Schlüsselkonzepte sind im allgemeinen wichtige Gedanken, die die Lehrer immer wieder mit Mühe betonen, damit sie sich dauerhaft einprägen – sei es wenigstens bis zur Prüfung oder ein Leben lang. Bevor man sich diesen Konzepten allerdings widmet, sollte zunächst die Frage beantwortet werden: Was ist eigentlich Physik?

Jeder von uns hat sicherlich einige Schlüsselkonzepte in sein Hirn eingebrannt, ganz gleich wie lange unsere akademische Erfahrung zurückliegt.

Zum Beispiel kennen wir alle die Übertragsregeln in der einfachen Arithmetik, und wir alle erinnern höchstwahrscheinlich die Regeln zur Groß- und Kleinschreibung ... oder?

Die Physik als akademisches Fach ist da nicht anders im Hinblick auf Regeln und Konzepte.

Es gibt allgemeine Regeln und Vorstellungen, die die Grundlage bilden, auf der alle weiteren Physikstudien aufgebaut werden; Konzepte, die verinnerlicht werden müssen, bevor ein tieferes Verständnis der Materie erreicht werden kann.

Die gute Nachricht ist, sobald diese Grundlagen wirklich verstanden wurden, ist ihre Anwendung in weiteren Studien eine Selbstverständlichkeit.

Um dir in deinem Bestreben zu helfen, die physikalischen Schlüsselkonzepte zu verstehen, zeigt Superprof sie alle auf und erklärt sie.

Physikalische Konzepte: Elementare Informationen

Ein Blitz ist ein physikalisches Konzept
Ein Gewitter zeigt zwei grundlegende Kräfte: Schwerkraft und Elektromagnetismus. Quelle: Pixabay Credit: 012

Es gibt vier grundlegende Kräfte der Natur, die jede einzelne physikalische Interaktion bestimmen, sei es auf der atomaren oder subatomaren Ebene.

Diese Grundkräfte sind Schwerkraft, Elekromagnetismus und nukleare Wechselwirkungen sowohl starke als auch schwache Wechselwirkungen.

  1. Von all diesen Kräften ist die Schwerkraft die verbreitetste, aber an Stärke geringste. Die Kraft der Gravitation besteht zwischen allen Körpern und ihre Auswirkung ist abhängig davon, ob deren Masse groß oder klein ist.

Die Umlaufbahn unseres Planeten um die Sonne und die des Mondes um die Erde werden von der Gravitation bestimmt.

Die Regeln und Eigenschaften dieser Kraft werden in Einsteins Relativitätstheorie beschrieben.

  1. Die schwache Wechselwirkung bezieht sich auf nukleare Kräfte und beschreibt insbesondere die Neigung zum Beta-Zerfall.

Beta-Zerfall liegt vor, wenn ein Proton in ein Neutron transformiert wird und umgekehrt.

Die Aufnahme oder Abgabe einer elektrischen Ladung ist entscheidend, weil sie dem Atom erlaubt, ein optimales Verhältnis von Protonen und Neutronen anzuziehen und somit stabil zu werden und zu bleiben – vorausgesetzt, die Reaktion ist kontrolliert.

Das Phänomen wird kontrolliert durch die nächste Kraft auf unserer Liste.

  1. Elektromagnetismus ist die vorherrschendste Kraft in unserer Welt; das bedeutet: Wir können ihre Auswirkungen wahrnehmen, ohne auf Laborausrüstung zurückgreifen zu müssen um sie aufzuspüren.

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 bewies (durch Gleichungen), dass Licht, Elektrizität und Magnetismus alle in demselben Medium existieren.

Er wies weiterhin nach, dass elektromagnetische Wellen sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.

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  1. Die letzte unserer Kräfte, die starke Wechselwirkung, hält Protonen und Neutronen aneinander gebunden. Sie ist so stark, dass sie die Abstoßung von gleichartig geladenen Teilchen nicht zulässt, sondern sie zusammenhält, obwohl sie sich voneinander abstoßen.

Zahlreiche Physiker nehmen an, dass diese vier Kräfte eigentlich Erscheinungsformen einer größeren, verbindenden Kraft sind, die erst noch entdeckt und benannt werden muss.

Elektrizität, Magnetismus und die schwache Wechselwirkung sind zur elektroschwachen Wechselwirkung zusammengeführt worden, aber die Einbeziehung der Gravitation erweist sich als eine gewisse Herausforderung, man nennt sie Quantengravitation.

Bisher konnte keine der Theorien, die sich mit der Quantengravitation befassen, überzeugen.

Wellen tragen Energie

Hast du jemals von Schallwellen gehört? Wie steht es um seismische Wellen?

