Physikunterricht/ Einführung in die Physik

Was ist die Physik

Die Physik ist eine Naturwissenschaft und zählt zu den exakten Wissenschaften. Physiker versuchen, die Zusammenhänge der Natur zu verstehen. Dies geschieht einerseits durch Messungen und andererseits durch Aufstellung von Hypothesen und (mathematischen) Modellen, welche die Ergebnisse von Messungen gut beschreiben sollen.

Die Hypothesen oder Modelle sind zwangsläufig immer Resultate menschlichen Denkens und nicht unabhängig davon, daher liefern sie auch nicht notwendig eine vom menschlichen Denken unabhängige Beschreibung der Welt. Durch Vergleich mit den Messungen können allerdings unzutreffende Hypothesen und Modelle ausgeschlossen werden oder mit der Genauigkeit der Messungen kann eine Genauigkeit der Modelle abgeschätzt werden. Das gewährleistet immerhin, dass die Hypothesen und Modelle keine unprüfbaren, von der Welt komplett losgelösten Phantastereien sind, die nicht entlarvt werden könnten. In der Prüfbarkeit durch das Experiment unterscheiden sich Naturwissenschaften von anderen Modellen der Welterklärung (dogmatische, fiktive, religiöse etc).

Wenn es eine vom Menschen unabhängige 'Wahrheit' oder Realität gibt, so nähern sich die Modelle der Wissenschaft, die Messungen genauer beschreiben als frührere, verworfene Modelle, nicht notwendig solch einer 'Wahrheit' oder Realität an, weil für eine Annäherung im Verständnis der Naturwissenschaften eine meßbare Größe, ein Abstandsmaß definiert werden müßte, was für 'Wahrheit' in Bezug auf die uns umbegebende Natur bislang aber nicht gelungen ist. Der Wahrheitsbegriff im engeren Sinne bleibt daher anderen Bereichen menschlichen Wirkens vorbehalten - der Logik, der Mathematik oder der Philosophie etwa.

Von daher beschränkt sich die Physik darauf, Modelle zu entwickeln und meßbare Größen gemäß dieser Modelle herauszuarbeiten und zu vermessen und so schrittweise und wechselseitig Modelle und Messungen zu verbessern, indem Modelle entwickelt werden, die im Rahmen der Meßgenauigkeit nicht den Messungen widersprechen. Dahinter verbirgt sich zunächst kein tieferer philosophischer Wahrheitsanspruch, sondern nur eine praktikable Methode, um plausible und prüfbare Beschreibungen der Welt mit anderen Menschen zu teilen und darin gezielt und nutzbringend zu agieren. Die Konsequenz oder der 'Erfolg' dieses Vorgehens zeigt sich uns jeden Tag etwa in den technischen Produkten, die unseren Alltag bestimmen, manchmal gar dominieren und funktionieren, weil sie im Sinne solcher Modelle genau genug verstanden sind.

Es wird immer wieder neue Entdeckungen geben. Die Chemie beruht auf der Physik, genau wie die Biologie. In der Praxis hat es sich allerdings als praktisch erwiesen, so wenig abstrakt wie möglich zu arbeiten. Prinzipiell kann die Physik also auch die Chemie und Biologie erklären. Allerdings gibt es praktische Probleme, komplexe Systeme mit den eigentlich inzwischen vorhandenen sehr genauen Modellen der Physik auch wirklich zu berechnen, selbst mit den leistungsfähigsten Rechnern. Daher werden für komplexe Systeme vereinfachte Modelle verwendet, welche nur die wesentlichen Merkmale der komplexen Systeme betrachten. Aus dieser Sicht ergeben sich Chemie oder Biologie aus der Physik aus abgeleiteten, einfacheren Modellen, um damit die komplexen Vorgänge in der Praxis in sinnvoller Zeit erforschen und verstehen zu können. Somit gebraucht man Chemie und Biologie in der Praxis als eigenständige Wissenschaften mit eigenen Arbeitsweisen. Mittlerweile gibt es allerdings Spezialisierungen wie physikalische Chemie, Quantenchemie, Bio-Physik etc, wo man mehr und mehr auf die fundamentaleren Modelle aus der Physik zurückgreifen muß, um Details in der Chemie und Biologie verstehen zu können.

Andere Naturwissenschaften

Alle Naturwissenschaften stehen in Beziehung zueinander. Diese sind in folgender Abbildung dargestellt:

Beziehung der Naturwissenschaften zueinander

Teilgebiete der Physik

Die Teilgebiete der Physik orientierten sich ursprünglich an den menschlichen Sinnen.

