Experimentalphysik - Der Weg der Erkenntnis in der Physik

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Was ist die Experimentalphysik?

In diesem methodischen Teilbereich steht der Entwurf, der Aufbau, die Durchführung und die Auswertung von Experimenten im Mittelpunkt. Mithilfe dieser Experimente wollen Forscher Gesetzmäßigkeiten in der Natur oder in Teilbereichen wie der Optik, Mechanik oder Dynamik.

Ein Experiment ist hier ein planmäßig durchgeführter wissenschaftlicher Versuch, der unter immer gleichen reproduzierbaren Bedingungen stattfindet. Diese Reproduzierbarkeit ist von besonderer Wichtigkeit, da nur so eine objektive Aussage getroffen werden kann.

Mithilfe physikalischer Experimente können Forscher qualitative und quantitative Aussagen über bestimmte Phänomene treffen.

Ein Pendel mit fünf Kugeln ist an goldenen Stäben auf einem Holzsockel montiert. — Experimente sollen Gesetzmäßigkeiten der Natur bestätigen. |Quelle: Sunder Muthukumaran via Unsplash

Diese Gesetzmäßigkeiten sollen mithilfe von empirischen Modellen beschrieben werden. Dieses Vorgehen dient dazu, neue physikalische Erkenntnisse zu finden und die von der theoretischen Physik gemachten Vorhersagen zu überprüfen.

Ergebnisse, die in den Experimenten gewonnen werden, werden dann in der theoretischen Physik weiterverarbeitet. Andererseits werden die in der theoretischen Physik formulierten Theorien in der Experimentalphysik überprüft.

Der Teilbereich ist also eng mit anderen Bereichen in der Disziplin verknüpft.

Um ein Experiment durchführen zu können, muss zunächst ein Versuch konzipiert werden, der zu den Anforderungen passt. Dann wird das Versuchsfeld vorbereitet und schließlich erfolgt die eigentliche Messung sowie Interpretation der Ergebnisse.

Was gibt es bei einem Experiment zu beachten?

Naturwissenschaften wie die Physik oder Chemie verwenden zur Gewinnung einer Erkenntnis sehr häufig Experimente, da man diese unter gleichen Bedingungen reproduzieren kann und sich so die Ergebnisse bestätigten lassen.

Zur Reproduzierbarkeit zählt auch, dass ein anderer Forscher an einem anderen Tag und einem anderen Ort zum gleichen Ergebnis kommen muss. Es gibt allerdings verschiedene Eigenschaften und Größen, die bei einem Experiment eine Rolle spielen.

Unabhängige Varianten beschreiben Größen, die man in einem Versuch verändert und deren Veränderung zu einer Änderung der abhängigen Variablen führen. Größen, die man nicht verändern kann, nennt man Parameter oder auch Einflussgröße.

Sei es in der technischen Physik oder in der Mechanik, Experimente spielen in vielen physikalischen Bereichen eine Rolle.

Dabei trifft ein Experiment nur eine unmittelbare Aussage über die spezifische Versuchssituation. Diese Aussagen lassen sich dann zwar verallgemeinern, brauchen aber immer wieder eine Bestätigung durch einen erneuten Versuch.

Auf einem Tisch steht ein Laptop und davor liegt ein Buch und ein Taschenrechner mit Zahlen. — Um ein Experiment durchzuführen, muss man vorher ein Konzert erstellen. |Quelle:
Anoushka P via Unsplash

Im Zentrum eines Experiments steht die Messung, also der Vergleich zweier Größen, die durch eine Maßeinheit beschrieben werden. Die Messgeräte müssen auf diese Maßeinheiten, die in bestimmten Standards vorliegen, kalibriert sein.

Innerhalb eines Versuchs werden bestimmte störende Einflüsse unterdrückt, um die messbaren Eindrücke messen zu können. Größen, die für einen gemessenen Zusammenhang keine Relevanz haben, kommen dann auch nicht in einer physikalischen Formel vor.

Bevor man einen Versuch durchführt, stellen die Forscher eine Hypothese, also eine Vermutung auf, wie sich bestimmte Größen zueinander verhalten. Diese Hypothese gilt es dann zu überprüfen. Aufbauend auf diesen Hypothesen wird dann das Experiment aufgebaut.

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