Als naturwissenschaftliche Disziplin beschäftigt sich die Physik mit Phänomenen in der Natur und sucht nach wissenschaftlichen Erklärungen für diese.

Dazu arbeitet sie eng mit anderen Disziplinen wie der Chemie, der Biologie, der Informatik und der Mathematik zusammen. Es werden verschiedene Methoden angewendet, um oft komplexe Vorgänge in der Natur möglich vereinfacht darzustellen.

In diesem Artikel zeigen wir euch die unterschiedlichen methodischen Teilgebiete in der Physik und erklären euch, welche Inhalte behandelt werden.

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Und los geht's

Womit beschäftigt sich die theoretische Physik?

In der theoretischen Physik als Teilgebiet geht es um die Beschreibung von Naturvorgängen anhand von Konzepten, die durch analytische und numerische Methoden aufgestellt werden. 

Forscherinnen und Forscher versuchen, Hypothesen zu physikalischen Phänomenen aufzustellen, die dann in Experimenten überprüft werden können.

In der Physik sind Experimente zu Erforschen sehr wichtig, denn sie ermöglichen es, Aussagen über bestimmte Phänomene zu treffen.

Um eine mathematische Erklärung für physikalische Phänomene zu finden, muss man Naturvorgänge durch möglichst einfache, mathematische Strukturen darstellen. Dazu werden diese Vorgänge in einem Modell dargestellt, das annähernd die Wirklichkeit darstellt.

Eine Frau mit Kreide steht neben einer Tafel mit Zahlen und davor ist ein Tisch mit Büchern und Stiften.
Die theoretische Physik befasst sich mit theoretischen Konzepten. |Quelle:
JESHOOTS.COM via Unsplash

Mithilfe von Skalaren, Vektoren und Gleichungen versucht die theoretische Physik Größen und deren Veränderung innerhalb von Vorgängen zu beschreiben.

Um sich intensiv mit theoretischer Physik auseinanderzusetzen, kann man im Physik-Studium bestimmte Kurse dazu belegen. Nach dem Studium gibt es dann die Möglichkeit, in verschiedenen Bereichen zu arbeiten: Consulting, Patentwesen, Finanzdienstleister, Banken, Öffentlicher Dienst, IT, Versicherungen und Forschungseinrichtungen.

Neben dem Studium eignen sich einige Lehrbücher, um sich intensiver mit den Themen der theoretischen Physik zu beschäftigten:

  • Grundkurs Theoretische Physik: dieses Lehrbuch von Wolfgang Nolting bietet eine gute Einführung durch ausführliche Erklärungen, zahlreiche Übungsaufgaben mit Lösungen und Kontrollfragen. 
  • Theoretische Physik: das Buch von Matthias Bartelmann, Björn Feuerbacher, Timm Krüger, Dieter Lüst, Anton Rebhan und Andreas Wipf stellt die vier großen Gebiete Mechanik, Elektrodynamik, Quantenmechanik sowie Thermodynamik und Statistische Physik vor. So kannst du einen guten Überblick zu den verschiedenen Themen erhalten.
  • Repetitorium Theoretische Physik: dieses Lehrbuch von Armin Wachter und Henning Hoeber behandelt Themen von der klassischen Mechanik über Elektrodynamik, Quantenmechanik bis hin zur Statistischen Physik und Thermodynamik anhand von Übungen und den dazugehörigen Lösungen sowie übersichtlichen Zusammenfassungen der einzelnen Themen.
  • Arbeitsbuch zur Theoretischen Physik: Repetitorium und Übungsbuch: das Buch von Thorsten Fließbach bietet dir ebenfalls zahlreiche Übungsaufgaben mit Musterlösungen.

Die Inhalte der Experimentalphysik

In der Experimentalphysik als Teilgebiet geht es um den Entwurf, den Aufbau, die Durchführung und die Auswertung von Experimenten, mit denen man Aussagen über Naturphänomene oder Gesetzmäßigkeiten in der Mechanik, Dynamik oder Optik treffen kann. 

Unter einem Experiment versteht man ein planmäßig durchgeführter wissenschaftlicher Versuch, der unter immer gleichen reproduzierbaren Bedingungen stattfindet, da nur so eine objektive Aussage getroffen werden kann.

So können Forscherinnen und Forscher qualitative und quantitative Aussagen über bestimmte Phänomene treffen und neue physikalische Erkenntnisse aufstellen. 

Zur Durchführung eines Experiments braucht es zunächst eine Konzeption, von der ausgehend dann das Versuchsfeld vorbereitet wird, damit dann schließlich die eigentliche Messung sowie Interpretation der Ergebnisse erfolgen kann.