Diese und andere Wellen haben einen direkten, messbaren Effekt. Schallwellen kann man hören, seismische Wellen bewegen sich durch den Boden und verursachen Erdbeben; selbst Licht bewegt sich in Wellen!

Vielleicht ein eindrücklicheres Beispiel sind die Wellen, die du vom Strand aus siehst: Sie schlagen auf den Ozeanboden und zerkleinern Materie zu feinem Sand.

Gravitationswellen sind besonders interessant! Diese Riffel in der Raumzeit werden durch die explosivsten energetischen Prozesse in unserem Kosmos hervorgerufen.

Einstein sagte sie vor 100 Jahren voraus im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie.

Kannst du dir die Ehrfurcht vorstellen, die die Kosmologen ergriff, als sie wirklich nachgewiesen wurden, nachdem sie für Jahrzehnte nur eine Idee gewesen waren?

Wie ist das mit dem Universum?

Ja, das Universum ist aus Planeten und Sternen und Dunkler Materie gemacht, aber auf einer grundlegenderen Ebene besteht es aus Materie und Energie.

Materie im Raum 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 ...

We haben Materie und wir haben Energie; jetzt geben wir noch Kraft dazu und erhalten das Rezept für jedes einzelne himmlische Ereignis!

Jede Evolution des Universums, von der Geburt eines Sterns bis zum Zusammenfall eines roten Riesen beruht auf diesen drei Faktoren.

Hat das dein Interesse angeregt? Du kannst noch mehr über interessante Physik-Fakten lernen.

Unsere Sonne wird in wenigen Milliarden Jahren ein roter Riese werden.
Unsere Sonne wird in wenigen Milliarden Jahren ein roter Riese werden. Quelle: Pixabay Credit: Katzenfee50

Physik-Konzepte und Messungen

Das Hauptziel der Physik ist es, zu verstehen wie unser Universum funktioniert, auf subatomarer Ebene, auf unserem Planeten und im Kosmos.

Diese Studien umfassen grundlegende Konzepte wie etwa die Frage, wie bewegt sich Materie durch Raum und Zeit, wie Energie und Kräfte sich auf die Materie auswirken.

Abweichungen in einer beobachteten Materie festzustellen ist eine Sache; um zu erklären wie und warum Größen sich ändern, müssen exakte Berechnungen vorgenommen werden. Man kann jedoch nicht dieselbe Messskala anlegen um die Umlaufbahn eines Planeten (Kilometer) aufzuzeichnen und einen Temperaturunterschied (Kelvin, Rankin, Celsius und Fahrenheit) festzuhalten.

Beachte: Die USA sind das einzige größere Land, das offiziell die Fahrenheit-Temperaturskala verwendet!

Ganz gleich, welche die offiziellen Messstandards in irgendeinem Land sind, die wissenschaftliche Gemeinschaft registriert alle ihre Ergebnisse in einem internationalen System von Maßeinheiten, SI-Einheiten genannt.

SI steht für Système Internationale d’Unités – ja, das ist Französisch, aber du kannst es sicher verstehen!

Dieses System enthält Grundwerte für jede Art von Messung:

  • Entfernung wird ausgedrückt in Metern
  • Zeit wird heruntergebrochen zu Sekunden
  • Gewicht (Masse) wird angegeben in Kilogramm
  • Temperatur wird auf der Kelvin-Skala gemessen
  • Elektrischer Strom wird angegeben in Ampere
  • ein Mol ist die Maßeinheit der Stoffmenge

Natürlich wiegt nicht alles wenigstens ein Kilogramm und elektrischer Strom beginnt nicht immer bei einem Ampere, also kommen Dezimalzahlen und Potenzen ins Spiel.

Das sind Schlüsselkonzepte aus der Mathematik!

Wenn es darum geht Gleichungen aufzustellen, wird das Maß von, sagen wir, einem Nanometer, statt als 1 hinter 8 Nullen hinter dem Komma (0,000000001) einach durch ein ʻnʼ gekennzeichnet.

Es gibt acht Standard-Präfixe mit ergänzenden Abkürzungen um exponentielle Werte zu kennzeichnen:

PräfixAbkürzungExponentWie viele Nullen?
Tera-T121.000.000.000.000
Giga-G91.000.000.000
Mega-M61.000.000
Kilo-k31.000
Centi-c-20,01
Milli-m-30,001
Micro-µ-60,000001
Nano-n-90,000000001

Eine letzte Erklärung zu Messungen: abgeleitete Einheiten.

