit Masse, zurückgeführt und verallgemeinert werden. Dessen mathematische Formulierung lautet: $F_G=-G\frac {m_1\cdot m_2} {r^2}$.

  Die Gravitationskonstante $G$ wurde dabei von Newton als mathematisches Hilfsmittel (Proportionalitätsfaktor) eingeführt. Es war der Experimentalphysiker Henry Cavendish, der dieser Konstante mit Hilfe der Torsionswaage einen realen Wert zuordnetet.

  Mit Hilfe dieser Konstante konnten im weiteren Verlauf die theoretischen Physiker Berechnungen im astronomischen Maßstab anstellen und stießen dabei zufällig auf eine Unregelmäßigkeit zwischen berechneten und experimentell bestimmten Daten bei der Bewegung weit entfernter Massen. Dies lies sie zu dem Schluss kommen, dass es im Universum weitere, nicht sichtbare Massen geben muss. Diese bezeichneten sie als Dunkle Materie.

  Die Existenz (oder Nichtexistenz) der Dunklen Materie nachzuweisen, ist dann wiederum Aufgabe der Experimentalphysiker. Der Kreislauf zwischen Experimentalphysik und Theoretischer Physik generiert somit immer weitere Naturgesetze.

• Grenze Experimentalphysik und Theoretische Physik am folgenden Beispiel voneinander ab.

  Tipps

  Welche Schritte kennst du vom Experimentieren?

  Wo spielt hingegen das Mathematisieren, also Theoretisieren, die zentrale Rolle?

  Lösung

  Experimentalphysik und Theoretische Physik sind eng miteinander verzahnt.

  In den Bereich der Experimentalphysik gehören jedoch viele Schritte, die du auch vom Experimentieren im Physikunterricht oder in anderen Fächern kennst. Meist beginnt ein Versuch oder eine Versuchsreihe mit einer Idee, einer Fragestellung, die untersucht werden soll. Diese kann sich beispielsweise aus der Theoretischen Physik ableiten.

  Dann wird ein Versuch oder eine Versuchsreihe geplant, vorbereitet, durchgeführt und dabei die Messwerte aufgenommen. All dies sind Schritte der Experimentellen Physik. Aber auch das Auswerten der Daten in Bezug auf mögliche Zusammenhänge, zum Beispiel in Diagrammform (siehe Abbildung), gehört zur Experimentalphysik dazu. Und eine Fehlerbetrachtung.

  All diese Schritte kannst du bei einfachen Experimenten in kurzer Zeit durchführen. Aber physikalische Experimente können deutlich komplexer und aufwendiger sein, denkt man zum Beispiel an die riesigen Teilchenbeschleuniger. Ein Versuch oder eine Versuchsreihe an Schraubenfedern liefert das Ergebnis, das die auslenkende Kraft F proportional zur Auslenkung x der Feder(n) ist (linear-elastische Verformung).

  Aus vielen solchen Untersuchungen erstellt dann die Theoretische Physik mathematisierte Modelle, um das Dehnungsverhalten linear-elastisch verformter Körper zu beschreiben. Im Fall von Metallen und anderen starren Körpern entwickelten sie dabei unter anderem das Hook'sche Gesetz $F=D\cdot x$.

• Analysiere die historischen Anfänge der Physik zum Aufbau der Materie.

  Tipps

  Wieder kannst du einen Wechsel zwischen Experimentalphysik und Theoretischer Physik beobachten.

  Lösung

  In der Geschichte der Vorstellungen zum Aufbau der Materie lässt sich das Zusammenspiel von Experimentalphysik und Theoretischer Physik gut nachvollziehen.

  Untersuchungen der Experimentalphysik widerlegten immer wieder die vorherrschende Theorie zum Aufbau der Materie und später zum Aufbau der Atome. Als Reaktion darauf musste die Theorie verändert werden, um jeweils mit Hilfe eines neuen Atommodells die beobachteten Ergebnisse erklären zu können.

  So dringt die Physik immer weiter Schritt für Schritt in die Frage ein, woraus die Materie besteht. Auch das Rutherfordsche Atommodell wurde auf Grund neuer experimenteller Erkenntnisse abgelöst...und so geht die Geschichte bis in die Gegenwart weiter.

• Beschreibe die beiden grundlegenden Bereiche der Physik und ihre Wechselwirkung.

  Tipps

  Achte auf die korrekte Fachsprache.

  Wofür steht jeder der beiden Bereiche in der Physik?

  Wie beeinflussen sich die beiden Bereiche gegenseitig?

  Lösung

  Die Physik wird grob in die beiden Bereiche Experimentalphysik und Theoretische Physik eingeteilt.

  In der Experimentalphysik werden durch das empirische Sammeln von Daten Erkenntnisse über physikalische Vorgänge generiert. Dazu dient als zentrales Element das Experiment. Dieses kann man sich wie eine Frage an die Natur vorstellen. Als Antwort erhält man einen Satz an Daten, aus dem man zentralen Erkenntnisse über den analysierten Vorgang ableiten kann.

  Diese Erkenntnisse dienen der Theoretischen Physik als Grundlage. Dort werden vermutete oder entdeckte Naturgesetze mit Hilfe dieser Daten mathematisch formuliert. Dies geschieht durch Modellierung und das Auffinden mathematischer Zusammenhänge zwischen den beteiligten Größen.

  Dieser Kreislauf zwischen den beiden Bereichen setzt sich beständig fort und führt einerseits zur Formulierung weiterer Naturgesetze. Er dient aber auch der gegenseitigen Kontrolle. Theorien müssen sich experimentell bewähren, sowie Experimentieren ohne einen theoretischen Hintergrund wenig zielführend ist.

• Erkläre, wie eine Theorie in der Physik widerlegt werden kann.

  Tipps

  Wie entstanden beispielsweise die neuen Atommodelle?

  Lösung

  Physikalische Theorien in der Physik sind im Allgemeinen gut durch Experimente untermauert und beruhen auf der Arbeit vieler Wissenschaftler. Dennoch sind sie keineswegs allgemeingültig.

  Oft reicht ein Schlüsselversuch, der beispielsweise durch neue experimentelle Möglichkeiten durchgeführt werden kann, um allgemeingültige Ansichten revidieren zu müssen.

  Dennoch ist es sehr unwahrscheinlich, dass fundierte und umfassende Theorien in der Physik tatsächlich widerlegt werden müssen. Möglich ist es jedoch, und dafür reicht bereits ein Gegenbeweis in Form eines Experimentes aus.