Was ist Physik? Allgemeine Einführung in das

Was ist Physik?
Allgemeine Einführung in das
naturwissenschaftliche Fach
1. Stellung und Bedeutung der Physik
wörtlich (übersetzt): Ursprung, Naturordnung, das Geschaffene
 Aristoteles 384 – 324 v. Chr.
 Folie 1
Hauptziel:
Erforschung und Verstehen der grundlegenden Naturgesetze, auf denen alle bekannten
physikalischen Phänomene/Erscheinungen beruhen
Fundament der Technik:
Rein praktisch sind alle technischen Errungenschaften Anwendungen der Physik
Historisches:
 Die griechische Naturphilosophie war der Beginn naturwissenschaftlichen Denkens, der
Start zur Entmythologisierung der Natur.
 Die Natur ist ein sehr komplizierter und zugleich komplexer Mechanismus, den man aber
prinzipiell begreifen kann.
 Es existieren Gesetzmäßigkeiten anstatt undurchschaubares Wissen von Göttern und
Dämonen.
 Die Geschichte der Physik zeigt eine ständige Verbesserung des Verständnisses auf. Jede
neue Stufe führt zu einer Vereinfachung und Verringerung der Zahl der Grundgesetzte
und Theorien.
Seit geraumer Zeit findet eine „Physikalisierung“ anderer Wissenschaftszweige statt.
Bsp.: Chemie
Biologie
=
=
Physik der Atomhülle
Komplex chemischer Reaktionen
Chemie der Eiweise
Der gegenwärtige Höhenflug der biologischen Wissenschaften, die Entwicklung der
Biotechnologie beruhen wesentlich auf der Anwendung physikalischer Methoden, wobei man
bisher noch nicht versteht, wie Leben entsteht, was es genau ist, wie es anfängt und aufhört.
Jede physikalische Aussage kann überprüft werden durch Wiederholung eines bestehenden
Experiments oder durch Hinterfragung einer aufgestellten Hypothese oder Theorie.
Die Physik macht aus der Naturbeobachtung Aussagen und trifft Schlussfolgerungen über
Dinge, die nicht einmalig sind, also nicht nur einmal auftreten.
 Folie 2
Eine ganz wesentliche Errungenschaft physikalischen Vorgehens ist das gezielte Experiment
als gezielte Anfrage an bestimmte Aspekte der Natur unter Ausschluss strömender Effekte. Es
erfolgt eine Modellbildung zur Vereinfachung und Abstraktion.
Mit dem Experiment sehr eng verknüpft sind zwei wesentliche weitere Komplexe:
1. Physische Größen, Maßsysteme, Maßeinheiten, Messungen, Messfehler
2. Physische Modelle, Hypothesen, Theorien, Mathematisierung
Physikalische Beobachtungen müssen quantitativ sein, d.h. in Maß und Zahl angegeben sein.
Nur dann sind sie jederzeit nachprüfbar.
Alle Beobachtungen müssen auf Messungen beruhen.
Bsp.: Es reicht nicht zu sagen: „Das Wasser ist warm“.
Man muss die Temperatur mit einem Thermometer messen.
 Folie 3
Unsere Sinnesorgane sind empfindlich für Vergleiche. Sie können aber nicht zum absoluten
Messen verwendet werden. Darüber hinaus lassen sich unsere Sinnesorgane täuschen.
2. Rolle des Experimentes, Messen, Maßsysteme
Das Wesen eines Experimentes ist die Messung, der unmittelbare Vergleich zweier Größen
Bsp.: Die physikalische Größe „Länge“ hat die Maßeinheit Meter m. Um eine
gegebene Länge oder Distanz zu ermitteln, wird diese mit der Messlänge (Maßeinheit)
verglichen.
Zollstock: „Die Distanz beträgt x, yz m“
Maßeinheiten werden durch Normale oder Standards definiert. Messgeräte müssen
regelmäßig an diesen Normalen geeicht, kalibriert, überprüft, verglichen werden.
Normale = f (Entwicklungsstand von Wissenschaft und Technik)
f (Güte und Genauigkeit der möglichen Messtechnik)
 Folie 3: Skizze
Erdquadrant
Skala
1m
 Definition: 1 m : Strecke, die Licht im Vakuum in
1
s zurückgelegt.
299.792.458
Damit ist c0 als Vakuumlichtgeschwindigkeit keine Messgröße mehr und beträgt
definitionsgemäß
m
!
299.792.458
s
 Definition der s: über die Periodendauer eines bestimmten Überganges des 133Cs-Atoms

Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes,
des 9.192631.770-fache
 Definition des kg: Paris 1kg-Pt-Ir-Zyl.
früher: 1 dm³ H2O bei 4°C
angestrebt: Übergang zu Si-Einkristallkugel mit definierten Atomzahlen
Anschluss an Längenmaß und atomaren Einheiten
Die 7 Grundgrößen des SI-Systems
G
=
Physikalische Größe =
G x G
Maßzahl
x
Maßeinheit
Länge
l
=
Meter m
Zeit
t
=
Sekunde s
=
Kilogramm kg
Kinematik K
Masse m
Elektr. Stromstärke I
=
Temperatur
T
=
Kelvin K
Stoffmenge
n
=
Mol mol
Lichtstärke
L
=
Candela cd
Mechanik
Ampere A
ED
TD
Photometrie
Bis hierher am 15. Oktober 2015
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 Alle anderen physikalischen Größen sind abgeleitete Größen. Oft wird abgeleiteten
Maßeinheiten ein eigener Name verliehen:
Bsp.: (N, J, W,…)
Eine „Dimensionsanalyse“ erlaubt die Überprüfung der Richtigkeit beliebig komplizierter
Formeln.
Links und rechts des Gleichheitszeichens muss die gleiche Dimension stehen.
Der Messprozess wird wesentlich durch zwei Begriffe charakterisiert:
o Messgenauigkeit
Wie groß ist der maximale Messfehler?
o Reproduzierbarkeit
Liefert die Wiederholung der Messung zu einer
anderen Zeit oderunter anderen Bedingungen ein gleiches Ergebnis?
 Physikalisches Praktikum
3. Physische Modelle, Hypothesen, Theorien, Rolle der Mathematik
Experimente sind meist so gestaltet, dass bestimmte Einflüsse deutlich messbar sind, störende
Einflüsse hingegen ausgeschaltet oder weitestgehend unterdrückt werden und die gewünschte
Größe möglichst unbeeinflusst ermittelt werden kann.
Bsp.: Experiment 3: Fallgesetze/ Fallröhre: V2/1232
 Ausschluss des Luftwiederstandes in einem Vakuum-Fallturm
Physische Gesetze, die in der Regel durch Formeln ausgedrückt werden, sind den
Vereinfachungen des Modells angepasst, d.h., Dinge, die in dem betrachteten Zustand keine
Rolle spielen, kommen nicht (mehr) vor.
Einfachheit und Klarheit
 Man muss aber immer wieder (über)prüfen, ob die Voraussetzungen des Modells im
konkreten Falle gelten.
Hypothesen:



Mehr oder weniger begründete Vermutungen, Arbeitshypothesen
dienen oft der Planung bzw. dem Entwurf von Experimenten
Bsp.: Wenn das so ist, dann müssten doch auch…
Vorstufen von Gesetzmäßigkeiten
Prinzipiell ist Physik immer offen für unerwartete experimentelle Ereignisse. Insofern ist
keine Gesetzmäßigkeit „absolut“.
Mit zunehmender Vervollständigung des Bildes von der Welt, der zunehmenden Menge von
zusammenpassenden und sich gegenseitig nicht störenden bzw. sich stützenden Befunden
steigt natürlich das Zutrauen in die gefundenen Gesetzmäßigkeiten.
Deshalb wird z.B. die (zukünftige) Suche nach einem perpetuum mobile abgelehnt.
Theorien:


Überwiegend mathematische Formulierung gefundener Gesetzmäßigkeiten
beziehen sich auf ein bestimmtes Modell
o Außerordentlich wichtige Rolle von Mathematik + Computerphysik
o Arbeitsteilung zwischen Experimentalphysik und theoretischer Physik wegen
des enormen Wissensvolumens
Neue experimentelle Messergebnisse
Theorie/ Hypothese
theoretische Erklärung
nachfolgende experimentelle Bestätigung
o Computertechnik:
 näherungsweise Lösung komplexer Probleme, die analytisch
unzugänglich sind
 Berechnung experimentell nicht zugänglicher Konstellationen
Die in Theorien verwendete mathematische Formulierung physischer Aussagen
erlaubt die Vorhersage bisher nicht bekannter Vorgänge und Erscheinungen.
Bsp.: Vorhersage elektromagnetischer Wellen durch James Clerk Maxwell
(1831 - 1879) 
Experimenteller Nachweis durch Heinrich Hartz (1857 - 1894)

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