Die Experimente müssen immer unter den gleichen Bedingungen stattfinden, da die Reproduzierbarkeit eine große Rolle spielt!

Auf einem weißen Tisch stehen Reagenzgläser mit Flüssigkeit und einer Pipette drin.
Experimente sind in der Physik unentbehrlich. |Quelle: Hans Reniers via Unsplash

Falls du Lust hast, Experimentalphysik zu studieren, dann kannst du das an der Ludwigs-Maximilian-Universität in München. Dieser speziellen Studiengang beschäftigt sich mit den methodischen und empirischen Inhalten.

Außerdem kannst du dein Wissen mithilfe von Lehrbüchern vertiefen:

  • Experimentalphysik von Wolfgang Demtröder
  • Lehrbuch  Experimentalphysik von Joachim Heintze
  • Repetitorium Experimentalphysik von Ernst-Wilhelm Otten

Die Inhalte der Experimentalphysik lassen sich theoretisch und praktisch lernen.

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Damit befasst sich die Technische Physik

In der technischen Physik, die einen sehr forschungs- und entwicklungsnahen Teilbereich darstellt, steht der technische Aspekt der physikalischen Welt im Fokus. Untersucht wird die Schnittstelle zwischen physikalischen Grundlagen und technischen Entwicklungen.

Forscherinnen und Forscher untersuchen und entwicklen neue Technologien, zu denen die folgenden Beispiele gehören:

  • Halbleitertechnik
  • Lasertechnik
  • Oberflächenentwicklung
  • Energietechnik
  • Umwelttechnik

Die technische Physik hat viele Überschneidungen mit verschiedenen Teilbereichen, wie der Mathematik, Chemie und Informatik. Daneben behandelt dieser Teilbereich auch Aspektre aus der Konstruktionslehre, Elektrotechnik, Umweltphysik, Molekülphysik und Computersimulation.

Wenn du dich mit technischer Physik auseinandersetzen möchtest, besteht die Möglichkeit, das Fach zu studieren. Dabei handelt es sich um einen praxisbezogenen Ingenieurstudiengang, der physikalische Grundkenntnisse aus der Experimental- und theoretischen Physik sowie technische Inhalte der Ingenieurwissenschaften vermittelt.

Ein Mechaniker mit Glatze arbeitet an einem mechanischen Gerät an einem Tisch.
Die technische Physik ist die Schnittstelle zwischen Technik und Physik. |Quelle: Aaron Huber via Unsplash

Auch Inhalte aus den Bereichen Elektrotechnik, Informatik und Maschinenbau spielen eine wichtige Rolle. Studieren kannst du das Fach an der Hochschule München, Hochschule Coburg, Universität Linz, Fachhochschule Aachen, TU Ilmenau, TU Kaiserslautern oder an der Universität Oldenburg. 

Die technische Physik ermöglicht einem viele Berufsperspektiven als Ingenieur oder Physiker in der Energiewirtschaft, Umweltsystemtechnik oder Umwelttechnik.

Die Welt der mathematischen Physik

In der mathematischen Physik als Teilgebiet geht es nicht direkt um konkret physikalische Phänomene, sondern um die theoretischen Ergebnisse dahinter, also die mathematischen Eigenschaften eines Modells.

Mithilfe mathematischer Formeln und Berechnungen werden allgemein anerkannte Aussagen, sogenannte Axiome, getroffen, die zur Lösung komplexer Probleme genutzt werden. 

Dies wird von Forscherinnen und Forschern vor allem bei der Lösung physikalisch-technischer Fragestellungen genutzt und andersherum wirkt die Physik als Antrieb für die Entwicklung neuer mathematischer Theorien.

Ob Methoden der Differentialgeometrie, Phänomene der Mechanik oder die allgemeine Relativitätstheorie, all diese physikalischen Probleme basieren auf komplexen mathematischen Berechnungen. 

Wenn du überlegst, dich intensiver mit mathematischer Physik zu beschäftigen, dann kannst du ein Studium in diesem Bereich in Betracht ziehen.  Die Technische Hochschule Nürnberg sowie die Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt bietet den Bachelor of Science in Angewandte Mathematik und Physik an. 