Bitte beachte, während die Verwendung von Präfixen dazu beiträgt, Gleichungen überschaubar zu halten, so muss doch jede Einheit, die mit einem Präfix ausgedrückt wird, umgewandelt werden in einen tatsächlichen numerischen Wert um die Gleichung zu lösen.

Man kann die Masse eines Objekts leicht messen oder die Zeit, die es braucht, um eine bestimmte Entfernung zurückzulegen, aber wie steht es um die Messung der Kraft, die es antreibt, der Energie, die es verbraucht, der Frequenz seiner Wellen oder seiner elektrischen Ladung?

In der folgenden Tabelle kannst du alle diese Einheiten sehen: ihren Namen, wofür sie stehen und die Abkürzung, die verwendet wird, um zu zeigen, wie sie ausgedrückt werden.

Die nächste Tabelle zeigt all diese Einheiten, wofür sie stehen und wie sie üblicherweise abgekürzt werden.

MaßeinheitAbkürzungWas wird gemessen
JouleJEnergie
WattWLeistung
PascalPaDruck
NewtonNKraft
HertzHzFrequenz
Ohm

ΩElektrischer Widerstand
VoltVElektrische Spannung
Coulomb

CElektrische Ladung
TeslaTMagnetflussdichte

Lerne mehr nützliche Begriffe der Physik, die dir helfen, physikalische Konzepte zu verstehen!

Physik-Konzepte: Schlüsselgesetze und -formeln

Auf jede Aktion folgt eine gleich große und entgegen gerichtete Reaktion.

Dieser elegante Satz, der gern in alltägliche Gespräche eingebaut wird – oft als eine Aussage zur schicksalhaften Vergeltung, ist eigentlich Newtons Drittes Bewegungsgesetz.

Die anderen beiden sind:

  1. Ein Objekt in Ruhe bleibt in Ruhe, wenn es nicht durch eine äußere Kraft in Bewegung gesetzt wird.
  2. 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 auf nach langer Beobachtung der Bewegung von Materie und der Kräfte, die auf sie einwirken.

Während sie heute offensichtlich und allzu einfach erscheinen, so gab es doch zu der Zeit, in der diese Gesetze aufgestellt wurden, wenig grundlegende Regeln, die irgendetwas in der Physik bestimmt hätten, geschweige denn einen einheitlichen Standard für Masse in Bewegung.

Albert Einstein, ein weiterer Eckpfeiler der Disziplin, die wir Physik nennen, hat möglicherweise die berühmteste Gleichung aller Zeiten in seiner Theorie der speziellen Relativität aufgestellt: E=mc2.

So elegant und anscheinend einfach, wie sie ist, enthält sie doch zwei physikalische Wahrheiten:

  1. Das Prinzip der Relativität legt dar, dass die Gesetze der Physik gleichermaßen, in allen Situationen gelten.
  2. In einem Vakuum ist die Lichtgeschwindigkeit konstant, ungeachtet irgendeiner Bewegung der Lichtquelle.

Es ist absolut erstaunlich, dass diese Gesetze die Zeiten überdauert haben und wieder und wieder bestätigt wurden!

Der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik übernimmt die Größe der Temperatur
Der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik übernimmt die Größe der Temperatur. Quelle: Pixabay Credit: 1258271

Die Hauptsätze der Thermodynamik sind die folgenden:

  • 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 wird und somit niemals vollkommene Effizienz erreichen wird.

Diese Gesetze hatten ihren Ursprung ebenfalls in der Mitte des 17. Jahrhunderts und blieben gültig bis heute – ein eindrucksvolles Zeugnis für den menschlichen Wissensdurst und die brillanten Geister, die sie formulierten.

Elektrostatische Gesetze

Zwei Gesetze bestimmen die Entstehung elektrostatischer Kraft und elektrostatischer Felder durch elektrisch aufgeladene Teilchen. Diese sind:

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.

Sie sind benannt nach ihren Autoren; Charles Coulomb war ein französischer Physiker und Carl Friedrich Gauss ein deutscher Mathematiker.

Das Studium unserer physikalischen Welt, das sich über alle Nationalitäten erstreckt und Jahrhunderte überspannt, muss selbst auf subatomarer Ebene notwendigerweise Regeln und Standards folgen.

Nun hast du ein Verständnis von jenen Schlüsselkonzepten, auf denen du dein Physikstudium aufbauen kannst!

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Sarah

Als Dolmetscherin und Übersetzerin sind fremde Länder und Kulturen mein täglich Brot. Wenn ich nicht gerade meine Leidenschaft für Sprachen und Reisen auslebe, bin ich auf Fußballplätzen zu finden, mit meinem Longboard unterwegs oder probiere mich wahrscheinlich gerade an einer anderen Sportart aus.