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Was ist Physik? 06:00 min

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Transkript Was ist Physik?

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Wir wollen uns heute mit Grundlagen beschäftigen, und zwar mit der Frage, was ist Physik? Wir lernen heute, was Physik eigentlich ist, mit welchen Methoden sie arbeitet. Und wie diese Methoden arbeiten, wollen wir uns im letzten Kapitel am Beispiel der Schwerkraft kurz ansehen. Dann mal los. Was ist denn nun Physik? Die Antwort auf diese Frage ist gar nicht so einfach. Jeder tendiert dazu, etwas anderes zu erzählen. Ich versuch es möglichst einfach zu halten und sage mal, die Physik, der Name kommt übrigens vom altgriechischen Physis, das heißt so viel, wie, die Natur, ist die Lehre von der Natur. Sie untersucht die in der Natur ablaufenden Vorgänge und versucht, Naturgesetze zu finden. Die Physik wird angetrieben durch die Neugier der Menschen. Falls ihr euch jemals gefragt habt, woher eigentlich genau ein Regenbogen kommt, wie Feuer funktioniert und wovon es abhängt, wie heiß es ist oder warum zum Beispiel Holz schwimmt und Steine nicht. Dies sind Fragen, die die Physik beantworten will. Und wie sie das tut, das sehen wir uns im nächsten Kapitel an. Ganz grob gesagt, kann man die Physik in zwei Bereiche unterteilen. Der 1. Bereich ist die sogenannte Experimentalphysik. Ihre Aufgabe ist es, z. B. durch Experimente, Erkenntnisse über physikalische Vorgänge zu sammeln. Dieses Vorgehen nennt man auch Empirie, das kommt vom altgriechischen Empeiria und bedeutet Erfahrung. Der 2. Bereich ist die theoretische Physik. Ihre Aufgabe ist es, entdeckte oder vermutete Naturgesetze mathematisch zu beschreiben. Diese beiden Bereiche arbeiten in einer Art Kreislauf zusammen. Die in der theoretischen Physik formulierten Gesetze bringen die Experimentalphysiker auf  neue Experimentideen, entweder um ein vermutetes Gesetz zu beweisen oder um ein bestehendes Gesetz, das ihnen nicht gefällt, zu widerlegen. Die Erkenntnisse, die in diesen Experimenten gewonnen werden, führen wiederum dazu, das bestehende Gesetze präziser oder anders formuliert werden oder sogar neue Gesetze aufgestellt werden. Und dies ist der Kreislauf, durch den in der Physik neue Naturgesetze entdeckt und ausformuliert werden. Als Beispiel eines solchen Vorgangs wollen wir uns nun im letzten Kapitel die Entdeckung der Schwerkraft ansehen.  Wir fangen mal an mit einer Erkenntnis, die man als Mensch relativ früh macht, und zwar "Alles fällt nach unten". Man war zwar relativ früh, vor allem in Indien und Griechenland, auf der Spur des richtigen Grundes, der Erste, der diese Theorie mathematisch ausformulierte, war aber Isaac Newton. Ihr habt die Geschichte wahrscheinlich schon mal gehört. Als junger Mann saß Newton unter einem Apfelbaum, links könnt ihr übrigens ein Bild  eines Nachfahren eben dieses Apfelbaumes sehen, der im botanischen Garten von Cambridge steht. Kein Witz, der Apfelbaum warf Newton freundlicherweise einen Apfel auf den Kopf und dieser brachte folgenden Gedanken ins Rollen: Warum fällt eigentlich alles nach unten, aber der Mond und die Sonne nicht? Newton beschloss schließlich, dass sowohl die Fallbewegungen auf der Erde als auch die Planetenbewegungen am Himmel an derselben Ursache liegen, nämlich daran, dass sich Massen gegenseitig anziehen. Der Grund dafür, dass der Mond zum Beispiel nicht auf die Erde stürzt, liegt einfach daran, dass die beiden sich in einer Art Gleichgewicht befinden. Für diese Schwerkraft stellte er folgende Formel auf: FG=-G×m1× m2/r2. Seine Theorie war, der Grund dafür ist die sogenannte Schwerkraft, eine Kraft, die zwischen allen Körpern wirkt. Diese Theorie brachte die Experimentalphysiker auf viele neue Ideen. Bis zum nächsten Schritt in unserer Geschichte vergehen allerdings über 100 Jahre. Henry Cavendish führte 1798 ein Experiment mit einer sogenannten Torsionswaage, einer sehr feinen Waage, aus. Er bestimmte die Gravitationskonstante G sowie die Dichte und damit auch die Masse der Erde. Diese Konstanten waren wichtiges neues Futter für die theoretischen Physiker, die mit ihrer Hilfe endlich alle Planeten in unserem Sonnensystem und deren Bewegung relativ genau ausrechnen konnten. Als man nun im Laufe der Zeit immer in weitere Entfernungen rechnete, zum Beispiel weiter entfernte Galaxien, merkte man plötzlich, dass die Gleichungen nicht mehr zu stimmen schienen. Um die Bewegungen zu erklären, die man beobachtete, hätte dort mehr Masse sein müssen, als man sah und so kam man auf die Theorie der Dunklen Materie. Und so geht dieser Kreislauf immer weiter. Als Nächstes sind die Experimentalphysiker wieder dran, die versuchen müssen, die Dunkle Materie zu beweisen, oder eben zu widerlegen. Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Physik ist die Lehre von der Natur. Sie versucht, Gesetze für in der Natur ablaufende Vorgänge zu finden. In der Physik werden durch das Zusammenspiel von Experimentalphysik (die Erfahrungen zu physikalischen Vorgängen sammelt) und theoretischer Physik (die formuliert auf deren Basis Vermutungen, die dann bewiesen oder widerlegt werden können), Erkenntnisse gewonnen. Wir haben am Beispiel der Schwerkraft gesehen, wie dieser Prozess funktioniert. Aus der Erkenntnis "Alles fällt nach unten" formulierte Newton sein Gravitationsgesetz. Nachdem Cavendish die darin fehlende Gravitationskonstante bestimmt hatte, konnte man die Bewegungen von Himmelskörpern endlich genauer ausrechnen und dadurch stieß man auf Ungenauigkeiten bei größerer Entfernung und so auf die Theorie der Dunklen Materie.  So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank für das zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal. Euer Kalle

