Physik gehört nicht zu den Lieblingsfächern, aber wenn du erstmal die Grundlagen verstanden hast, öffnet sich dir eine unglaublich faszinierende Welt. Damit dir Einstieg in die Physik gut gelingt, musst du einige fundamentale Gesetze verstehen. Und sie sind auch wichtig, um weitere Zusammenhänge zu verstehen.
Lerne deshalb Formeln nicht nur auswendig, sondern versucht die Gesetze dahinter wirklich zu verstehen, um Ableitungen selber machen zu können – das hilft dir bei Prüfungen und ein Leben lang. Bevor wir uns den wichtigsten Grundlagen zuwenden eine grundlegende Frage: Was ist eigentlich Physik?
Das Wort Physik kommt von Physis, was so viel wie Natur bedeutet.
Sie sucht nach Naturgesetzen, die sich hinter natürlich ablaufenden Vorgängen verbergen.
Die gute Nachricht ist, sobald du diese Grundlagen wirklich verstanden hast, ist ihre Anwendung eine Selbstverständlichkeit.
Um dir in deinem Bestreben zu helfen, geben wir dir hier einen Überblick über die Grundlagen der Physik und versuchen, dir die Gesetze möglichst nachvollziehbar zu erklären.
Die vier grundlegenden Kräfte der Physik
Es gibt vier grundlegende Kräfte der Natur, die jede einzelne physikalische Interaktion bestimmen.
Die vier Grundkräfte der Physik sind:
- Gravitation (Schwerkraft)
- schwache Wechselwirkung
- starke Wechselwirkung
- Elekromagnetismus
Die Gravitation
Die Gravitation oder Schwerkraft sorgt dafür, dass alles, was sich auf der Welt befindet, nicht davon fliegt. Die Kraft der Gravitation besteht zwischen allen Körpern und ihre Auswirkung ist abhängig davon, ob deren Masse gross oder klein ist. Ein Beispiel:
Ein ganz leichtes Insekt fällt von einem Hochhaus langsam hinunter und landet sanft am Boden. Ein Stück Beton fällt rasend schnell und zerschellt beim Aufschlag.
Die Schwerkraft zieht alle Lebewesen und alle Gegenstände also natürlich an. Aber nicht nur die Erde besitzt eine solche Anziehungskraft. Die Umlaufbahn unseres Planeten um die Sonne und die des Mondes um die Erde werden ebenfalls von Gravitation bestimmt. Alle Abstände, die die Himmelskörper zueinander haben, bleiben immer gleich.
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Die schwache Wechselwirkung
Alles, aber auch wirklich alles, besteht aus Milliarden von Atomen. Ein Atom wiederum besteht aus Protonen und Neutronen im Kern, und Elektronen in der Aussenhülle. Zwischen diesen Teilchen besteht eine kleine elektrische Ladung, die in ständiger Bewegung ist. Energie wird aufgenommen oder abgegeben. Die Aufnahme oder Abgabe der elektrischen Ladung erlaubt dem Atom stabil zu bleiben.
Die schwache Wechselwirkung bezieht sich also auf Atome, sogenannte nukleare Kräfte, und beschreibt insbesondere die Neigung zum Beta-Zerfall. Ein Beta-Zerfall liegt vor, wenn ein Proton in ein Neutron transformiert wird und umgekehrt.
Die Teilchen habe eine schwache Ladung und der Energieaustausch erfolgt auf kurze Distanz. Aus diesem Grund spricht man von schwacher Wechselwirkung.
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Die starke Wechselwirkung
Die starke Wechselwirkung hält noch kleinere Teilchen, genannt Quarks, in Protonen und Neutronen gebunden. Sie ist so stark, dass sie die Abstossung von gleichartig geladenen Teilchen nicht zulässt, sondern sie zusammenhält, obwohl sie sich voneinander abstossen. Die starke Wechselwirkung ist nur zwischen Teilchen mit einer hohen Ladung möglich, diese nennt man Farbladung. Wir kennen sechs Farbladungen: rot, anti-rot, blau, anti-blau, grün und anti-grün.
Die Vermittlung zwischen den geladenen Teilchen erfolgt über Emission und Absorption von Botenteilchen, genannt Gluonen. Von deren gibt es acht und auch diese besitzen unterschiedliche Farbladungen.