Es gibt aber auch die Möglichkeit, einen Master in Mathematical Physics zu machen, der einem klassischen Physik-Bachelor folgen kann. Folgenden Unis bieten einen solchen Master an:

  • Universität Hamburg
  • Universität Leipzig
  • Ludwig-Maximilians-Universität München in Kooperation mit dem Elitenetzwerk Bayern
  • Technische Hochschule Nürnberg
  • Eberhard Karls Universität Tübingen
  • Julius-Maximilians-Universität Würzburg (auch Bachelor)

Die Studierenden lernen fächerübergreifende Kompetenzen, die sie für den Arbeitsmarkt sehr beliebt machen. Man kann als Absolvent in Bereichen wie der Grundlagenforschung, in Forschungsinstituten, in der IT-Branche, im Finanzsektor oder im Maschinenbau und der Elektrotechnik arbeiten. 

Die mathematische Physik bietet viele spannende Themen.

Darum geht es in der Computerphysik

Die Die Computerphysik ist ein Teilgebiet der klassischen Physik und setzt sich mit der Simulation physikalischer Prozesse mithilfe von Computern auseinander. Mithilfe rechenstarker Computer können Forscherinnen und Forscher Simulationen in verschiedenen Bereichen möglich machen.

Im Fokus der Simulationen stehen physikalische Probleme, die sich mithilfe von Gleichungen beschreiben lassen, aber deren Lösung nicht direkt mit einer Formel berechnet werden kann.

Mit einer mathematische Formel der Algebra werden die Ausgangsgleichungen eines physikalischen Systems gelöst, um sie dann in einer Simulation zu verdeutlichen.

Die Welt der Physik kommt ohne Computer kaum mehr aus und so nutzen Teilbereiche wie die Quantenfeldtheorie, die Astrophysik und Kosmologie, die Festkörperphysik, die Thermodynamik, die Meteorologie und Klimatologie oder auch die Statistische Physik Methoden der Computerphysik.

Zwei Laptops stehen auf einem Tisch und zwei Menschen beugen sich über Blätter in der Mitte.
Computer spielen in der Physik eine große Rolle. |Quelle: Scott Graham via Unsplash

Um eine Simulation am Computer durchführen zu können, muss zunächst eines solche Simulation über Programmiersprache programmiert werden. Dabei nutzt man in der Physik die Programmiersprachen Fortran, C, BASIC, Pascal, Mathematica, Maple, IDL oder Labview. 

Es gibt auch ein Studium der Computerphysik und zwar an der TU Chemnitz. Hier kannst du nach dem Abschluss deines Bachelors in Physik einen Master in Computational Science machen.

Du findest auch einige Lehrbücher zu diesem Thema:

  • Computerphysik: Einführung, Beispiele und Anwendungen“ von Stefan Gerlach:
  • Grundlagen der Wahrscheinlichkeitsrechnung und Statistik: Eine Einführung für Studierende der Informatik, der Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften“ von Erhard Cramer:
  • Physik mit Python“ von Oliver Natt

Die Computerphysik spielt in vielen Teilbereichen eine große Rolle. 

Damit beschäftigt sich die statistische Physik

Die statistische Physik beschäftigt sich mit den Methoden der Wahrscheinlichkeitstheorie, die zur Beschreibung physikalischer Systeme genutzt werden. Damit wollen Forsche die Eigenschaften und das Verhalten eines großen zusammengesetzten Systems beschreiben, ohne dabei auf das Verhalten eines einzelnen Teilchens eingehen zu müssen.

Hier ist die Unterscheidung zwischen Mikro- und Makrozustand wichtig. Der Mikrozustand erklärt die mikroskopischen Geschehnisse eines Systems, während es im Makrozustand um die Gesamtheit des Systems geht.

In der Physik nutz man statistische Verfahren und Berechnungen, wenn eine beobachtbare Größe in einem System von den Eigenschaften und Verhaltensweisen der Teilsysteme abhängig ist.

So kann das Verhalten von Systemen mit vielen Teilchen beschrieben werden. Dazu gehören Festkörper, Flüssigkeiten und Gase.

Da es kein direktes Studium der statistischen Physik gibt, lohnt es sich, in ein Lehrbuch zu investieren, von denen es einige hilfreiche gibt:

  • Statistische Physik: Lehrbuch zur Theoretischen Physik
  • Theoretische Physik 4 | Thermodynamik und Statistische Physik
  • Mechanik: Lehrbuch zur Theoretischen Physik I
  • Statistische Physik beruhend auf Quantentheorie. Eine Einführung
  • Statistische Physik. Gleichgewichtstheorie und Kinetik

Die statistische Physik ist als physikalischer Zweig in vielen Bereichen enorm wichtig.

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Elissa

Leidenschaftliche Weltenbummlerin, Köchin und Lebensgenießerin.