9 Kommentare
  1. SEHR GUT

    Von Land Tom, vor 11 Monaten
  2. Ich habe jetzt sommer Ferien und danach habe ich Physik jetzt weiss ich was das so genau ist👽=👾

    Von Sasuke-kun U., vor mehr als einem Jahr
  3. Sehr gut das Video,ich habe es verstanden.

    Von Melanie Kaaden, vor etwa 3 Jahren
  4. Dankeschön, das war gut erklärt so dass man es versteht und eine gute Vorbereitung für die erste Physikstunde.

    Von Rojnico, vor etwa 4 Jahren
  5. Gut erklärt perfekte Einleitung für die erste Physikstunde

    Von E N Leisenberg, vor mehr als 4 Jahren
  1. Dankeschön für die tolle Erklärung. Die Frage kommt nämlich auch in der morgigen Physikarbeit vor.

    Von Mludwighanau, vor etwa 5 Jahren
  2. Danke, echt super gemacht, also gleich eine Einführung in Art und Wesen der Physik. Höchstes Niveau!! Smile.

    Von Juliane Viola D., vor etwa 5 Jahren
  3. Es war ein heißer Sommerabend in Griechenland... :D

    Von O O Lisa Oo, vor etwa 5 Jahren
  4. Das hat Kalle super erklärt:)

    Von Deleted User 33489, vor fast 8 Jahren
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Was ist Physik? Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Was ist Physik? kannst du es wiederholen und üben.

  • 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.

  • 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.

  • 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.