Für uns schwer nachvollziehbar: die starke Wechselwirkung produziert mit grösser werdender Distanz immer mehr Energie.
Elektromagnetismus
Elektromagnetismus ist die vorherrschendste Kraft in unserer Welt.
Elektrostatische Kräfte wirken auf Teilchen in Ruhe, die sich nicht bewegen. Sowohl Magnetismus als auch Elektrizität wirken auf sich bewegende Teilchen.
Der Begriff Elektromagnetismus wurde in der Mitte des 19. Jahrhunderts geprägt, als der schottische Physiker James Clerk Maxwell mittels Gleichungen bewies, dass Licht, Elektrizität und Magnetismus alle in demselben Medium existieren.
Er wies des Weiteren nach, dass sich elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Hier spielen Chemie und Physik zusammen: Die Sonne macht jede Sekunde eine Fusion von 500 Millionen Tonnen Wasserstoff und der fast gleichen Menge Helium. In dem einen Prozent Unterschied entstehen die Sonnenstrahlen, die in elektromagnetischen Wellen zu uns auf die Erde geschickt werden.
Wenn man bedenkt, wie weit die Sonne von der Erde entfernt ist, kann man sich in etwa vorstellen, mit welcher Kraft die Strahlen losgeschickt werden.
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Die wichtigsten Themen in der Physik
Der Physikunterricht ist in verschiedene Unterthemen aufgeteilt. Mit diesen wirst du in deiner Schulzeit früher oder später in Berührung kommen.
Hauptthemen sind:
- Energie in der Natur und der Technik
- Astronomie, die Erforschung der Himmelskörper
- Quantenmechanik
- Relativitätstheorie
Daneben wirst du dich im Unterricht mit fünf Hauptschwerpunkten beschäftigen. Diese möchten wir dir in Folge vorstellen.
Die fünf Schwerpunkte in der Physik
Wenn du die Grundprinzipien der folgenden Themen verstehst, kannst du damit komplexe physikalische Zusammenhänge leichter verstehen und ableiten.
Elektrizität
In unserem täglichen Leben kommen wir ständig mit Elektrizität in Berührung; durch das künstliche Licht zum Beispiel. Um eine Lampe zum Leuchten zu bringen, kommen geschlossene Stromkreise zum Tragen. Weisst du, wie ein einfacher geschlossener Stromkreis funktioniert?
Elektronen fliessen vom Minuspol zum Pluspol und wieder zurück. Dadurch entsteht ein abgeschlossenes System, durch das Energie erzeugt wird.
In der Elektrizitätslehre beschäftigt man sich neben Stromkreisen auch mit magnetisch und elektrisch aufgeladenen Feldern. Jeder Stromfluss erzeugt ein magnetisches Feld und umgekehrt. Man spricht hier von Elektrostatischen Gesetzen.
Elektrostatische Gesetze
Zwei Gesetze bestimmen die Entstehung elektrostatischer Kraft und elektrostatischer Felder durch elektrisch aufgeladene Teilchen:
Das Coulombsche Gesetz stellt fest, dass gleichgeladene Objekte einander abstossen und Gegensätze einander anziehen: Und es beschreibt die Kräfte, die von der genannten Anziehung oder Abstossung ausgehen.
Das Gausssche Gesetz beschreibt die Verteilung einer elektrischen Ladung in dem elektrischen Feld, das sie verursacht.
Diese beiden Gesetze sind nach ihren Autoren benannt: Charles Coulomb war ein französischer Physiker und Carl Friedrich Gauss ein deutscher Mathematiker.
Optik
In der Optik beschäftigen wir uns mit Wellen und Strahlen. Dabei unterscheiden wir zwischen der Strahlenoptik und der Wellenoptik. Beides sind Werte, die man leicht messen kann.
Wellenoptik
Hast du jemals von Schallwellen gehört? Sie transportieren alles, was wir hören können durch die Luft. Seismische Wellen hingegen bewegen sich durch die Erde und entstehen zum Beispiel, wenn sich tektonische Platten verschieben. Dadurch entstehen Erdbeben, die bis an der Erdoberfläche gelangen.
