Einleitung

Die Teilbereiche der Physik

Die Physik kann ihrerseits in weitere Teilbereiche untergliedert werden. Hierbei unterscheidet man für gewöhnlich die “klassische” Physik (Mechanik, Akustik, Optik und Wärmelehre) von der “modernen” Physik. Letztere ist meist mit großem theoretischem und experimentellem Aufwand verbunden, so dass sie im Rahmen dieses Lehrbuchs nur knapp behandelt werden kann.

Die Teilbereiche der Physik
Klassische Physik: Beobachtungen sind direkt mit menschlichen Sinnen möglich
  Manche Vorgänge sind trotz alltäglichen Erfahrungen nicht direkt mit menschlichen Sinnen wahrnehmbar.
Moderne Physik: Direkte Beobachtungen von Vorgängen sind mit menschlichen Sinnen unmöglich. Teilweise sind sehr aufwendige Experimente nötig.

Physikalisches Experimentieren

Um naturwissenschaftliche Zusammenhänge “mit allen Sinnen” erfahren zu können, lassen sich zu vielen Themen gezielt Experimente durchführen. Versuche, die unter gleichen Bedingungen stets gleiche Ergebnisse liefern, bilden die Basis für das Formulieren von Gesetzmäßigkeiten und für technische Anwendungen.

In vielen Fällen laufen Experimente nach folgendem Schema ab:

  • Beobachten:

    Aus unseren alltäglichen Erfahrungen haben wir eine Vorstellung von Naturerscheinungen.

    Beispiele:

    Ein Regenbogen, ein Gewitter, das Gefrieren und Schmelzen von Wasser, das Schwimmen von Holz in Wasser, das Tönen einer Glocke, das Fallen eines Körpers... all diese Vorgänge wiederholen sich unter gleichen Bedingungen immer wieder auf die gleiche Art und Weise.

    Was passiert allerdings, wenn sich einige Bedingungen ändern?

  • Fragen:

    Wie entsteht ein Blitz? Warum kommt ein in die Höhe geworfener Stein auf die Erde zurück? Wie funktioniert eine Glühbirne, ein Auto, oder ein Fernseher?

    Wie bei einem Puzzle lassen sich viele Antworten leicht(er) finden, wenn das Wissen um die einzelnen “Bausteine” und ihrer Zusammensetzung vorhanden ist.

  • Experimentieren:

    Mit Versuchen lassen sich einzelne Zusammenhänge in einer geeigneten Umgebung gezielt untersuchen. Während eines Versuchs wird sorgfältig beobachtet, gemessen und protokolliert. Die Ergebnisse eines Experiments können dann die eigene Vermutung bestätigen oder widerlegen.

    In der Physik werden Zustandsänderungen von Körpern untersucht, in der Chemie Stoffänderungen.

  • Naturgesetz(e) formulieren:

    Lassen sich physikalische Vorgänge unter gleichen Bedingungen zu jeder Zeit wiederholen, so lassen sich nach Auswertung der Ergebnisse allgemein gültige Aussagen folgender Art formulieren:

    “Falls diese und jene Bedingung gegeben ist, dann wird diese und jene Wirkung eintreten!”

Die Darstellung physikalischer Gesetze (Ursache und Wirkung) kann in Worten oder in mathematischer Form erfolgen. Eine Darstellung in mathematischer Form ist oft aussagekräftiger, erfordert allerdings eine Messbarkeit der entsprechenden Größen.

Größen und Einheiten

Messgrößen und Maßeinheiten

Maßeinheiten spielen in der Physik eine wichtige Rolle:

  • Jede physikalische Größe entspricht einer messbaren Eigenschaft eines Gegenstands oder Zustands, beispielsweise Länge, Masse, Zeit, Geschwindigkeit, Energie, Temperatur usw.
  • Jede physikalische Größe setzt sich aus einem Zahlenwert und einer Maßeinheit zusammen:

\boxed{\text{Physikalische Größe = Zahlenwert} \cdot \mathrm{Einheit}}

Durch Verwendung von klar festgelegten Maßeinheiten lassen sich Messergebnisse auch zu einer anderen Zeit, an einem anderen Ort und/oder in einer anderen Sprache nachvollziehen und vergleichen.

Messfehler

Physikalische Messungen erfolgen durch ein Vergleichen der zu messenden Größe mit einer in der entsprechenden Einheit geeichten Skala (Meterstab, Waage, Thermometer, Volt- und Amperemeter, usw). Häufig finden inzwischen elektrische Messverfahren Anwendung, welche die Messergebnisse mittels digitaler Anzeigen einfach ablesbar machen.

Dennoch muss man stets beachten, dass die ermittelten Messwerte fehlerhaft sein können. Dabei unterscheidet man zwischen systematischen und zufälligen Messfehlern:

  • Systematische Fehler ergeben sich aus einer falsch eingestellten Messapparatur. Ist beispielsweise ein Thermometer falsch kalibriert, so weicht die angezeigte Temperatur unweigerlich von der tatsächlichen Temperatur ab.
  • Zufällige Fehler lassen sich auf Schwankungen der zu messenden Größe bei punktuellen Messungen mit Messfühlern, Messverzögerungen und insbesondere bei nicht-digitalen Anzeigen auf Ablese-Ungenauigkeiten zurückführen.

Während systematische Fehler bei jeder Messung erneut auftreten, können zufällige Fehler durch wiederholte Messungen und mathematische Methoden eingegrenzt werden.

Skalare und vektorielle Größen

Manche physikalische Größen, beispielsweise Masse und Temperatur, haben keine räumliche Vorzugsrichtung, d.h. ihre Wirkung ist in allen Richtungen des Raumes gleich. Durch die Angabe eines Zahlenwerts und der zugehörigen Maßeinheit werden solche so genannten “skalaren” Größen hinreichend beschrieben.

Andere physikalische Größen, beispielsweise Kraft und Geschwindigkeit, besitzen stets eine eindeutige Richtung im Raum. In Zeichnungen werden derartige Größen durch Pfeile (Vektoren), in physikalischen Formeln durch einen kleinen Pfeil über dem Formelsymbol dargestellt. Im dreidimensionalen Raum sind letztlich auch drei Zahlenwerte und die zugehörige Maßeinheit nötig, um die physikalische Wirkung dieser so genannten “vektoriellen” Größen in die jeweiligen Raumrichtungen hinreichend zu beschreiben.