• Optik	sehen
• Akustik	hören
• Mechanik	Kräfte
• Wärmelehre	heiß/kalt

Es gibt aber auch Dinge in unserer Umwelt, für die wir keine Sinnesorgane haben, z. B.:

• Magnetismus (Kompass)
• Elektrizitätslehre (Strom)
• Radioaktivität (Strahlung)

Beobachten

Eines der wichtigsten Werkzeuge in der Physik ist das Beobachten, denn das naturwissenschaftliche Arbeiten setzt sich aus drei verschiedenen Schritten zusammen. Der erste Schritt ist das Beobachten. Als nächstes muss man sich fragen: Warum passiert es genau so auf diese Art und Weise. Man stellt eine Theorie, eine Hypothese oder ein Modell auf. Der letzte Schritt ist das Prüfen dieser Theorie. Dazu werden mit der Theorie Vorhersagen über meßbare Größen erarbeitet und Experimente durchgeführt. Die Ergebnisse der Experimente widerlegen dann unzutreffende Theorien oder bieten die Möglichkeit, die Genauigkeit der Theorie abzuschätzen. Bei unzutreffenden oder ungenauen Theorien entsprechen die Ergebnisse der Experimente wieder Beobachtungen und man fährt fort durch Aufstellung einer verbesserten Theorie, wie wieder zu überprüfen ist und so weiter bis die Theorie die gewünschte Genauigkeit erreicht hat.

Messen

Eine physikalische Größe zu messen, bedeutet immer zu vergleichen. Wenn man eine Länge misst und sagt, diese wäre "25 Meter" lang, bedeutet dies, dass diese Länge 25 mal so groß ist wie die Einheit Meter. Es ist offensichtlich, dass jede physikalische Größe ein Produkt aus einer Zahl und einer Einheit ist.

Physikalische Größen

Eine physikalische Größe ist eine quantitativ bestimmbare Eigenschaft eines physikalischen Objektes oder eines Zustands (Beispiel: die Länge einer Strecke). Quantitativ bestimmbare Eigenschaft heißt in diesem Zusammenhang, dass die Größe meßbar ist, also mit anderen Objekten vergleichbar ist. Den Zusammenhang zwischen physikalischen Größen vermitteln physikalische Gesetze, genauer die bereits diskutierten Modelle und Theorien. Die Objekte – Gegenstände, Vorgänge oder Zustände – selbst, wie auch nicht quantifizierbare Ideen oder Merkmale wie zum Beispiel Emotionen (Zu- oder Abneigung), Meinungen oder Theorien selbst sind keine physikalischen Größen. Da es sich bei letzteren Begriffen um Prozesse im menschlichen Gehirn handelt, kann man allerdings nicht ausschließen, dass es einmal eine gute quantifizierbare Beschreibungen der Phänomene geben könnte, die zu solchen Vorstellungen oder Ideen führen.

Das SI Einheitensystem

In der Physik gibt es viele verschiedene Einheiten. Jeder kann prinzipiell physikalische Größen mit eigenen Vergleichsgrößen vermessen. Letztlich lassen sich doch alle diese auf einige wenige Basiseinheiten zurückführen. In der gesamten Mechanik werden alle Größen zum Beispiel Arbeit, Impuls, Energie und so weiter auf drei Basiseinheiten zurückgeführt: Kilogramm, Sekunde und Meter.

Diese Einheiten werden im SI-System (SI: Internationaler Standard) definiert. Bei der Definition wird dazu eine Einheit anhand von allgemein und reproduzierbar zugänglichen physikalische Größe festgelegt. Aus praktischen Gründen verzichtet man dabei mehr und mehr auf reale Vergleichsobjekte ('Urkilogramm') oder genaue Meßvorschriften, die präzise ein einziges Experiment vorschreiben würden, sondern beschreibt eher, welches Phänomen zu vermessen ist, um die Einheit zu realisieren.

Weitere Basiseinheiten sind: das Kelvin (die Einheit der Temperatur), das Mol (die Einheit der Stoffmenge), das Ampere (die Einheit der Stromstärke) und das Candela (die Einheit der Lichstärke). Was als Basiseinheit anzusehen ist und in welcher Reihenfolge Einheiten zu vermessen sind, ist im Detail eine komplizierte Angelegenheit, die sich ab und an alle paar Jahrzehnte mal geändert hat. Man hofft indessen, sich in den nächsten Jahren auf ein System zu einigen, mit welchem man über lange Zeit und auch mit verbesserten Genauigkeiten in Zukunft über längere Zeit unverändert auskommen wird.