Die Lichtgeschwindigkeit ist die schnellste aller Wellen und bewegt sich im luftleeren Raum mit 300 000 Stundenkilometern pro Sekunde vorwärts.
Ein besonders spannendes Thema sind Gravitationswellen oder Schwerkraftwellen. Ihre Existenz wurde erst im Jahr 2015 bewiesen, womit Einsteins Theorie definitiv bestätigt wurde. Diese Riffel in der Raumzeit werden durch explosive energetischen Prozesse in unserem Kosmos hervorgerufen.
Der Physiker Roland Haas1 hat das so beschrieben:
Gravitationswellen sind physikalische Verzerrungen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Solche Verzerrungen werden erzeugt, sobald sich Objekte beschleunigt bewegen.
Roland Haas
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Strahlenoptik
In diesem Themenbereich geht es um alles, was mit Licht zu tun hat. Lichtstrahlen und deren Brechung kann man ganz genau berechnen. Besonders toll ist die Arbeit mit Prismen, die das Licht in einzelne Farben auffächern. Un du lernst, wie Schattenarten entstehen und weshalb wir einen Regenbogen am Himmel sehen.
In einer Glaspyramide bricht sich das Licht und lässt uns verstehen, dass in jedem Lichtstrahl das ganze Spektrum der Grundfarben vorhanden ist.
Wärmelehre
In der Wärmelehre lernst die die Gesetze der Thermodynamik kennen. Wie du selber schon oft im Alltag erlebt hast, verändern sich Gegenstände und Körper durch Wärme oder Kälte. Wasser dehnt sich zum Beispiel beim einfrieren aus. Das heisst, wenn man die Temperatur von Wasser unter den Nullpunkt bringt, wird es fest und dehnt sich aus.
Die Wärmelehre (Thermodynamik) fusst auf vier Hauptsätzen:
- Der Nullte Hauptsatz führt die Grösse der Temperatur ein.
- Der erste Hauptsatz illustriert die Dynamik zwischen der inneren Energie eines Systems, zugeführter Hitze und seiner Arbeit.
- Der zweite Hauptsatz umschreibt den natürlichen Fluss von Hitze in einem geschlossenen System.
- Der dritte Hauptsatz stellt fest, dass jeder herbeigeführte thermodynamische Prozess naturgemäss Hitzeverlust erleiden und somit niemals vollkommene Effizienz erreichen wird.
Diese Gesetze haben ihren Ursprung ebenfalls in der Mitte des 17. Jahrhunderts und blieben bis heute gültig. Hast du Lust auf Physik Nachhilfe?
Kernphysik
Ein weiteres spannendes Thema ist die Kernphysik. Hier lernst du, dass Atome durch deren Spaltung Wärme erzeugen. So funktioniert zum Beispiel ein Kernkraftwerk.
Konzepte der Physik und deren Messungen
Das Hauptziel der Physik ist es, zu verstehen, zu berechnen und zu beweisen, nach welchen natürlichen Gesetzen unsere Welt und das ganze Universum funktioniert.
Dazu braucht man allgemeine Skalen und Standards, an die sich alle halten. In einem internationalen System von Masseinheiten, SI-Einheiten genannt, hat man sich auf einen gemeinsamen Nenner geeinigt.
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Dieses System enthält Grundwerte für jede Art von Messung:
- Entfernung wird ausgedrückt in Kilometern, Metern, Dezimetern, Zentimetern
- Zeit wird herunter gebrochen in Stunden, Minuten, Sekunden
- Gewicht (Masse) wird angegeben in Tonnen, Kilogramm, Dezigramm, Milligramm
- Temperatur wird auf der Kelvin-Skala gemessen
- Elektrischer Strom wird angegeben in Ampere
- ein Mol ist die Masseinheit der Stoffmenge
Dezimalstellen und Potenzen
Natürlich wiegt nicht alles wenigstens ein Kilogramm und elektrischer Strom beginnt nicht immer bei einem Ampere. Deshalb kommen Dezimalzahlen und Potenzen ins Spiel.
Wenn es darum geht Gleichungen aufzustellen, die mit hohen Dezimalwerten arbeiten, wird auf Hilfen zurückgegriffen. Das Mass von zum Beispiel einem Nanometer wird dann anstatt mit acht Nullen nach der Kommastelle und einer Eins (0,000000001) durch ein ?n? gekennzeichnet.
Es gibt acht Standard-Präfixe mit ergänzenden Abkürzungen, die du kennen solltest:
| Präfix | Abkürzung | Exponent | Wie viele Nullen? |
|---|---|---|---|
| Tera- | T | 12 | 1.000.000.000.000 |
| Giga- | G | 9 | 1.000.000.000 |
| Mega- | M | 6 | 1.000.000 |
| Kilo- | k | 3 | 1.000 |
| Centi- | c | -2 | 0,01 |
| Milli- | m | -3 | 0,001 |
| Micro- | µ | -6 | 0,000001 |
| Nano- | n | -9 | 0,000000001 |
Abgeleitete Einheiten
Die Zeit, die Masse eines Objekts oder eine Distanz kann man also leicht in Einheiten angeben. Aber wie steht es um die Messung von Kraft und Energie, der Frequenz von Wellen oder eine elektrische Ladung?
Die nächste Tabelle gibt die einen Überblick über diese Einheiten, zeigt wofür sie stehen und wie sie üblicherweise abgekürzt werden.
| Maßeinheit | Abkürzung | Was wird gemessen |
|---|---|---|
| Joule | J | Energie |
| Watt | W | Leistung |
| Pascal | Pa | Druck |
| Newton | N | Kraft |
| Hertz | Hz | Frequenz |
| Ohm | Ω | Elektrischer Widerstand |
| Volt | V | Elektrische Spannung |
| Coulomb | C | Elektrische Ladung |
| Tesla | T | Magnetflussdichte |
Lerne mehr nützliche Begriffe der Physik, die dir helfen, physikalische Gesetze zu verstehen!
Physik-Konzepte: Schlüsselgesetze und -formeln
Diese drei in der Box stehenden Sätze beschreiben Newtons Bewegungsgesetze. Am besten lernst du sie auswendig.
1. Auf jede Aktion folgt eine gleich grosse und entgegen gerichtete Reaktion.
2. Ein Objekt in Ruhe bleibt in Ruhe, wenn es nicht durch eine äussere Kraft in Bewegung gesetzt wird.
3. Die Rate der Veränderung des Momentums ist direkt abhängig von der angewendeten Kraft.
Sir Isaac Newton, einer der Architekten der klassischen Physik, stellte jene Gesetze vor mehr als 300 Jahren nach langen Messungen von Materie in Bewegung und der Kräfte, die auf sie einwirken, auf. Während diese Lehrsätze heute selbstverständlich erscheinen, waren es zu der Zeit Newtons bahnbrechende Erkenntnisse.
Die Relativitätstheorie von Albert Einstein
Albert Einstein hat die berühmteste Gleichung aller Zeiten in seiner Theorie der speziellen Relativität aufgestellt: E=mc2. Die Relativitätstheorie belegt, dass es keinen absoluten Raum und keine absolute Zeit gibt. Raum und Zeit sind relativ. Gäbe es zum Beispiel eine Rakete, die schneller als das Licht wäre, würde die Zeit in der Rakete langsamer vergehen, als auf der Erde.
Astronomie und das Universum
Auch unser Universum besteht ausschliesslich aus Materie und Energie. Die Materie kann so winzig sein wie Staubpartikel oder so gross wie eine Galaxie, und die Energie tritt in vielen verschiedenen Formen auf: Gravitationsenergie und die erst jüngst postulierte dunkle Energie. Tatsächlich ist es diese dunkle Energie, von der man annimmt, dass sie die Ausdehnung unseres Universums antreibt.
Da ist also Materie und Energie. Wenn wir jetzt noch Kraft dazu geben, erhalten das Rezept für jedes einzelne himmlische Ereignis. Denn jede Evolution des Universums, von der Geburt eines Sterns bis zum Zusammenfall eines roten Riesen beruht auf diesen drei Faktoren: Materie, Kraft und Energie.
Wir wünschen dir viel Neugierde und spannende Erkenntnisse im Physikunterricht.
Quellen
- Kusche, Nora (2016): Gravitationswellensuche im Weltall, Welt der Physik. https://www.weltderphysik.de/gebiet/universum/gravitationswellen/lisa-pathfinder/ [abgerufen am 08.03.2024]
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